Еще одно решение задачи о педантичном пассажире

В прошлый раз я решал задачу о педантичном пассажире с помощью комбинаторных соображений и получил простой ответ: если один из пассажиров в автобусе захочет сидеть на своем месте, пересесть в среднем должна примерно половина автобуса. Напомню, что задача свелась к вычислению средней длины цикла в перестановке, содержащего некоторый элемент, например, 1.

Как я тогда и предположил, такой простой ответ можно получить почти без вычислений. Достаточно установить взаимно однозначное соответствие между перестановкой, описывающей рассадку пассажиров, и некоторой другой вспомогательной перестановкой, как изображено на схеме в примере:

$$\tikzcdset{arrow style=tikz,diagrams={>=stealth}} \begin{matrix} \left(\begin{tikzcd}[row sep=14pt,column sep=12pt] 1\ar[d] & 2\ar[d] & 3\ar[d] & 4\ar[d] & 5 & 6\ar[d] & 7 & 8 \\ \textcolor{blue}{4}\ar[urrr,dotted,looseness=1,in=155] & \textcolor{blue}{6}\ar[urrrr,dotted,looseness=1,in=160] & \textcolor{blue}{1}\ar[ull,dotted] & \textcolor{blue}{2}\ar[ull,dotted] & \bf{5} & \textcolor{blue}{3}\ar[ulll,dotted] & \bf{8} & \bf{7} \end{tikzcd}\right) &\longleftrightarrow& \begin{tikzcd}[column sep=8pt] \bf{5} & \bf{8} & \bf{7} & \textcolor{blue}{1}\ar[r,dotted] & \textcolor{blue}{4}\ar[r,dotted] & \textcolor{blue}{2}\ar[r,dotted] & \textcolor{blue}{6}\ar[r,dotted] & \textcolor{blue}{3}\ar[llll,dotted,looseness=0.5,in=-60,out=-120] \end{tikzcd} \end{matrix}$$

Здесь я нарисовал стрелками, как в цикле переходят элементы друг в друга. Чтобы получить вспомогательную перестановку, нужно переместить в конец элементы цикла, содержащего элемент 1, начиная как раз с него.

От вспомогательной перестановки всегда можно перейти к изначальной, рассматривая элемент 1 и соседей справа от него как сокращенную запись цикла. Разворачиваем запись цикла и расставляем соседей слева на оставшиеся свободные места.

Таким образом, мы установили биекцию (взаимно однозначное соответствие) между перестановками, при которой элементы цикла, содержащего элемент 1, переходят в элемент 1 и всех соседей справа. При усреднении по всем перестановкам любой элемент, в том числе 1, оказывается в середине (на каждую перестановку, где этот элемент сдвинут влево от центра, есть зеркальная перестановка, где он сдвинут на такое же расстояние вправо). Поэтому среднее количество соседей слева и справа совпадает и равно $$(n-1)/2$$.

Вспомогательную перестановку следует воспринимать формально, она сама по себе в этой задаче не имеет наглядного смысла.