什麼是項鍊排列?
項鍊排列(也稱為手環排列,在日文中又稱「念珠(juzu)排列」)計算的是:把 \(n\) 個相異物件排在一個封閉環上,總共有多少種相異的排法。其中只要兩種排法能透過旋轉環,或將環翻面(鏡射)而彼此重合,就視為同一種。它比圓形排列更進一步:圓形排列只消除旋轉對稱性,而項鍊排列還會一併消除鏡射對稱性。
如何使用本計算機
輸入相異物件的數量 n(非負整數),計算機就會回傳相異項鍊排列的數量。為方便對照,它同時也會顯示直線排列數(\(n!\))與圓形排列數(\((n-1)!\))。由於階乘的成長速度極快,本計算機採用精確的任意精度整數運算,因此即使 \(n\) 很大,結果仍能完整且精確地呈現。
公式說明
\(n\) 個物件的直線排列共有 \(n!\) 種順序。將環上某一個物件固定,以消除 \(n\) 種等價的旋轉,就剩下 \((n-1)!\) 種圓形排列。項鍊排列又進一步把順時針圖樣與其逆時針的鏡像視為相同,因此再除以 2:
當 \(n \ge 3\) 時,
$$P = \frac{(n - 1)!}{2}$$當 \(n = 0\)、\(1\)、\(2\) 時,這個簡單公式會得到非整數或低估的結果,因此依慣例這幾種情況的答案皆為 1:恰好存在一個(或空的)相異環。
實例演算
當 \(n = 5\):
$$\frac{(5 - 1)!}{2} = \frac{4!}{2} = \frac{24}{2} = 12$$種相異項鍊。當 \(n = 6\):\(\frac{5!}{2} = \frac{120}{2} = 60\)。當 \(n = 4\):\(\frac{3!}{2} = 3\)。
常見問題
它和圓形排列有什麼不同? 圓形排列為 \((n-1)!\),會把旋轉視為相同,但鏡像仍視為不同。項鍊排列則在此基礎上再除以 2,因為翻面(鏡射)也被視為相同。
為什麼 \(n = 2\) 時答案是 1? 只有兩個物件時,可能的環只有一種;無論旋轉或翻面,都只是交換這兩個位置,所有排法都會重合。公式 \((2-1)!/2 = 1/2\) 在此並不成立,這也是為何要採用特例處理。
這個公式是否假設所有物件都不同? 是的。本計算機假設 \(n\) 個物件彼此相異。若有部分物件相同,則排列數會更少,並需採用不同的方法(Burnside/Pólya 計數定理)來處理。