题意: 一随机序列,每个位置等概率为 \(1\) 到 \(n\) 中的一个数,求该序列的第一个包含 \(1\) 到 \(n\) 所有数的前缀的长度的期望值。
杀鸡应用牛刀。
记 \(f_i\) 为 \(i\) 第一次出现的位置,所有 \(f_i\) 组成集合 \(S\),答案即为 \(E(\max(S))\)。想到 Min-Max 容斥,我们有:
\[\begin{align*}
E(\max(S))&=\sum_{T\subseteq S}(-1)^{\lvert T\rvert+1}E(\min(T)) \\\\
&=\sum_{T\subseteq S}(-1)^{\lvert T\rvert+1}\frac{n}{\lvert T\rvert} \\\\
&=n\sum_{i=1}^{n}(-1)^{i+1}\binom{n}{i}\frac{1}{i}
\end{align*}\]
其中第一行到第二行:\(E(\min(T))\) 为 \(T\) 对应 \(\lvert T\rvert\) 个数首次出现的位置的期望,这是经典的几何分布,而出现这些数的概率为 \(\frac{\lvert T\rvert}{n}\),于是有 \(E(\min(T))=\frac{n}{\lvert T\rvert}\)。
预处理阶乘计算即可。