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定义Definition

排列

Permutation

有限集合到自身的双射,或其元素的有序排列。

形式陈述 ​

有限集 A 的排列,又称置换,是从 A 到自身的双射 σ:A→A。它是双射的特例,额外要求定义域与陪域相同。对 A=[n]={1,…,n},可用单行记号

(σ(1),…,σ(n))

表示:列表中每个元素恰出现一次。一般有限集要先选定一个基准枚举,才能把“按位置重排”的列表与自身上的函数对应起来。

n 元集的全排列数为 n!:由乘法原理,依次指定像时有 n,n−1,…,1 个选项。空集到自身也有唯一空双射,符合 0!=1。

直觉

列表视角回答每个位置放什么,函数视角回答每个元素被送到哪里。后一视角允许反复作用:从元素 a 出发,依次追踪 a,σ(a),σ2(a),…。有限性保证出现重复。设第一次重复是 σj(a)=σi(a),其中 0≤i<j;若 i>0,单射性会推出前一步也相等,与“第一次”矛盾。所以 i=0,轨迹确实回到起点,形成循环。

从尚未出现的元素继续追踪,就把全体元素拆成互不相交的循环。循环分解除循环书写顺序、以及每个循环从哪里起笔外是唯一的;这两种书写自由不改变置换本身。

例子与边界

{a,b,c} 的六个有序重排是 abc,acb,bac,bca,cab,cba。在数字集合上,若 1↦3,3↦2,2↦1,4↦4,则单行记号为 (3,1,2,4),循环记号为 (1 3 2)(4)。通常省略固定点,写作 (1 3 2)。

同一循环可写为 (3 2 1),因为映射箭头相同;(1 2 3) 则反转了箭头,是它的逆。循环记号与单行记号因此必须按上下文区分,不能把括号内同样的数字顺序一律解释为列表。

复合也需明确方向。约定 (σ∘τ)(x)=σ(τ(x)),即先作用右边的置换。取 σ=(1 2)、τ=(2 3),追踪得到 1↦2、2↦3、3↦1,所以 σ∘τ=(1 2 3);交换作用顺序则得到 (1 3 2)。置换复合一般不交换。互不相交的循环可以交换,是因为每个元素至多被其中一个循环移动,另一个循环不会改变它的轨道。

从 n 个元素中只选并排列 k 个,属于 k-排列,数量为 n!/(n−k)!;它对应位置集到候选集的单射,k<n 时并非候选集到自身的置换。

含重复符号的字符串重排也不同。暂把两个 a 标为 a1,a2,六个带标号排列中,a1a2b 与 a2a1b 擦去标号后都成为 aab;其他两种可见结果也各有两条记录。因此 aab 只有 3!/2!=3 种可见重排:aab,aba,baa。除法成立,是因为每个结果都恰有 2! 个带标号版本。

推论与应用

全体置换在函数复合下构成对称群,单位元是恒等置换,逆元将每个循环反向。其阶为阶乘;不含固定点的置换由错排计数。

循环结构说明一个群作用如何在有限位置间搬动对象,是 Burnside 与 Pólya 对称计数的基础。随机洗牌研究的是置换上的概率分布;能生成全部置换不等于生成得均匀。排序则可在互异元素的前提下,把输入编码成置换并通过消除逆序恢复规定次序。

一份排列还可保留不同统计:第一类Stirling数按循环个数分组,Eulerian数按相邻下降个数分组,Lehmer码则保存每位右侧较小元素的数量并可逐步恢复整个列表。比如 3142 的循环是 (1 3 4 2),只有一个循环;下降有两个,逆序有三个。这些数回答不同的问题。若要禁止某些 (i,π(i)),由车多项式处理位置兼容性,而非仅限制循环数。

参考资料
  • Oscar Levin, Discrete Mathematics: An Open Introduction, 3rd ed., 2019,§1.3,Example 1.3.2 将全排列与双射对应。
  • Mitchel T. Keller and William T. Trotter, Applied Combinatorics, 在线版,访问于 2026,§2.2,部分排列计数;§15.2.1–15.2.2,循环表示、复合顺序与不交换性。
关系图谱56 个相邻概念 · 3 类关系

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