组合数学笔记(一)

《组合数学》读书笔记 又临近期末了,没什么时间刷题。就忙里偷闲,看了看布鲁迪的《组合数学》,先看了计数部分,图的部分寒假再说吧。学的仓促,理解也比较肤浅,这里先记下各种有用的公式定理和经典的证明方法,以及一点总结归纳。 1. 鸽巢原理 鸽巢原理的内容就不说了,很简单,但它的应用却有着让人意想不到的功力。 几个例子: 1. 证明:在序列a1,a2,...,am中存在连续个a,这些a的和能被m整除。 如果枚举 阅读详情

递推关系与生成函数

标签: 组合数学


斐波那契数列

  • Sn=f0+f1+...+fn=fn+2−1Sn=f0+f1+...+fn=fn+2−1
  • 斐波那契数列fn是偶数,当且仅当n是3的倍数斐波那契数列fn是偶数,当且仅当n是3的倍数
  • 任意斐波那契数列通项是 fn=c1×(1+5√2)n+c2×(1−5√2)nfn=c1×(1+52)n+c2×(1−52)n

帕斯卡三角形形从左下到右上对角线上二项式系数和是斐波那契数列(t=n+12t=n+12)

  • Fn=(n−1\0)+(n−2\1)+(n−32)+⋯(n−tt−1)Fn=(n−1\0)+(n−2\1)+(n−32)+⋯(n−tt−1)

生成函数

生成函数是无限可微函数的泰勒级数

设h0,h1,h2,⋯,hn⋯h0,h1,h2,⋯,hn⋯ 是无穷级数,他的生成函数定义为无穷级数

g(x)=h0+h1x+h2x2+⋯+hmxmg(x)=h0+h1x+h2x2+⋯+hmxm

牛顿二项式定理

设α是实数,对所有满足0≤|x|<|y|的x和y有设α是实数,对所有满足0≤|x|<|y|的x和y有

(x+y)α=∑k=0∞(αk)xkyα−k(x+y)α=∑k=0∞(αk)xkyα−k

其中(αk)=α(α−1)⋯(α−k+1)k!(αk)=α(α−1)⋯(α−k+1)k!
设z=x/y,则(x+y)α=yα(1+z)α(x+y)α=yα(1+z)α上述定理等价于

(1+z)α=∑k=0∞(αk)zk(1+z)α=∑k=0∞(αk)zk

令α=−nα=−n负整数则有

(αk)=(−nk)=−n(−n−1)⋯(−n−k+1)k!(αk)=(−nk)=−n(−n−1)⋯(−n−k+1)k!

=(−1)kn(n+1)⋯(n+k−1)k!=(−1)k(n+k−1k)=(−1)kn(n+1)⋯(n+k−1)k!=(−1)k(n+k−1k)

因此对于|z|<1,有
(1+z)−n=1(1+z)n=∑k=0∞(n+k−1k)zk(1+z)−n=1(1+z)n=∑k=0∞(n+k−1k)zk

当n=1,有1(1−z)=1+z+z2+⋯+zm+⋯当n=1,有1(1−z)=1+z+z2+⋯+zm+⋯
得1(1−z)k=(1+z+⋯+zm+⋯)⋯(1+z+⋯+zm+⋯)得1(1−z)k=(1+z+⋯+zm+⋯)⋯(1+z+⋯+zm+⋯)
令hn是e1+e2+⋯+ek=n的非负整数解的个数,ei表示上面第i个取zi令hn是e1+e2+⋯+ek=n的非负整数解的个数,ei表示上面第i个取zi
根据实际含义可以知道hn=Ck−1n+k−1根据实际含义可以知道hn=Cn+k−1k−1

例子
(1+x+x2+x3+x4+x5)(1+x+x2+x3)(1+x+x2+x3+x4)(1+x+x2+x3+x4+x5)(1+x+x2+x3)(1+x+x2+x3+x4)
设xe1,xe2,xe3是三项的代表项设xe1,xe2,xe3是三项的代表项那么e1+e2+e3=n解的个数就是最终展开合并xn的系数那么e1+e2+e3=n解的个数就是最终展开合并xn的系数
同理其他的限制条件都可以写成这种形式

逆序数与排列

设b1,b2,⋯,bn满足下列整数数列设b1,b2,⋯,bn满足下列整数数列
0≤b1≤n−1,0≤b2≤n−2,⋯,0≤bn−1≤1,bn=00≤b1≤n−1,0≤b2≤n−2,⋯,0≤bn−1≤1,bn=0
一定存在一个唯一对于的排列{1,2,⋯,n}使得逆序列是{bi}一定存在一个唯一对于的排列{1,2,⋯,n}使得逆序列是{bi}

构造算法(倒着根据bibi放):
n:写出nn:写出n
⋯:⋯⋯:⋯
i:考虑bi,bi是0,所有比他大的都在右边i:考虑bi,bi是0,所有比他大的都在右边
⋯:⋯⋯:⋯
1:考虑b1,⋯1:考虑b1,⋯

指数生成函数

g(e)(x)=∑∞n=0hnxαn!=h0+h1x+h2x22!+⋯+hnxnn!+⋯g(e)(x)=∑n=0∞hnxαn!=h0+h1x+h2x22!+⋯+hnxnn!+⋯

例子
取P(n,k)是n元素集合的k排列,数目为n!(n−k)!取P(n,k)是n元素集合的k排列,数目为n!(n−k)!

g(e)(x)=∑k=0∞n!(n−k)!n!xk=(1+x)ng(e)(x)=∑k=0∞n!(n−k)!n!xk=(1+x)n

因此(1+x)n是数列P的指数生成函数因此(1+x)n是数列P的指数生成函数

Catalan数

设hn表示凸(n+1)边形通过插入不相交对角线分成三角形区域的方法数设hn表示凸(n+1)边形通过插入不相交对角线分成三角形区域的方法数

hn=h1hn−1+⋯+hn−1h1=∑k=1n−1hkhn−k(n≥2,h1=1)hn=h1hn−1+⋯+hn−1h1=∑k=1n−1hkhn−k(n≥2,h1=1)

则有

hn=1nCn−12n−2hn=1nC2n−2n−1

简明证明
g(x)是hn的生成函数,则有g(x)2−g(x)+x=0g(x)是hn的生成函数,则有g(x)2−g(x)+x=0
g(x)=g2(x)=1−1−4x√2=12−12(1−4x)12g(x)=g2(x)=1−1−4x2=12−12(1−4x)12
其中再用牛顿二项式定理,可得g(x)=∑∞n=11nCn−12n−2xn其中再用牛顿二项式定理,可得g(x)=∑n=1∞1nC2n−2n−1xn

组合数学<1>——组合数学基础 组合数学基础:加乘原理,圆排列,排列组合,隔板法,杨辉三角递推,逆元 阅读详情

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