・整理方法                            GAI 氏

 例えば、3冊のファイルが本棚にランダムに並んでいる時、適当なファイルを左端に移動
する方法を繰り返して、元の順番になるまでの最短の手順を考える。

 ABC :0回
 ACB->BAC->ABC :2回
 BAC->ABC :1回
 BCA->ABC :1回
 CAB->BCA->ABC :2回
 CBA->BCA->ABC :2回

 以上より、すべての順列では、0+2+1+1+2+2=8回の移動が対応し、任意の配列では、
8/3!=4/3回の手順で元の順番に戻せることが期待できる。

 では、5冊のファイルがランダムに並んでいるとした場合、上記の方法で元に順番に並ば
せるための手順はいくつになるでしょうか?また、10冊ではどうか?


 らすかるさんからのコメントです。(平成30年6月15日付け)

 5冊で、394/5!=197/60 、10冊で、30052699/10!=30052699/3628800 で合ってますか?

 合っていれば、式は、 n+1-[en!]/n! になると思います。


 GAI さんからのコメントです。(平成30年6月16日付け)

1:0
2:1
3:8
4:55
5:394
6:3083
7:26620
8:253279
9:2642390
10:30052699
11:370496488
12:4924959455
13:70251493714
14:1070699203195
15:17368162415924
・・・・・・・・・・・・

で、ピタリあっています。

 50個位までの期待枚数を出していたら、小数以下の数字が一致していき、何かしら数学
定数が関与していそうだとは思っていましたが、こんな一般式になるとは気づきませんでし
た。eは色んな現象の陰に隠れているものなのですね。


 らすかるさんからのコメントです。(平成30年6月16日付け)

 合っていたようなので計算を書きます。

 n冊のファイルの並べ方で、最終的に右端に来るべきk冊が、左→右の順(間に他のファ

イルが入ってよい)になっているのは、n!/k!通りなので、右端のちょうどk冊が左→右の順に

なっているのは、n!/k!-n!/(k+1)!通り

 右端のちょうどk冊が左→右の順になっているとき、

 最短の手順は、n-k回なので、最短の手順の合計は、

Σ[k=1〜n-1]{n!/k!-n!/(k+1)!}(n-k)
=(n!/1!-n!/2!)(n-1)
 +(n!/2!-n!/3!)(n-2)
 +(n!/3!-n!/4!)(n-3)
 +…
 +(n!/(n-1)!-n!/n!)(n-(n-1))
=(n!/1!)(n-1)-n!/2!-n!/3!-n!/4!-…-n!/(n-1)!-(n!/n!)(n-(n-1))
=(n!)(n+1)-n!/0!-n!/1!-n!/2!-n!/3!-n!/4!-…-n!/(n-1)!-n!/n!
=(n+1)!-n!Σ[k=0〜n]1/k!
=(n+1)!-n!{[en!]/n!}
=(n+1)!-[en!]

 よって、回数の期待値は、 {(n+1)!-[en!]}/n!=n+1-[en!]/n!



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