这是一个经典的组合数学问题,可以通过分析圆排列中数字的“单峰”性质和极值变化来解决。以下是详细的解题步骤:
1. 分析相邻年龄差的最小值首先,我们考虑9个数字(1到9)在圆桌上排列时,相邻两数差的绝对值之和的最小值是多少。在一个圆周上,从最小数 1 到最大数 9,再从 9 回到 1,无论路径如何,所有“上升”段的高度总和至少是 $9-1=8$,所有“下降”段的高度总和也至少是 $9-1=8$。因此,对于任意排列,这个总和的最小值 $S_{min}$ 为:$$S_{min} = 2 \times (9 - 1) = 16$$这种情况(和为16)发生在数字先递增排列再递减排列的时候(即单峰排列)。例如:$1, 2, 4, 6, 8, 9, 7, 5, 3$(围成圈)。
2. 分析目标值与最小值的差异题目要求年龄差的总和为 18。$$18 - 16 = 2$$这说明我们需要在最小值的排列基础上增加 2。在圆排列的差值计算中,要使总和增加2,意味着我们需要在这个单调上升或单调下降的过程中,制造且仅制造一个局部的“反转”(即一个局部的峰值和一个局部的谷值),且这个局部峰值与谷值的差必须为1。换句话说,我们需要交换单调序列中数值相邻的两个数 $(k, k+1)$ 的位置,使得它们形成一个新的波折。举例:原序列片段(单调):$\dots, 3, 4, 5, \dots$ (差值贡献:$|3-4| + |4-5| = 2$)交换 $3, 4$ 后(反转):$\dots, 4, 3, 5, \dots$ (差值贡献:$|4-3| + |3-5| = 1 + 2 = 3$)。这只增加了1,不够。正确的反转模式:我们需要交换的 $k$和$k+1$ 必须“夹”在比它们大和比它们小的数之间,从而产生 $+2$ 的效果。具体来说,如果原链是 $x, k, k+1, y$(其中 $x < k < k+1 < y$),差值和为 $y-x$。交换后变为 $x, k+1, k, y$,差值和为 $|x-(k+1)| + |(k+1)-k| + |k-y| = (k+1-x) + 1 + (y-k) = y-x+2$。这就满足了总和增加2的要求。
3. 确定可交换的数对为了能进行上述交换,这对相邻的数 $(k, k+1)$ 不能包含全局最小值 1 或全局最大值 9。如果 $k=1$,交换 $1,2$ 会改变全局谷值的结构,通常只增加1或改变谷底位置,不符合简单的 $+2$ 模型。如果 $k+1=9$,交换 $8,9$ 同理。因此,可以作为“反转对”的 $(k, k+1)$ 必须选自中间的数字 $\{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8\}$。具体的数对 $(k, k+1)$ 可以是:$(2, 3)$$(3, 4)$$(4, 5)$$(5, 6)$$(6, 7)$$(7, 8)$共有 6 种可能的数对。
4. 计算排列组合数要构造一个满足条件的座位方案,我们需要完成以下三个步骤的决策:选择反转对:从上述6种可能的数对中选择一对。方法数:$C(6, 1) = 6$ 种。确定反转对的位置:在以1为起点的圆环上,这个反转对可以位于“左半圆”(从1顺时针到9的路径)或“右半圆”(从1逆时针到9的路径)。方法数:$2$ 种。注:只要确定了它们在哪一侧,为了形成反转,它们的相对顺序就是唯一的(例如在上升链中必须是大数在前小数在后)。分配其余数字:总共有 $9$ 个数字。去掉了固定的 1 和 9。去掉了被选中的反转对 $(k, k+1)$(这2个数作为一个整体已安排在某一侧)。还剩下 $9 - 2 - 2 = 5$ 个数字。这5个数字中的每一个都可以自由选择放在“左半圆”还是“右半圆”。一旦位置选定(左或右),为了保持除反转点外的单调性,它们的排列顺序是唯一的。方法数:$2^5 = 32$ 种。
5. 最终计算将上述步骤的方法数相乘:$$\text{总方案数} = \text{数对选择} \times \text{数对位置} \times \text{其余数字分配}$$$$\text{总方案数} = 6 \times 2 \times 32$$$$\text{总方案数} = 12 \times 32$$$$\text{总方案数} = 384$$结论这9只小猪共有 384 种不同的选座方式。
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