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排列

Permutation

有限集合到自身的双射,或其元素的有序排列。

条目类型
定义

形式陈述

集合 A 的排列是双射 σ:AA。当 A={1,,n} 时,可用有序表

(σ(1),,σ(n))

表示,它恰好一次包含每个元素。有限 n 元集合的排列数为

n(n1)21=n!,

并约定空集有一个空排列,即 0!=1

直觉

排列可以同时看成有序列表和有限集上的双射。列表视角适合计数位置,函数视角则揭示复合、逆与循环分解;每个元素恰出现一次正对应双射的单射与满射。循环结构不依赖从哪个元素开始书写同一循环,却依赖不同循环之间怎样分组。

例子与边界

{a,b,c}3!=6 个排列。映射 12,23,31 是一个三循环。含重复符号的字符串排列不是集合排列:交换两个不可区分副本不会产生新结果;只选取部分元素则属于 k-排列而非全排列。

置换 σ13,32,21,44 给出,循环记号是 (1 3 2)(4),通常省略固定点写成 (1 3 2)。同一循环也可写成 (3 2 1),但 (1 2 3) 表示逆方向的另一个置换。含重复元素的字符串重排不再有 n! 个不同结果,需按重数除法修正。

推论与应用

有限集上的双射构成置换,数量为阶乘,无固定点的特例是错排。置换的循环分解支撑群作用与 Burnside 计数,也把随机洗牌、置换检验中的固定点、循环数和逆序数变成概率变量。排序算法则可视为逐步消去输入排列的逆序;组合数也可由“先做有序选择,再忘掉所选元素的内部顺序”导出。

参考资料
  • Eric Lehman, F. Thomson Leighton, and Albert R. Meyer, Mathematics for Computer Science, rev. 2018, Chapter 15.
  • Kenneth H. Rosen, Discrete Mathematics and Its Applications, 8th ed., McGraw-Hill, 2019, §6.3.
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