组合数的奇偶判定

本文深入探讨了组合数奇偶性的判定方法,通过解析杨辉三角与组合数的内在联系,提供了一种基于二进制表示的高效算法。文章详细介绍了如何利用二进制中1的个数来快速判断组合数是否为奇数,对于算法竞赛和数学研究者而言,这是一篇不可多得的技术指南。

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组合数的奇偶判定

在之前做过的题目里面,出现了很多关于杨辉三角的题目,很多时候都会联系到组合数的性质看。这里就来说明如何判断组合数的奇偶并证明。
我们知道组合数可以表示为Cnm=n!m!(n−m)!C_n^m=\frac{n!}{m!(n-m)!}Cnm=m!(nm)!n!
现在假设n!,m!,(n−m)!的2的因子个数分别为A,B,Cn!,m!,(n-m)!的2的因子个数分别为A,B,Cn!,m!,(nm)!2A,B,C
显然组合数为奇数当且仅当A=B+C。
那a和n!到底有什么关系呢?
其实,对于一个质数p,它在n!的因子个数是
⌊np⌋+⌊np2⌋+⌊np3⌋+⌊np4⌋+......\lfloor\frac{n}{p}\rfloor+\lfloor\frac{n}{p^2}\rfloor+\lfloor\frac{n}{p^3}\rfloor+\lfloor\frac{n}{p^4}\rfloor+......pn+p2n+p3n+p4n+......
因此对于n!n!n!来说它2的因子个数(用f(n)f(n)f(n)表示)就是
f(n)=⌊n2⌋+⌊n22⌋+⌊n23⌋+⌊n24⌋+......f(n)=\lfloor\frac{n}{2}\rfloor+\lfloor\frac{n}{2^{2}}\rfloor+\lfloor\frac{n}{2^3}\rfloor+\lfloor\frac{n}{2^4}\rfloor+......f(n)=2n+22n+23n+24n+......
然后对于n来说,它可以表示为n=(a1∗20)+(a2∗21)+(a3∗22)+......n=(a_1*2^0)+(a_2*2^1)+(a_3*2^2)+......n=(a120)+(a221)+(a322)+......
知道这个之后我们可以把f(n)f(n)f(n)的每一项再进一步化简(下面的kkk为n的二进制位数)
f(n)=∑y=1k⌊(a1∗20)+(a2∗21)+...+(ak∗2k−1)2y⌋f(n)=\sum_{y=1}^k\lfloor\frac{(a_1*2^0)+(a_2*2^1)+...+(a_k*2^{k-1})}{2^y}\rfloorf(n)=y=1k2y(a120)+(a221)+...+(ak2k1)
=∑y=1k(ay+1∗2y)+...+(ak∗2k−1)2y=\sum_{y=1}^k\frac{(a_{y+1}*2^{y})+...+(a_k*2^{k-1})}{2^y}=y=1k2y(ay+12y)+...+(ak2k1)
=∑y=1k∑x=y+1kax∗2x−12y=\sum_{y=1}^k\sum_{x=y+1}^k\frac{a_x*2^{x-1}}{2^y}=y=1kx=y+1k2yax2x1
=∑x=1kax∑y=0x−22y=\sum_{x=1}^ka_x\sum_{y=0}^{x-2}{2^y}=x=1kaxy=0x22y
=∑x=1kax∗(2x−1−1)=\sum_{x=1}^ka_x*(2^{x-1}-1)=x=1kax(2x11)
=∑x=1kax∗2x−1−∑x=1kax=\sum_{x=1}^k{a_x*2^{x-1}}-\sum_{x=1}^k{a_x}=x=1kax2x1x=1kax
=n−∑x=1kax=n-\sum_{x=1}^k{a_x}=nx=1kax
化简之后我们在观察等式后面的求和发现
n在二进制下1的个数=∑x=1kaxn在二进制下1的个数=\sum_{x=1}^k{a_x}n1=x=1kax
因此n!n!n!在二进制下2因子的个数等于n减去其二进制下1的个数。
而组合数为奇数当且仅当A=B+C
而n,m,(n-m)在二进制下1的数目分别为a,b,c
所以
n−a=m−b+(n−m)−cn-a=m-b+(n-m)-cna=mb+(nm)c
a=b+ca=b+ca=b+c
而要这个条件满足显然当且仅当
n&m==mn\&m==mn&m==m

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