Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
kombinatorika-tkg.pdf
Скачиваний:
48
Добавлен:
15.04.2015
Размер:
755 Кб
Скачать
☆

Бином Ньютона

Числа сочетаний Cnr присутствуют в известной формуле бино-

ма Ньютона, откуда они получили название биномиальных коэффициентов.

n

 

Теорема 2.4. (x + y)n = ∑Cnr xr yn−r .

(2.1)

r =0

Доказательство. По индукции. База индукции: проверим при n =1

1

(x + y)1 =1 x1 y0 +1 x0 y1 = C10 x1 y0 +C11x0 y1 = ∑C1r xr y1−r .

r =0

(2.1) – верна.

Индуктивное предположение. Предположим, что формула (2.1) верна для n = k −1 :

k −1

(x + y)k −1 = ∑Cr− xr yk −r −1.

k 1

r=0

Шаг индукции. Необходимо доказать, что формула верна для n = k .

7

 

k −1

 

(x + y)k = (x + y)(x + y)k −1 = (x + y)∑Ckr−1 xr yk

−r −1 =

 

r =0

 

k −1

k −1

 

= ∑xCkr−1 xr yk −r −1 +

∑yCkr−1 xr yk −r−1 =

 

r=0

r =0

 

k −1

k −1

 

= ∑Ckr−1 xr +1 yk −r −1 +

∑Ckr−1 xr yk −r ={распишем суммы} =

r=0

r =0

 

= Ck0−1 x1 yk −1 +Ck1−1 x2 yk −2 +... +Ckk−−12 xk −1 y1 +Ckk−−11 xk y0 +

+Ck0−1 x0 yk

+Ck1−1 x1 yk −1 +... +Ckk−−12 xk −2 y2 +Ckk−−11 xk −1 y1 =

={приведем подобные}=

=x1 yk −1 (Ck0−1 +Ck1−1 ) + x2 yk −2 (Ck1−1 +Ck2−1 ) +... +

+xk −2 y2 (Ckk−−13 +Ckk−−12 ) + xk −1 y1 (Ckk−−12 +Ckk−−11 ) +

+Ckk−−11 xk y0

+Ck0−1 x0 yk

={по свойству Ckr−−11 +Ckr−1 = Сkr } =

= x1 yk −1Ck1

+ x1 yk −1Ck2

+... + xk −2 y2Ckk −2 + xk −1 y1Ckk −1 +Cnn xk y0 +

k

 

+Cn0 x0 yk = ∑Ckr (n, r)xr yk

−r . Теорема доказана.

r =0

 

n

 

Следствие 1. ∑Cnr = 2n .

 

r =0

 

Доказательство. Пусть x =1, y =1.

n

n

2n = (1+1)n = ∑Cnr 1r 1n−r = ∑Cnr .

r =0

r =0

n

 

Следствие 2. ∑(−1)r Cnr

= 0 .

r =0

 

Доказательство. Пусть x = −1, y =1.

n

n

0 = (−1+1)n = ∑Cnr (−1)r1n−r = ∑(−1)r Cnr .

r=0

r =0

Биномиальные коэффициенты обладают рядом интересных

8

свойств, некоторые из которых сформулированы в следующих теоремах.

n

Теорема 2.5. ∑rCnr = n2n−1.

r =0

Доказательство.

Рассмотрим следующую последовательность из чисел 1,…,n. Сначала все подмножества длины 0, потом все подмножества дли-

ны 1 и т.д. Имеется Cnr подмножеств мощности n, и каждое из них

имеет длину n. Таким образом, всего в этой последовательности

n

∑rCnr чисел. С другой стороны, каждое число x входит в эту по-

r =0

следовательность 2 {1,...,n}\{x} = 2n−1 раз, а всего чисел n.

k

Теорема 2.6. Cnk+r = ∑Cni Crk −i . i=0

Доказательство.

Cnk+r – это число способов выбрать k предметов из n+r предме-

тов. Предметы можно выбирать в два приема: сначала выбрать i предметов из первых n предметов, а затем выбрать остальные k-i предметов из оставшихся r предметов.

Треугольник Паскаля

Из теоремы 2.2 следует способ вычисления биномиальных коэффициентов, известный как треугольник Паскаля.

 

 

 

1

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

1

2

1

 

 

1

3

3

1

 

 

1

4

6

4

1

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Треугольник Паскаля.

В этом треугольнике каждое число (кроме единиц на боковых сторонах) является суммой двух чисел, стоящих над ним. Число

сочетаний Cnr находится в (n+1)-м ряду на (r+1)-м месте.

9

Лекция 3.Разбиения множества. Числа Стирлинга второго рода. Число Белла. Числа Стирлинга первого рода.

Разбиения множества

Под разбиением n-элементного множества А на k блоков будем

понимать

произвольное

семейство

π ={B1 ,..., Bk } , такое

что

B1 ... Bk = A , Bi ∩B j O/ для

1 ≤ i < j ≤ k и Bi ≠ O/

для

1 ≤i ≤ k .

Подмножества

B1 ,..., Bk

будем называть блоками се-

мейства π . Множество всех разбиений множества А на k блоков будем обозначать Π k (A) , а множество всех разбиений через

Π ( A) .

Числа Стирлинга второго рода

Определение. Число Стирлинга второго рода S(n,k) есть число разбиений n-элементного множества на k блоков:

S(n,k) = Π k ( A) , где A = n.

Пример 3.1. S(4,2)=7, так как множество {1,2,3,4} можно разбить на 2 блока семью различными способами:

{{1,2,3},{4}}

{{1,2,4},{3}}

{{1,3,4},{2}}

{{1,2},{3,4}}

{{1,3},{2,4}}

{{1,4},{2,3}}

{{1},{2,3,4}}

Очевидно, что S(n,k)=0 для k>n. Положим также S(0,0)=1, т.к. по определению пустое семейство блоков является разбиением пустого множества.

Докажем теперь тождество, аналогичное тождеству, связанному с треугольником Паскаля.

Теорема 3.1.

S(n, k) = S(n −1, k −1) + kS(n −1, k) для 0 < k ≤ n,

(3.1)

S(n, n) = 1 для n ≥ 0,

(3.2)

S(n,0) = 0 для n >0,

(3.3)

Доказательство.

Формулы (3.2) и (3.3) очевидны. Докажем (3.1). Рассмотрим множество всех разбиений множества {1,…,n} на k блоков. Оно

10

распадается на два различных класса: множество тех разбиений, которые содержат одноэлементный блок {n}, и тех разбиений, для которых n является элементом большего (по крайней мере, двухэлементного) блока. Мощность первого класса равна S(n-1,k-1), т.е. равна числу разбиений множества {1,…,n-1} на k-1 блоков. Мощность второго класса составляет kS(n-1,k), т.к. каждому разбиению множества {1,…,n-1} на k блоков соответствует в этом классе в точности k разбиений, образованных добавлением элемента n поочередно к каждому блоку.

Теорема (3.1) позволяет легко вычислять S(n,k) даже для больших значений n и k. В следующей таблице представлены числа

S(n,k) для 0 ≤ n, k ≤ 8 .

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

1

0

0

0

0

0

0

0

0

 

1

 

0

1

0

0

0

0

0

0

0

2

 

0

1

1

0

0

0

0

0

0

3

 

0

1

3

1

0

0

0

0

0

4

 

0

1

7

6

1

0

0

0

0

5

 

0

1

15

25

10

1

0

0

0

6

 

0

1

31

90

65

15

1

0

0

7

 

0

1

63

301

350

140

21

1

0

8

 

0

1

127

966

1701

1050

266

28

1

Таблица 3.1. Числа Стирлинга второго рода. Данную таблицу можно трактовать как «треугольник Стирлин-

га», в котором каждое значение кроме крайних, равных единице, можно получить как сумму числа, расположенного над ним и умноженного на k, и числа над ним с левой стороны.

n−1

Теорема 3.2. S(n, k) = ∑ Cnk S(i, k −1), k ≥ 2.

i=k −1

Доказательство.

Рассмотрим множество всех разбиений множества А={1,…,n}. Это множество распадается на различные классы, соответствующие разным подмножествам множества А, которые являются блоками, содержащими элемент n. Для каждого b-элементного под-

11

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]