全错位排列数公式的推导与化简
提出问题装错信封问题:一个人写了n封不同的信及相应的n个不同的信封,若他把这n封信都装错了信封,那么装错信封的装法共有多少种?这是被著名数学家欧拉称为“组合数论的一个妙题”把n个编号元素放在n个编号位置,元素编号与位置编号各不对应的排列方法称为错位排列法将编号分别为1,2,3,,n的n个不同元素a1,a2,a3 an,安排在这n个位置作全排列,若某个排列中每个元素都错位,则把这个全排列称为这n个不同元素的一个全错位排列.n个不同元素所有的全错位排列的个数称为全错位排列数,记为Dn,易得D1=0,D2=1,D3=2. 递推关系式对于n=4,D4推导如下:按分步乘法计数原理考虑,第一步,先安排好第一个位置,有C13=3种排法.1234a3a1第二步,当安排好第一个位置后,假设安排的是a3,此时应考虑a1的位置,包括两种情况.若a1安排在第三个位置,则a2和a4排法是D2=1;若a1不安排在第三个位置,而a2不排在第二个位置,a4不排在第4个位置,对应的排法是D3=2.因此,当第一个位置安排的是a3时,对应的排法共有D2+D3=3,而第一个位置安排的各种情况地位相当,所以D4=C13(D2+D3)=9.对于Dn,推导如下:按分步乘法计数原理考虑,第一步,先安排好第一个位置,有C1n-1=n-1种排法.12,m,nama1第二步,当安排好第一个位置后,假设安排的是am,此时应考虑a1所放的位置,包括两种情况. 全错位排列数公式利用递推关系式Dn-nDn-1=(-1)n,各项同除以n!,得Dnn!-Dn-1(n-1)!=(-1)nn!,构造数列bn=Dnn!,并利用数列恒等式bn=b1+(b2-b1)+(b3-b2)+,+(bn-bn-1)有Dnn!=01!+(-1)22!+(-1)33!+,+(-1)n!,所以Dn=n![12!-13!+,+(-1)n1n!].下面根据Dn=nDn-1+(-1)n利用分步迭代法推导Dn.D2=2D1+(-1)2,D3=3D2+(-1)3=3 \times 2D1+3(-1)2+(-1)3.由于D1=0,则D4=4D3+(-1)4=4 \times 3(-1)2+4( 化简公式由于e-1=1-11!+12!-13!+,+(-1)n1n!+,e=2.71828.即e-1=pn+(-1)n+11(n+1)!+(-1)n+21(n+2)!+,余项为Rn=(-1)n+11(n+1)!+(-1)n+21(n+2)!+,=(-1)n+11(n+1)!(1-1n+2)+,那么该余项取值范围如何呢?由泰勒中值定理可知,在含有x0的某个开区间(a,b)内,函数f(x)可表示为(x-x0)的一个n次多项式pn(x)与一个余项Rn(x)之和,此和是关于(x-x0)的幂级数即泰勒级数,其中pn(x)=f(x0)f'(x0)(x-x0)+f''(x0)2!(x-x0)2+,+f(n)(x0)n!