当 n=______时,排列 135ldots(2n-1)246ldots(2n) 为奇排列。
当 $n=$______时,排列 $135\ldots(2n-1)246\ldots(2n)$ 为奇排列。
题目解答
答案
要判断一个排列是奇排列还是偶排列,我们需要计算它的逆序数。如果逆序数是奇数,则为奇排列;如果是偶数,则为偶排列。
给定的排列为:$1, 3, 5, \dots, (2n-1), 2, 4, 6, \dots, (2n)$。
这个排列由两部分组成:前半部分是所有的奇数,按从小到大排列;后半部分是所有的偶数,按从小到大排列。
我们需要计算这个排列的总逆序数 $\tau$。
逆序数是指排列中满足 $i < j$ 且 $a_i > a_j$ 的数对 $(a_i, a_j)$ 的个数。
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前半部分(奇数部分): $1, 3, 5, \dots, (2n-1)$
这部分是严格递增的,因此奇数与奇数之间不存在逆序。 -
后半部分(偶数部分): $2, 4, 6, \dots, (2n)$
这部分也是严格递增的,因此偶数与偶数之间不存在逆序。 -
奇数与偶数之间: 我们需要计算前面的奇数与后面的偶数构成的逆序数。
对于排列中的每一个奇数 $2k-1$ (其中 $k = 1, 2, \dots, n$),我们需要看它后面有多少个偶数比它小。
后面的偶数序列是 $2, 4, 6, \dots, 2n$。
比 $2k-1$ 小的偶数有 $2, 4, 6, \dots, 2k-2$。
这些偶数的个数为 $k-1$ 个。因此,奇数 $2k-1$ 贡献的逆序数为 $k-1$。
现在,我们将所有奇数贡献的逆序数相加,得到总逆序数 $\tau$:
$\tau = \sum_{k=1}^{n} (k-1) = (1-1) + (2-1) + (3-1) + \dots + (n-1)$
$\tau = 0 + 1 + 2 + \dots + (n-1)$
这是一个等差数列求和,其结果为:
$\tau = \frac{(n-1)n}{2}$
题目要求该排列为奇排列,这意味着总逆序数 $\tau$ 必须是一个奇数。
所以,我们需要 $\frac{n(n-1)}{2}$ 为奇数。
我们来分析 $n$ 取不同值时的情况:
- 当 $n = 4m$ ($m$ 为整数)时,$\tau = \frac{4m(4m-1)}{2} = 2m(4m-1)$。因为含有因子 2,所以 $\tau$ 是偶数。
- 当 $n = 4m + 1$ 时,$\tau = \frac{(4m+1)(4m)}{2} = 2m(4m+1)$。因为含有因子 2,所以 $\tau$ 是偶数。
- 当 $n = 4m + 2$ 时,$\tau = \frac{(4m+2)(4m+1)}{2} = (2m+1)(4m+1)$。两个奇数相乘,结果为奇数。
- 当 $n = 4m + 3$ 时,$\tau = \frac{(4m+3)(4m+2)}{2} = (4m+3)(2m+1)$。两个奇数相乘,结果为奇数。
综上所述,当 $n = 4m + 2$ 或 $n = 4m + 3$ ($m$ 为非负整数)时,排列为奇排列。
通常这类题目填写一个满足条件的通式或具体形式。
答案:$4k+2$ 或 $4k+3$ (其中 $k$ 为非负整数,即 $n \equiv 2 \pmod 4$ 或 $n \equiv 3 \pmod 4$)。
解析
本题考查排列的逆序数以及奇排列的判定。解题的关键思路是先计算出给定排列的逆序数,再根据奇排列逆序数为奇数的性质,确定$n$的取值。
- 计算排列的逆序数:
- 给定排列$1, 3, 5, \dots, (2n - 1), 2, 4, 6, \dots, (2n)$,它由两部分组成,前半部分是奇数按从小到大排列,后半部分是偶数按从小到大排列。
- 由于前半部分奇数之间是严格递增的,后半部分偶数之间也是严格递增的,所以奇数与奇数之间、偶数与偶数之间不存在逆序。
- 对于前半部分的每个奇数$2k - 1$($k = 1, 2, \dots, n$),后半部分比它小的偶数有$2, 4, 6, \dots, 2k - 2$,共$k - 1$个。
- 那么总逆序数$\tau$就是所有奇数贡献的逆序数之和,即$\tau=\sum_{k = 1}^{n}(k - 1)$。
- 展开这个求和式:$\tau=(1 - 1)+(2 - 1)+(3 - 1)+\cdots+(n - 1)=0 + 1 + 2 + \cdots+(n - 1)$。
- 根据等差数列求和公式$S_n=\frac{n(a_1 + a_n)}{2}$(其中$n$为项数,$a_1$为首项,$a_n$为末项),这里$a_1 = 0$,$a_n = n - 1$,项数为$n$,所以$\tau=\frac{(n - 1)n}{2}$。
- 根据奇排列的性质确定$n$的取值:
- 因为奇排列的逆序数为奇数,所以$\frac{n(n - 1)}{2}$必须是奇数。
- 下面分情况讨论$n$的取值:
- 当$n = 4m$($m$为整数)时,$\tau=\frac{4m(4m - 1)}{2}=2m(4m - 1)$,由于含有因子$2$,所以$\tau$是偶数。
- 当$n = 4m + 1$时,$\tau=\frac{(4m + 1)(4m)}{2}=2m(4m + 1)$,因为含有因子$2$,所以$\tau$是偶数。
- 当$n = 4m + 2$时,$\tau=\frac{(4m + 2)(4m + 1)}{2}=(2m + 1)(4m + 1)$,两个奇数相乘,结果为奇数。
- 当$n = 4m + 3$时,$\tau=\frac{(4m + 3)(4m + 2)}{2}=(4m + 3)(2m + 1)$,两个奇数相乘,结果为奇数。