Cómo encontrar la cantidad de formas en que se puede hacer lo siguiente

Intentaré limpiar y arreglar un poco el argumento de Prashant Sharma. Como en su respuesta, dejaré que [matemática] f (n) [/ matemática] sea la función que denota la cantidad de formas en que la persona [matemática] n [/ matemática] puede sentarse en su propia silla si hay [matemáticas] n [/ matemáticas] total de personas.

Lo primero que debe hacer es averiguar cuál es la respuesta con anticipación, porque es mucho más fácil demostrar las cosas (y no convencerse de que ha “probado” algo que en realidad es falso) si ya sabe cuál es la respuesta. No estoy siendo gracioso aquí: a menudo, una buena manera de establecerse en un problema que no sabe cómo resolver de inmediato es ensuciarse las manos. Podría sugerir una clave para encontrar la respuesta general (por ejemplo, te das cuenta de que estás llevando a cabo una relación de recurrencia que sabes traducir a matemáticas y resolver); por lo menos, podrías elegir qué tipo de objeto deberías buscar o detectar cuando cometiste un error algebraico que te llevó por un camino claramente equivocado.

Estos son los casos para [matemáticas] n = 1 [/ matemáticas] a [matemáticas] 5 [/ matemáticas]:

1
1

2
12

3
123
213

4 4
1234
2134
3124
3214

5 5
12345
21345
31245
41235
41325
32145
42135
42315

Entonces, aparte de un pequeño inconveniente donde la función no cambia al pasar de [matemáticas] 1 [/ matemáticas] a [matemáticas] 2 [/ matemáticas], la respuesta parece ser [matemáticas] f (n) = 2 ^ {n – 2} [/ matemáticas]. Ahora que “sabemos” la respuesta, ¡vamos a probarla!

La primera persona ingresa y tiene dos opciones diferentes: sentarse en la silla [matemática] 1 [/ matemática], en cuyo caso todos se llenan de manera determinista, o tomar el asiento [matemática] [/ matemática], para algunos [matemática] i <n [/ matemáticas]; luego, los asientos [matemática] 2 [/ matemática] a [matemática] i – 1 [/ matemática] se llenan por las personas correctas, como dijo Prashant. Cuando la persona [matemática] i [/ matemática] ingresa, nuevamente tiene dos opciones: sentarse en la silla [matemática] 1 [/ matemática], en cuyo caso las otras sillas se llenan de manera determinista, o seleccionar otra silla, en la cual caso se lleva a cabo el proceso de selección aleatoria anterior. Dado que esta es exactamente la misma decisión que enfrenta la persona [matemáticas] 1 [/ matemáticas], reconocemos esto como [matemáticas] f (n – i + 1) [/ matemáticas], porque hay [matemáticas] n – i + 1 [/ math] sillas que quedan antes de que la [math] i [/ math] th persona elija (tal como quedaban [math] n [/ math] sillas antes de que la primera persona eligiera). Por lo tanto, la recurrencia correcta es

[matemáticas] f (n) = 1 + \ displaystyle {\ sum_ {i = 2} ^ {n – 1}} f (n – i + 1) = 1 + \ displaystyle {\ sum_ {j = 2} ^ { n – 1}} f (j) = [/ matemáticas] [matemáticas] \ displaystyle {\ sum_ {j = 1} ^ {n – 1}} f (j) [/ matemáticas]

Esto no se ve tan bien, hasta que te das cuenta de que

[matemáticas] f (n) = f (n – 1) + f (n – 2) +… + f (2) + f (1) [/ matemáticas]

[matemáticas] f (n – 1) = f (n – 2) +… + f (2) + f (1) [/ matemáticas]

y entonces

[matemáticas] f (n) – f (n – 1) = f (n – 1) [/ matemáticas]

[matemáticas] f (n) = 2f (n – 1), n> 2 [/ matemáticas]

Tenga en cuenta que usamos la expresión recursiva para [math] f (n – 1) [/ math] en nuestra derivación, que solo se define para [math] n – 1> 1 [/ math].

Es obvio (y no es tan difícil de mostrar rigurosamente) que la solución que queremos para esta recurrencia es de hecho

[matemáticas] f (n) = 2 ^ {n – 2}, n> 1 [/ matemáticas]

Pudimos reducir la restricción en [matemáticas] n [/ matemáticas] porque la fórmula da la respuesta correcta para [matemáticas] n = 2 [/ matemáticas], aunque todavía tenemos que decir explícitamente que [matemáticas] f (1) = 1 [/ math] (y no el absurdo [math] \ frac {1} {2} [/ math] que nos da la fórmula).

Por lo tanto, para responder a su pregunta original, hay [matemática] 2 ^ {98} [/ matemática] formas para que estas [matemática] 100 [/ matemática] se sienten como usted describió.

Sea [math] f (N) [/ math] el número total de formas en que esto podría hacerse y deje que [math] f (N / i) [/ math] denote el número total de arreglos en los que la primera persona ocupa el puesto numerado [ matemáticas] i [/ matemáticas].

Como señaló Prashant en su respuesta: si [matemática] 1 ^ {st} [/ matemática] la persona toma el asiento numerado [matemática] i [/ matemática], entonces todos desde [matemática] 2 [/ matemática] a [matemática] i-1 [/ math] obtienen su propio asiento. Cuando [math] i ^ {th} [/ math] persona entra, ve que su asiento ha sido ocupado y [math] i-1 [/ math] la gente ya está sentada. Por lo tanto, la pregunta ahora se reduce a la cantidad de formas en que las personas [matemáticas] N- (i-1) [/ matemáticas] pueden ocupar [matemáticas] N- (i-1) [/ matemáticas] asientos. Por lo tanto, podemos decir que [matemáticas] f (N / i) = f (N – i +1) [/ matemáticas] para [matemáticas] i> 1 [/ matemáticas].

El evento de que todos tomen asientos correspondientes a sus números puede suceder en [matemática] 1 [/ matemática]. Esto sucederá cuando [matemática] 1 ^ {st} [/ matemática] persona tome asiento numerada [matemática] 1 [/ matemática], entonces [matemática] 2 ^ {nd} [/ matemática] persona tome asiento numerada [matemática] 2 [/ matemáticas] y así sucesivamente. Así [matemáticas] f (N / 1) = 1 [/ matemáticas]

Por lo tanto,
[matemáticas] f (N) = 1 + \ sum \ limits_ {i = 2} ^ {N-1} f (N-i + 1) [/ matemáticas]

[matemáticas] f (N) = f (N / 1) + f (N / 2) +… + f (N / N-1) [/ matemáticas]

[matemáticas] f (N) = 1 + f (N-1) + f (N-2) +… + f (2) [/ matemáticas]

reemplazando [matemática] N [/ matemática] por [matemática] N ‘= N – 1 [/ matemática] en la ecuación anterior,

[matemáticas] f (N ‘) = 1 + f (N-2) + f (N-3) +… + f (2) [/ matemáticas]

Desde arriba,
[matemáticas] f (N) – f (N-1) = f (N-1) [/ matemáticas]
[matemáticas] f (N) = 2f (N-1) [/ matemáticas]

Además, gracias Ari por señalar que [matemáticas] f (2) = 1 [/ matemáticas]. (Ver comentario)

Entonces,

[matemáticas] f (3) = 2f (2) = 2 [/ matemáticas]

[matemáticas] f (4) = 2f (3) = 2 ^ 2 [/ matemáticas]

[matemáticas] f (5) = 2f (4) = 2 ^ 3 [/ matemáticas]
.
.
.
[matemáticas] f (N) = 2f (N-1) = 2 ^ {N-2} [/ matemáticas]

Dado que el asiento número 100 debe dejarse para la persona número 100, ambos son irrelevantes; Podemos centrarnos solo en las primeras 99 personas y 99 asientos.

Tenga en cuenta que el segundo asiento debe estar ocupado por una de las primeras 2 personas. El tercer asiento debe estar ocupado por una de las primeras 3 personas. Etc., a través del asiento número 99 ocupado por una de las primeras 99 personas. No hay más condiciones.

Por lo tanto, si consideramos la biyección [matemáticas] f: \ {1, …, 99 \} \ rightarrow \ {1, …, 99 \} [/ matemáticas] que envía cada número de asiento al número de su ocupante, nuestra regla es que [math] f (n) \ leq n [/ math] en todos los casos, excepto posiblemente cuando [math] n = 1 [/ math].

Tenga en cuenta que si tomamos cualquier número en el rango relevante y le aplicamos [math] f [/ math], y luego aplicamos [math] f [/ math] a eso, y así sucesivamente, eventualmente formaremos un ciclo al regresar a donde comenzamos (ya que [math] f [/ math] es una permutación de un conjunto finito). Por lo tanto, la acción de [math] f [/ math] puede darse dividiendo [math] \ {1, …, 99 \} [/ math] en varios de estos ciclos.

Dado que un ciclo no puede descender sin también subir en algún momento, nuestra condición de orden nos dice que cada número que no se deja solo por [math] f [/ math] es parte del ciclo que contiene [math] 1 [/matemáticas]. Y especificar este ciclo equivale simplemente a especificar qué elementos contiene además de [math] 1 [/ math] (ya que [math] f (1) [/ math] será el elemento más grande en este ciclo, y una mayor aplicación de [math] ] f [/ math] simplemente marchará en orden hacia abajo a través de esos elementos hasta llegar a [math] 1 [/ math] nuevamente).

Por lo tanto, el número de formas buscadas es equivalente al número de subconjuntos de [matemáticas] \ {2, …, 99 \} [/ matemáticas], que es [matemáticas] 2 ^ {98} [/ matemáticas].

A2A.

Deje f (n) ser el no. de maneras en que la última persona obtiene el asiento correcto cuando n personas entran en orden.
Ahora, considere la primera persona en ingresar. Digamos que ocupa el asiento i. Luego, todas las personas de 2 a (i-1) obtienen sus propios asientos. La persona i ahora encuentra su asiento correcto ocupado, por lo que al azar ocupa otro asiento de los asientos restantes (n-i + 1). Con probabilidad 1 / (n-i + 1), él ocupa el asiento 1. Si eso sucede, entonces la última persona obtiene su asiento con probabilidad 1. Con probabilidad (ni) / (n-i + 1), él ocupa algún otro asiento, decir asiento j. Así que ahora es equivalente al caso cuando solo había (n-i + 1) personas, y la primera persona ocupaba el asiento j.

Entonces, podemos escribir la recurrencia como
f (n) = [matemáticas] \ sum_ {i = 1} ^ {n} (\ frac {1} {n-i + 1} + \ frac {ni} {n-i + 1} f (n-i +1)) [/ matemáticas]
El caso base es, por supuesto, f (1) = 1.

Existe la posibilidad de que el enfoque anterior tenga un defecto, que no puedo ver. Necesitaré algo más de tiempo para verificar su corrección de manera más formal.