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组合数学笔记(二)

时间:2023-03-03 15:46:07浏览次数:43  
标签:组合 笔记 times 计数 数学 拆分 集合 binom brace

继续十二重计数法:

我们考虑把\(n\)个金币分给\(m\)个人,要求满射,方案数为多少。
显然金币是没有区别的,人是有区别的,也就是无区别的小球放入有区别的盒子当中,是典型的插板法,答案为\(\binom{n-1}{m-1}\),相当于在\(n\)个小球之间插板,有\(n-1\)个空隙,需要插\(m-1\)块板。
如果我们没有限制是怎么样呢?我们可以划归到上一个问题,将每一项都加\(1\)就可以满足了,答案为\(\binom{n+m-1}{m-1}\)。
这个问题的学名叫做Compositions of integers,而若没有满射的限制则为weak版本。

然后先介绍一下多重集计数:
平常我们的计数为集合计数,集合中默认没有重复元素,则答案为\(\binom{n}{m}\) ,而若是可重集答案则不一样了。我们对此有一个专门的符号,是两个括号在\(n,m\)外面(打不出来)不过这个符号基本没用因为我们可以用组合数解决这个计数问题。
我们考虑如果把\(n\)个数出现的次数写成一个串的形式,不可重集每个元素就是\(0,1\),而可重集则只需要满足\(x_i\ge0\),这样就回到了上一个问题。

我们再考虑另一个名称很相像但是本质不同的东西,就是把\(n\)个有区别的小球放进\(m\)个没有区别的盒子里,并且固定了每一个盒子的数量为\(m_i(1\le i \le m)\) 且有\(\sum_{i=1}^{n} m_i =n\),如何计数?
其实就是一个集合划分(Partition)问题,我们可以把\(n\)个球任意排列,然后对于每个盒子所包括的\(m_i\)个小球是unordered的,所以需要除去\(m_i!\),答案即为\(\frac{n!}{\prod_{i=1}^{m} m_i!}\)。有个专门的记号长这样:\(\binom{n}{m_1,m_2,...m_m}\)。

有了多重集计数,我们考虑如果不安排\(m_i\)的计数方案数量。就是集合Partition的数量。答案为\(n \brace m\),即第二类斯特林数(先给出定义)。
有一个递推公式:\(n\brace{m}\)\(=\)\(n-1\brace{m-1}\)\(+\)\(m\times{n-1\brace m}\)
考虑意义:如果第\(n\)个单独为一个集合即为\(n-1\brace{m-1}\),否则可以挑选\(m\)个中的任意一个,即\(m\times{n-1\brace m}\)
插一嘴,第二类斯特林数的对于某个\(n\)的和为贝尔数,即\(B_n=\sum_{i=0}^{n} \{_i^n\}\)

这样十二重计数的第7,9便迎刃而解,且3也只是在此基础上加上盒子是可区分的,只需要乘上\(m!\)

只剩下来最难的了,盒子和小球都不可区分,这样我们的问题其实就是:整数划分。
\(\left\{\begin{array}{l} x_{1}+x_{2}+\cdots+x_{n}=m \\ x_{1} \geq x_{2} \geq \cdots \geq x_{n} \geq 1 \end{array}\right.\)
(我们对于所有划分的方案选择具有代表性的一个计数即可,在这里选择的是不升的序列)
设答案为\(p_n(m)\),有递推公式:\(p_n(m)=p_{n-1}(m-1)+p_n(m-n)\) ,同样是考虑第\(n\)个是什么,不再赘述。
对于\(p_n(m)\)的求解本节课没有提到,只是提到了估算的方法。如果把数字拆分对应到集合拆分上,那么\(n\times{p_n(m)}\)一定比对应的集合拆分大(每个数字拆分最多对应\(n!\)个集合拆分)。而如果将数字拆分一次加上\(m-1,m-2...1,0\)则没有等于这个条件,则每个数字拆分正好对应\(n!\)个集合拆分,并且由于你加上了\(m-1\)之类,所以有一些集合拆分你表示不了。

由此我们可以得出\(p_n(m)\times{n!}\)(全部打乱)对于\(n,m\)的集合拆分是满射,而对于\(n+\frac{m\times{(m-1)}}{2},k\)的集合拆分则是单射,所以我们有:
\(\frac{\binom{n-1}{m-1}}{m!}\le p_n(m)\le\frac{\binom{n+\frac{m\times{(m-1)}}{2}-1}{m-1}}{m!}\)
所以若\(m\)为常数,在\(n \to \infty\) 时,我们有\(p_n(m)\sim{\frac{n^(k-1)}{k!(k-1)!}}\)

至此,十二计数法全部完结。

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From: https://www.cnblogs.com/IceYukino/p/17175820.html

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