组合数学 – 期中复习

备忘

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二项式定理推论

∑k≥0(n3k)=(1+1)n+(1+ω)n+(1+ω2)n3\sum_{k\ge 0}\binom{n}{3k}=\frac{(1+1)^n+(1+\omega)^n+(1+\omega^2)^n}{3}

∑k≥0(nk)kxk=nx(1+x)n−1\sum_{k\ge 0}\binom{n}{k}kx^{k}=nx(1+x)^{n-1}

∑k≥0(nk)xkk=∫0x(1+x)nx dx\sum_{k\ge 0}\binom{n}{k}\frac{x^k}{k}=\int_0^x\frac{(1+x)^n}{x}~\mathbf{d}x

Vandermonde 恒等式

∑0≤i≤l(ni)(ml−i)=(n+ml)\sum_{0\le i\le l}\binom{n}{i}\binom{m}{l-i}=\binom{n+m}{l}

k=n时,(2nn)=∑0≤i≤n(ni)2k=n\text{时,}\binom{2n}{n}=\sum_{0\le i\le n}\binom{n}{i}^2

杨辉三角

(n+1k)=(nk)+(nk−1)\binom{n+1}{k}=\binom{n}{k}+\binom{n}{k-1}

朱世杰恒等式

∑0≤l≤n(lk)=(n+1k+1)\sum_{0\le l\le n}\binom{l}{k}=\binom{n+1}{k+1}

应用

∑0≤m≤nm2=∑(m1)+2∑(m2)=(n+12)+2(n+23)\begin{aligned}\sum_{0\le m\le n}m^2&=\sum\binom{m}{1}+2\sum\binom{m}{2}\\ &=\binom{n+1}{2}+2\binom{n+2}{3}\end{aligned}

∑0≤m≤nm3=6∑(m3)+3∑m2−2∑m=6(n+14)+6(n+13)+(n+12)\begin{aligned}\sum_{0\le m\le n}m^3&=6\sum\binom{m}{3}+3\sum m^2-2\sum m\\ &=6\binom{n+1}{4}+6\binom{n+1}{3}+\binom{n+1}{2}\end{aligned}

广义组合数

(p+q+rp,q,r):=(p+q+r)!p!⋅q!⋅r!\binom{p+q+r}{p,q,r}:=\frac{(p+q+r)!}{p!\cdot q!\cdot r!}

(a1+a2+⋯+am)n=∑i1+i2+⋯+im=ni1,i2,⋯ ,im≥0a1i1a2i2⋯amimn!i1!i2!⋯im!(a_1+a_2+\cdots+a_m)^n=\sum_{\begin{gathered}i_1+i_2+\cdots+i_m=n\\i_1,i_2,\cdots,i_m\ge0\end{gathered}}a_1^{i_1}a_2^{i_2}\cdots a_m^{i_m}\frac{n!}{i_1!i_2!\cdots i_m!}

斯特林公式

n!∼2πn(ne)nn!\sim \sqrt{2\pi n}\left(\frac{n}{e}\right)^n

思路

∫kk+1ln⁡x dx−ln⁡k=(k+1)ln⁡(1+1k)−1∼12k+O(1k2)\int_k^{k+1}\ln{x}~\mathbf{d}x-\ln{k}=(k+1)\ln\left(1+\frac{1}{k}\right)-1\sim\frac{1}{2k}+O(\frac{1}{k^2})

∑(∫kk+1ln⁡x dx−ln⁡k)=(n+1)ln⁡(n+1)−(n+1)−ln⁡(n!)∼∑(12k+O(1k2))=12ln⁡n+O(1)\begin{aligned}\sum\left(\int_k^{k+1}\ln{x}~\mathbf{d}x-\ln{k}\right)&=(n+1)\ln(n+1)-(n+1)-\ln(n!)\\&\sim\sum\left(\frac{1}{2k}+O\left(\frac{1}{k^2}\right)\right)=\frac{1}{2}\ln{n}+O\left(1\right)\end{aligned}

⇒ln⁡n!=(n+12)ln⁡n−n+O(1)\Rightarrow \ln{n!}=\left(n+\frac{1}{2}\right)\ln{n}-n+O(1)

集系

递推

h(n)=anh(n−1)+⋯h(n)=a_nh(n-1)+\cdots

⇒h(n)∏i=1nai=h(n−1)∏i=1n−1ai+⋯∏i=1nai\Rightarrow\frac{h(n)}{\prod_{i=1}^na_i}=\frac{h(n-1)}{\prod_{i=1}^{n-1}a_i}+\frac{\cdots}{\prod_{i=1}^na_i}

Catalan Number

模型:进栈出栈问题、二叉树括号匹配

C0=1C1=1C2=2C3=5C4=14C_0=1\quad C_1=1\quad C_2=2\quad C_3=5\quad C_4=14

Cn=∑k=1nCk−1Cn−kC_n=\sum_{k=1}^nC_{k-1}C_{n-k}

根据生成函数求通项

C(x)=1+xC(x)2C(x)=1+xC(x)^2

Cn=1n+1(2nn)C_n=\frac{1}{n+1}\binom{2n}{n}

根据格点图求通项

Cn=∣{在主对角线之上的道路}∣=(2nn)−∣{所有经过次对角线的道路}∣=(2nn)−∣{出发点关于次对角线的对称点出发的道路}∣=(2nn)−(2nn+1)=1n+1(2nn)\begin{aligned}C_n&=|\{在主对角线之上的道路\}|\\&=\binom{2n}{n}-|\{所有经过次对角线的道路\}|\\&=\binom{2n}{n}-|\{出发点关于次对角线的对称点出发的道路\}|\\&=\binom{2n}{n}-\binom{2n}{n+1}=\frac{1}{n+1}\binom{2n}{n}\end{aligned}

随机游走

容斥原理

错排

错排概率趋于1e\frac{1}{e}

送对信封期望E(X)=1E(X)=1

Stirling Number

1st kind

n个数的置换中恰有m个圈的个数

S1(n,m)or[nm]S_1(n,m)\quad or\quad {n\brack m}

S1(n,m)=S1(n−1,m−1)+(n−1)S1(n−1,m)S_1(n,m)=S_1(n-1,m-1)+(n-1)S_1(n-1,m)

xn‾=∑m=0nS1(n,m)xmx^{\overline{n}}=\sum_{m=0}^nS_1(n,m)x^m

xn‾=∑m=0n(−1)n+mS1(n,m)xmx^{\underline{n}}=\sum_{m=0}^n(-1)^{n+m}S_1(n,m)x^m

2nd kind

n个不同球放到m个相同盒,满足所有盒子不空的方法数

S2(n,m)or{nm}S_2(n,m)\quad or\quad {n\brace m}

S2(n,m)=S2(n−1,m−1)+mS2(n−1,m)S_2(n,m)=S_2(n-1,m-1)+mS_2(n-1,m)

xn=∑m=0nS2(n,m)xm‾x^n=\sum_{m=0}^nS_2(n,m)x^{\underline{m}}

xn=∑m=0n(−1)n+mS2(n,m)xm‾x^n=\sum_{m=0}^n(-1)^{n+m}S_2(n,m)x^{\overline{m}}

球盒问题

n个球,m个盒

球同否 盒同否 空否 数量
球不同 盒不同 不可空 mn−(m1)(m−1)n+(m2)(m−2)n−⋯m^n-\binom{m}{1}(m-1)^n+\binom{m}{2}(m-2)^n-\cdots
球不同 盒不同 可空 mnm^n
球不同 盒同 不可空 S2(n.m)=mn−(m1)(m−1)n+(m2)(m−2)n−⋯m!S_2(n.m)=\frac{m^n-\binom{m}{1}(m-1)^n+\binom{m}{2}(m-2)^n-\cdots}{m!}
球不同 盒同 可空 S2(n,m)+S2(n,m−1)+S2(n,m−2)+⋯S_2(n,m)+S_2(n,m-1)+S_2(n,m-2)+\cdots
球同 盒不同 不可空 (n−1m−1)\binom{n-1}{m-1}
球同 盒不同 可空 (n+m−1m−1)\binom{n+m-1}{m-1}
球同 盒同 不可空
球同 盒同 可空

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