3389:
4704:
2723:
3384:{\displaystyle {\begin{aligned}|S_{1}\cup \dotsm \cup S_{n}|&=\sum _{i}\left|S_{i}\right|-\sum _{i<j}\left|S_{i}\cap S_{j}\right|+\sum _{i<j<k}\left|S_{i}\cap S_{j}\cap S_{k}\right|+\cdots +(-1)^{n+1}\left|S_{1}\cap \dotsm \cap S_{n}\right|\\&={n \choose 1}(n-1)!-{n \choose 2}(n-2)!+{n \choose 3}(n-3)!-\cdots +(-1)^{n+1}{n \choose n}0!\\&=\sum _{i=1}^{n}(-1)^{i+1}{n \choose i}(n-i)!\\&=n!\ \sum _{i=1}^{n}{(-1)^{i+1} \over i!},\end{aligned}}}
38:
956:
963:
Suppose that a professor gave a test to 4 students – A, B, C, and D – and wants to let them grade each other's tests. Of course, no student should grade their own test. How many ways could the professor hand the tests back to the students for grading, such that no student received their own test
3966:
4177:
2538:
2280:
3533:
4655:
4902:
2003:
3817:
2397:
2176:
4018:
2404:
3781:
3708:
1881:
4777:
3610:
2728:
1571:
2180:
3398:
2095:
1152:
there are only 9 derangements (shown in blue italics above). In every other permutation of this 4-member set, at least one student gets their own test back (shown in bold red).
4524:
188:
3812:
2581:
4937:
4786:
2714:
2285:
2032:
4285:
2107:
1907:
1597:
2675:
4224:
2608:
2063:
1659:
1630:
150:
125:
4244:
4197:
2632:
100:
4320:
opposite-sex couples are seated man-woman-man-woman-... around a table, how many ways can they be seated so that nobody is seated next to his or her partner?
1918:
1679:
940:
5305:
A surprising result of Anna Lubiw asserts that the following problem is NP-complete: Does a given permutation group have a fixed-point-free element?
3972:
that a randomly selected permutation of a large number of objects is a derangement. The probability converges to this limit extremely quickly as
3713:
3627:
5138:
3961:{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{!n \over n!}=\lim _{n\to \infty }\sum _{i=0}^{n}{\frac {(-1)^{i}}{i!}}=e^{-1}\approx 0.367879\ldots .}
5372:
2717:
5019:
4995:
4172:{\displaystyle !n={\frac {n!}{e}}+\sum _{k=1}^{m}\left(-1\right)^{n+k-1}{\frac {B_{k}}{n^{k}}}+O\left({\frac {1}{n^{m+1}}}\right),}
5187:
Hassani, M. "Derangements and
Alternating Sum of Permutations by Integration." J. Integer Seq. 23, Article 20.7.8, 1–9, 2020
2533:{\displaystyle !n={\begin{cases}1&{\text{if }}n=0,\\n\cdot \left(!(n-1)\right)+(-1)^{n}&{\text{if }}n>0.\end{cases}}}
1800:
3612:
since we can choose n - i elements to be in their own place and derange the other i elements in just !i ways, by definition.
4703:
4709:
3996:
3540:
5042:
5198:
1483:
5377:
936:
2072:
5256:
4940:
869:
834:
833:
in which no element appears in its original position. In other words, a derangement is a permutation that has no
2066:
4976:
5367:
2275:{\displaystyle !n=\left\lfloor \left(e+e^{-1}\right)n!\right\rfloor -\lfloor en!\rfloor ,\quad n\geq 2,}
3528:{\displaystyle !n=n!-\left|S_{1}\cup \dotsm \cup S_{n}\right|=n!\sum _{i=0}^{n}{\frac {(-1)^{i}}{i!}}.}
5338:
156:
5287:
5210:
5051:
5037:
4693:
3786:
965:
944:
2422:
4518:
2554:
4907:
5226:
5126:
5103:
4985:
4296:
5283:
3995:
More information about this calculation and the above limit may be found in the article on the
3992:
graph shows that the derangement graph lags the permutation graph by an almost constant value.
2680:
5346:
5326:
5155:
5134:
5015:
4991:
4956:
4312:
2008:
929:
830:
4310:
Derangements are an example of the wider field of constrained permutations. For example, the
4257:
1886:
1576:
5265:
5218:
5095:
2645:
1469:
This gives us the solution to the hat-check problem: stated algebraically, the number !
5300:
5277:
4202:
2586:
2040:
5296:
5273:
1635:
1606:
4650:{\displaystyle \int _{0}^{\infty }P_{n_{1}}(x)P_{n_{2}}(x)\cdots P_{n_{r}}(x)e^{-x}\,dx,}
4455:
or not, for the only way to form an anagram without fixed letters is to exchange all the
27:
Permutation of the elements of a set in which no element appears in its original position
5214:
5055:
132:
107:
4981:
4959:(described by a given set of permutations that generate it) contains any derangements.
4251:
4229:
4182:
2617:
2098:
1163:
pre-addressed envelopes so that no letter appears in the correctly addressed envelope.
85:
5361:
5230:
815:
4897:{\displaystyle !n={\frac {\Gamma (n+1,-1)}{e}}=\int _{0}^{\infty }(x-1)^{n}e^{-x}dx}
4012:
4008:
5158:
1998:{\displaystyle !n=\left=\left\lfloor {\frac {n!}{e}}+{\frac {1}{2}}\right\rfloor }
2392:{\displaystyle !n=n!-\sum _{i=1}^{n}{n \choose i}\cdot {!(n-i)},\quad \ n\geq 1.}
5350:
4952:
4247:
3969:
2171:{\displaystyle !n=\left\lfloor {\frac {n!+1}{e}}\right\rfloor ,\quad \ n\geq 1,}
826:
818:
5178:
M. T. L. Bizley, A Note on derangements, Math. Gaz., 51 (May 1967) pp. 118-120.
1218: − 1 hats that is not their own. Call the hat which the person
5251:
5222:
4340:
5322:
5163:
2547:
One may derive a non-recursive formula for the number of derangements of an
917:
31:
17:
1263:, or some other. Accordingly, the problem splits into two possible cases:
955:
3989:
1664:
The number of derangements of small lengths is given in the table below.
1155:
Another version of the problem arises when we ask for the number of ways
5107:
5269:
5099:
37:
5254:(1981), "Some NP-complete problems similar to graph isomorphism",
4702:
4697:
4434:
How many anagrams with no fixed letters of a given word are there?
954:
4447:
letters B, the answer is, of course, 1 or 0 according to whether
4439:
For instance, for a word made of only two different letters, say
3391:
and since a derangement is a permutation that leaves none of the
1466:
may all receive hats is the sum of the counts for the two cases.
1159:
letters, each addressed to a different person, can be placed in
5203:
Mathematical
Proceedings of the Cambridge Philosophical Society
1437:'s hat, effectively putting both out of further consideration.
1303: − 1 hats that they may not receive (for any
935:
The problem of counting derangements was first considered by
5286:(1995), "Automorphism groups, isomorphism, reconstruction",
4783:
In particular, for the classical derangements, one has that
872:). Notations for subfactorials in common use include !
5074:
Seconde
Edition, Revue & augmentée de plusieurs Lettres
3776:{\displaystyle e^{x}=\sum _{i=0}^{\infty }{x^{i} \over i!}}
2526:
1674:
4350:, we often wish to know the number of pairs of functions (
3703:{\displaystyle !n=n!\sum _{i=0}^{n}{\frac {(-1)^{i}}{i!}}}
1876:{\displaystyle !n=n!\sum _{i=0}^{n}{\frac {(-1)^{i}}{i!}}}
959:
The 9 derangements (from 24 permutations) are highlighted.
5133:(2 ed.). Cambridge University Press. Example 2.2.1.
1794:, equivalent to the formula given above. These include
4987:
3790:
2683:
1280:. This case is equivalent to solving the problem with
4910:
4789:
4712:
4527:
4260:
4232:
4205:
4185:
4021:
3820:
3789:
3716:
3630:
3543:
3401:
2726:
2648:
2620:
2589:
2557:
2407:
2288:
2183:
2110:
2075:
2043:
2011:
1921:
1889:
1803:
1638:
1609:
1579:
1486:
1175:, in which one considers the number of ways in which
159:
135:
110:
88:
4772:{\displaystyle \int _{0}^{\infty }(t-1)^{z}e^{-t}dt}
41:
Number of possible permutations and derangements of
5086:Scoville, Richard (1966). "The Hat-Check Problem".
5010:Ronald L. Graham, Donald E. Knuth, Oren Patashnik,
3605:{\displaystyle n!=\sum _{i=0}^{n}{\binom {n}{i}}!i}
4931:
4896:
4771:
4649:
4279:
4238:
4218:
4191:
4171:
3960:
3806:
3775:
3702:
3604:
3527:
3383:
2708:
2669:
2626:
2602:
2575:
2532:
2391:
2274:
2170:
2089:
2057:
2026:
1997:
1901:
1875:
1653:
1624:
1591:
1565:
1354:, where the derangement is more explicit: for any
1299:there is exactly one hat from among the remaining
1288: − 1 hats because for each of the
182:
144:
119:
94:
4429:Another generalization is the following problem:
3590:
3577:
3271:
3258:
3187:
3174:
3113:
3100:
3070:
3057:
3027:
3014:
2344:
2331:
1566:{\displaystyle !n=(n-1)\cdot ({!(n-1)}+{!(n-2)})}
4683:= 2 gives an orthogonality relation, whence the
3861:
3822:
2634:-th object. Any intersection of a collection of
1211:) such that no hat makes it back to its owner.
1790:There are various other expressions for !
1171:Counting derangements of a set amounts to the
65:subfactorial) is the number of derangements –
5031:
5029:
5027:
4003:Asymptotic expansion in terms of Bell numbers
2700:
2687:
128:
103:
8:
5337:Bogart, Kenneth P.; Doyle, Peter G. (1985).
2253:
2241:
2090:{\displaystyle \left\lfloor x\right\rfloor }
840:The number of derangements of a set of size
794:265,252,859,812,191,058,636,308,480,000,000
5339:"Non-sexist solution of the ménage problem"
5295:, Amsterdam: Elsevier, pp. 1447–1540,
2543:Derivation by inclusion–exclusion principle
800:97,581,073,836,835,777,732,377,428,235,481
4517:, it turns out (after a proper use of the
4007:An asymptotic expansion for the number of
780:3,252,702,461,227,859,257,745,914,274,516
774:8,841,761,993,739,701,954,543,616,000,000
74:
4909:
4879:
4869:
4847:
4842:
4799:
4788:
4754:
4744:
4722:
4717:
4711:
4637:
4628:
4607:
4602:
4578:
4573:
4552:
4547:
4537:
4532:
4526:
4265:
4259:
4231:
4210:
4204:
4184:
4148:
4139:
4121:
4111:
4105:
4087:
4064:
4053:
4031:
4020:
3937:
3913:
3897:
3891:
3880:
3864:
3837:
3825:
3819:
3788:
3757:
3751:
3745:
3734:
3721:
3715:
3683:
3667:
3661:
3650:
3629:
3589:
3576:
3574:
3568:
3557:
3542:
3505:
3489:
3483:
3472:
3448:
3429:
3400:
3351:
3335:
3329:
3318:
3270:
3257:
3255:
3243:
3224:
3213:
3186:
3173:
3171:
3159:
3112:
3099:
3097:
3069:
3056:
3054:
3026:
3013:
3011:
2990:
2971:
2950:
2917:
2904:
2891:
2864:
2846:
2833:
2812:
2795:
2781:
2765:
2759:
2740:
2731:
2727:
2725:
2699:
2686:
2684:
2682:
2647:
2619:
2594:
2588:
2556:
2509:
2501:
2430:
2417:
2406:
2353:
2343:
2330:
2328:
2322:
2311:
2287:
2213:
2182:
2124:
2109:
2074:
2042:
2010:
1980:
1962:
1935:
1920:
1888:
1856:
1840:
1834:
1823:
1802:
1637:
1608:
1578:
1540:
1517:
1485:
160:
158:
134:
109:
87:
4975:The name "subfactorial" originates with
4471:. In the general case, for a word with
4250:. Moreover, the constant implied by the
2638:of these sets fixes a particular set of
1666:
1338:). Another way to see this is to rename
943:. in 1708; he solved it in 1713, as did
760:112,162,153,835,443,422,680,893,595,673
754:304,888,344,611,713,860,501,504,000,000
36:
5199:"Derangements and Laguerre polynomials"
4968:
4406:, there exists a derangement φ of
734:10,888,869,450,418,352,160,768,000,000
5070:Essay d'analyse sur les jeux de hazard
4657:for a certain sequence of polynomials
4521:formula) that the answer has the form
1396:. In this case the problem reduces to
941:Essay d'analyse sur les jeux de hazard
740:4,005,791,208,408,693,667,174,771,274
73:elements change their initial places.
5121:
5119:
5117:
4679:. But the above answer for the case
4299:asks how many permutations of a size-
2401:The following recurrence also holds:
1452:may receive, the number of ways that
30:For the psychological condition, see
7:
5289:Handbook of combinatorics, Vol. 1, 2
5014:(1994), Addison–Wesley, Reading MA.
3616:Growth of number of derangements as
1292: − 1 people besides
720:148,362,637,348,470,135,821,287,825
714:403,291,461,126,605,635,584,000,000
5353:. MathWorld–A Wolfram Web Resource.
5131:Enumerative Combinatorics, volume 1
4463:, which is possible if and only if
4199:is any fixed positive integer, and
1404: − 2 hats, because
1214:Each person may receive any of the
694:15,511,210,043,330,985,984,000,000
4911:
4848:
4802:
4723:
4538:
4398:); in other words, where for each
3871:
3832:
3746:
3581:
3262:
3178:
3104:
3061:
3018:
2691:
2335:
700:5,706,255,282,633,466,762,357,224
25:
3997:statistics of random permutations
2610:to be the set of permutations of
1668:The number of derangements of an
968:(4!) for handing back the tests,
4700:a sign that is easily decided).
1400: − 2 people and
1284: − 1 people and
680:228,250,211,305,338,670,494,289
674:620,448,401,733,239,439,360,000
183:{\displaystyle {\frac {!n}{n!}}}
5038:"Derangements and Applications"
4941:upper incomplete gamma function
3807:{\displaystyle \textstyle x=-1}
2642:objects and therefore contains
2376:
2259:
2152:
2104:Other related formulas include
1445: − 1 hats that
900:> 0, the subfactorial !
654:25,852,016,738,884,976,640,000
69:-permutations where all of the
5076:. Paris: Jacque Quillau. 1713.
4926:
4914:
4866:
4853:
4826:
4805:
4741:
4728:
4621:
4615:
4592:
4586:
4566:
4560:
3976:increases, which is why !
3910:
3900:
3868:
3829:
3680:
3670:
3502:
3492:
3348:
3338:
3289:
3277:
3240:
3230:
3156:
3146:
3131:
3119:
3088:
3076:
3045:
3033:
2947:
2937:
2766:
2732:
2661:
2649:
2498:
2488:
2477:
2465:
2369:
2357:
1853:
1843:
1560:
1556:
1544:
1533:
1521:
1514:
1508:
1496:
904:equals the nearest integer to
660:9,510,425,471,055,777,937,262
634:1,124,000,727,777,607,680,000
1:
5088:American Mathematical Monthly
4955:to determine whether a given
3814:one immediately obtains that
2718:inclusion–exclusion principle
2576:{\displaystyle 1\leq k\leq n}
5197:Even, S.; J. Gillis (1976).
5043:Journal of Integer Sequences
4990:, Cosimo, Inc., p. 77,
4932:{\displaystyle \Gamma (s,x)}
3395:objects fixed, this implies
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937:Pierre Raymond de Montmort
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5257:SIAM Journal on Computing
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5072:. Paris: Jacque Quillau.
3968:This is the limit of the
2716:such collections, so the
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