Problema 62
Hallar el número de de formas de ordenar los números \(1,2,\ldots,n\) que no dejan fijo a ninguno de los números, es decir, el número \(k\) no está en el \(k\)-ésimo lugar de la ordenación. ¿Cuál es la probabilidad de que al tomar una ordenación al azar, la elegida no deje fijo a ningún elemento?
Solución. Vamos a usar el principio de inclusión-exclusión para resolver este problema. El número total de ordenaciones (biyecciones) de los números $\{1,2,\ldots,n\}$ es $n!$. De estas, dado $k\in\{1,\ldots,n\}$, hay $(n-1)!$ que dejan fijo a $k$ y, en general, dados $r$ elementos de $\{1,\ldots,n\}$ hay $(n-r)!$ permutaciones que los dejan fijos. Por tanto, dicho principio nos dice que el número de aplicaciones que no dejan fijo a ningún elemento es
\[\sum_{k=0}^n(-1)^k\left(\begin{array}{c}n\\k\end{array}\right)(n-k)!=n!\sum_{k=0}^n\frac{(-1)^k}{k!}.\]
La probabilidad de que al elegir una ordenación al azar, esta no deje fijo ningún elemento es dividir el número anterior entre el número total de permutaciones, que es $n!$, luego es simplemente eliminar el factor $n!$ en el miembro de la derecha de la igualdad anterior.