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组合日记-九月二十五日

时间:2022-09-26 16:36:46浏览次数:68  
标签:begin end sum 九月 二十五日 Bmatrix binom aligned 日记

CF1278F

答案即为:

\(\displaystyle \sum_{i=0}^{n}{\binom{n}{i}p^i(1-p)^{n-i}i^k}\)

考虑化简:

\[\begin{aligned} \mathrm{Lemma1:}&i^k=\sum_{j}{\binom{i}{j}\begin{Bmatrix}k \\ j\end{Bmatrix}j!}\\ \mathrm{Lemma2:}&\binom{n}{m}\binom{m}{k}=\binom{n}{k}\binom{n-k}{m-k} \end{aligned} \]

\[\begin{aligned} &\sum_{i=0}^{n}{\binom{n}{i}p^i(1-p)^{n-i}i^k}\\ =&\sum_{i=0}^{n}{\binom{n}{i}p^i(1-p)^{n-i}}\sum_{j}{\binom{i}{j}\begin{Bmatrix}k \\ j\end{Bmatrix}j!}\\ =&\sum_{j}{\begin{Bmatrix}k \\ j\end{Bmatrix}j!}\sum_{i=0}^{n}{\binom{n}{i}\binom{i}{j}p^i(1-p)^{n-i}}\\ =&\sum_{j}{\begin{Bmatrix}k \\ j\end{Bmatrix}j!}\sum_{i=0}^{n}{\binom{n}{j}\binom{n-j}{i-j}p^i(1-p)^{n-i}}\\ =&\sum_{j}{\begin{Bmatrix}k \\ j\end{Bmatrix}\binom{n}{j}j!}\sum_{i=0}^{n}{\binom{n-j}{i-j}p^i(1-p)^{n-i}}\\ =&\sum_{j}{\begin{Bmatrix}k \\ j\end{Bmatrix}\binom{n}{j}j!}p^j\sum_{i=0}^{n}{\binom{n-j}{i-j}p^{i-j}(1-p)^{n-i}}\\ =&\sum_{j}{\begin{Bmatrix}k \\ j\end{Bmatrix}\binom{n}{j}j!p^j}\\ =&\sum_{j\le \min(k, n)}{\begin{Bmatrix}k \\ j\end{Bmatrix}\binom{n}{j}j!p^j} \end{aligned} \]

化简到这里,已经可以用 \(O(k^2)\) 递推做掉这道题了。

然而还可以继续。

对 \(Lemma1\) 使用二项式反演得到:

\[\begin{aligned} i!\begin{Bmatrix}k \\ i\end{Bmatrix}=\sum_{j}{(-1)^{i-j}\binom{i}{j}j^k} \end{aligned} \]

继续刚才的推导。

\[\begin{aligned} &=\sum_{j=0}^{\min(n,k)}{\binom{n}{j}p^j}\sum_{i=0}^{j}{(-1)^{j-i}\binom{j}{i}i^k}\\ &=\sum_{i=0}^{\min(n,k)}{i^k}\sum_{j=i}^{\min(n,k)}{\binom{j}{i}\binom{n}{j}(-1)^{j-i}p^j}\\ &=\sum_{i=0}^{\min(n,k)}{i^k(-1)^i\binom{n}{i}}\sum_{j=i}^{\min(n,k)}{\binom{n-i}{j-i}(-p)^j}\\ &=\sum_{i=0}^{\min(n,k)}{i^k\binom{n}{i}p^i}\sum_{j=0}^{\min(n,k)-i}{\binom{n-i}{j}(-p)^{j}} \end{aligned} \]

考虑裂项求后面和式的递推式。

以下是 \(k\le n\) 的情况:

\[\begin{aligned} R_i&=\sum_{j=0}^{k-i}{\binom{n-i}{j}(-p)^j}\\ &=\sum_{j=0}^{k-i}{\binom{n-i-1}{j}(-p)^j}+\sum_{j=1}^{k-i}{\binom{n-i-1}{j-1}(-p)^j}\\ &=R_{i+1}+\binom{n-i-1}{k-i}(-p)^{k-i}+\sum_{j=0}^{k-i-1}{\binom{n-i-1}{j}(-p)^{j+1}}\\ &=R_{i+1}+\binom{n-i-1}{k-i}(-p)^{k-i}+(-p)\sum_{j=0}^{k-i-1}{\binom{n-i-1}{j}(-p)^{j}}\\ &=R_{i+1}-pR_{i+1}+\binom{n-i-1}{k-i}(-p)^{k-i}\\ \end{aligned} \]

边界是 \(R_k=1\)

对于 \(n<k\) 的情况:\(R_i=(1-p)R_{i+1},R_n=1\)

综上所述:

\[\begin{aligned} Ans=\sum_{i=0}^{\min(n,k)}{i^k\binom{n}{i}p^iR_i} \end{aligned} \]

半天没调出来,所以咕了一会。

标签:begin,end,sum,九月,二十五日,Bmatrix,binom,aligned,日记
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