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과학

완전순열

완전순열과학
영어
Derangement
조건
원래 위치에 남는 원소가 없음
개수의 표기
Dₙ 또는 !n
초기값
D₀=1, D₁=0
완전순열은 서로 다른 원소들을 재배열하되 어느 원소도 원래 위치에 남지 않는 순열이다. 고정점이 없는 순열이라고도 한다. n개 원소의 완전순열 개수는 보통 Dₙ 또는 !n으로 나타내며, 모든 순열의 수인 n!과 구별한다.

하나도 제자리에 없기

원소가 세 개일 때 배열 abc를 bca나 cab로 바꾸면 어느 원소도 원래 위치에 남지 않는다. 반면 bac는 c가 제자리에 있으므로 완전순열이 아니다. 따라서 완전순열은 순서가 조금이라도 달라진 순열 전부를 뜻하지 않는다.

작은 개수와 빈 경우

원소가 하나면 제자리를 피할 수 없으므로 D₁=0이다. 두 원소는 서로 바꾸는 한 가지가 있고 세 원소는 두 가지가 있다. 아무 원소도 없는 경우는 조건을 어기는 원소도 없으므로 D₀=1로 두며, 이는 점화식과 포함배제 계산의 초기 조건이 된다.

포함배제로 세기

전체 n!개의 순열에서 적어도 한 원소가 제자리에 있는 경우를 제외한다. 여러 원소가 동시에 제자리에 있는 경우의 중복을 보정하면 Dₙ=n!Σ(−1)ᵏ/k!를 얻으며 합의 범위는 k=0부터 n까지다. n≥2에서는 Dₙ=(n−1)(Dₙ₋₁+Dₙ₋₂)라는 점화식으로도 계산할 수 있다.

확률로 해석하기

모든 n!개 순열을 같은 확률로 선택할 때 완전순열일 확률은 Dₙ/n!이다. n이 커지면 이 값은 1/e에 가까워지지만 작은 n에서 정확히 1/e인 것은 아니다. 서로 구분하지 않는 동일한 물건이 포함되거나 특정 위치의 금지 조건이 추가되면 다른 세기 문제가 된다.

관련 문서

순열 / 고정점 / 포함배제 원리 / 팩토리얼 / 점화식 / 제1종 스털링 수