将集合 $\{1,2,3,4,5,6,7,8\}$ 中的元素作全排列,使得除了最左端的一个数之外,对于其余的每个数 $n$,在 $n$ 的左边某个位置上总有一个数与 $n$ 之差的绝对值为 $1$,那么满足条件的排列个数为 .
【难度】
【出处】
2013年全国高中数学联赛江西省预赛
【标注】
【答案】
$128$
【解析】
设对于适合条件的某一排列,排在左边的第一个元素为 $k(1\leqslant k\leqslant 8)$.
下面证明在除 $k$ 以外的 $7$ 个数中,大于 $k$ 的 $8-k$ 个数 $k+1$,$k+2$,$\cdots$,$8$,必定按递增的顺序排列;而小于 $k$ 的 $k-1$ 个数 $1,2,\cdots,k-1$,必定按递降的顺序排列(位置不一定相邻).
事实上,对于任一个大于 $k$ 的数 $k+n$,设 $k+n<8$,如果 $k+n+1$ 排在 $k+n$ 的左边,则与 $k+n+1$ 相差 $1$ 的另一数 $k+n+2$ 就必须排在 $k+n+1$ 的左边;同样,与 $k+n+2$ 相差 $1$ 的另一数 $k+n+3$ 又必须排在 $k+n+2$ 的左边 $\cdots\cdots$,那么,该排列的第二个数不可能与 $k$ 相差 $1$,矛盾!因此 $k+n+1$ 必定排在 $k+n$ 的右边.
用类似的说法可得,小于 $k$ 的 $k-1$ 个数 $1,2,\cdots,k-1$,必定按递降的顺序排列.
由于当排在左边的第一个元素 $k$ 确定后,右边还有 $7$ 个空位,从中任选 $8-k$ 个位置填写大于 $k$ 的数(其余 $k-1$ 个位置则填写小于 $k$ 的数),选法种数为 ${\rm C}_7^{8-k}$;而当位置选定后,则填数方法随之唯一确定,因此所有排法种数为\[\sum\limits_{k=1}^{8}{\rm C}_{7}^{8-k}=\sum\limits_{k=0}^{7}{\rm C}_{7}^{k}=2^{7}.\]
下面证明在除 $k$ 以外的 $7$ 个数中,大于 $k$ 的 $8-k$ 个数 $k+1$,$k+2$,$\cdots$,$8$,必定按递增的顺序排列;而小于 $k$ 的 $k-1$ 个数 $1,2,\cdots,k-1$,必定按递降的顺序排列(位置不一定相邻).
事实上,对于任一个大于 $k$ 的数 $k+n$,设 $k+n<8$,如果 $k+n+1$ 排在 $k+n$ 的左边,则与 $k+n+1$ 相差 $1$ 的另一数 $k+n+2$ 就必须排在 $k+n+1$ 的左边;同样,与 $k+n+2$ 相差 $1$ 的另一数 $k+n+3$ 又必须排在 $k+n+2$ 的左边 $\cdots\cdots$,那么,该排列的第二个数不可能与 $k$ 相差 $1$,矛盾!因此 $k+n+1$ 必定排在 $k+n$ 的右边.
用类似的说法可得,小于 $k$ 的 $k-1$ 个数 $1,2,\cdots,k-1$,必定按递降的顺序排列.
由于当排在左边的第一个元素 $k$ 确定后,右边还有 $7$ 个空位,从中任选 $8-k$ 个位置填写大于 $k$ 的数(其余 $k-1$ 个位置则填写小于 $k$ 的数),选法种数为 ${\rm C}_7^{8-k}$;而当位置选定后,则填数方法随之唯一确定,因此所有排法种数为\[\sum\limits_{k=1}^{8}{\rm C}_{7}^{8-k}=\sum\limits_{k=0}^{7}{\rm C}_{7}^{k}=2^{7}.\]
题目
答案
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备注