Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
КОМБИ+РС_матем_2012.doc
Скачиваний:
27
Добавлен:
14.08.2019
Размер:
1.46 Mб
Скачать

§ 8. Примеры других комбинаторных объектов и сводка некоторых результатов

  1. Ч исла Каталана. Рассмотрим следующую задачу, решённую ещё Леонардом Эйлером:

каково число разбиений выпуклого (n+2)-угольника (n 1) на треугольники непересекающимися диагоналями ? Диагональю считается любой отрезок, соединяющий две вершины многоугольника, а разбиение – это произвольное множество треугольников, не имеющих общих внутренних точек, покрывающее весь многоугольник. Например, выбрав произвольную вершину многоугольника, можно из неё провести все диагонали в другие вершины и получить одно из возможных разбиений. Обозначим искомое число разбиений через Knэто и есть числа Каталана.

Легко понять, что K1 = 1, K2 = 2, K3 = 5. В общем случае перенумеруем вершины (n+2)-угольника числами 1, … , i, … , n+2 и рассмотрим любой треугольник с вершинами 1, i, n+2 (2 i n+1). Любое разбиение исходного (n+2)-угольника, содержащее этот треугольник, получается комбинированием любого разбиения на треугольники i-угольника M, рассматриваемого треугольника и произвольного разбиения на треугольники (n+3–i)-уголь­ника N (смотри рисунок выше). В случае, когда i = 3 или i = n, многоугольники M или N превращаются в треугольники, а в случае i = 2 или i = n+1 – они вырождаются. Для применимости предыдущих рассмотрений удобно считать, что K0 = 1. Каждое разбиение исходного (n+2)-угольника на треугольники обязательно содержит некоторый треугольник с вершинами 1, i, n+2, поэтому получаем следующую рекуррентную формулу:

.

Для нахождения общей формулы можно воспользоваться методом производящих функций. Если , то

. Значит, K(x) удовлетворяет уравнению x·K(x)2K(x) + 1 = 0, решением которого является функция . Воспользовавшись разложением в ряд

,

получим

Следовательно, . Ясно, что знак + не подходит ввиду неотрицательности степеней переменной в K(x). Значит, сравнивая коэффициенты, получим формулу для чисел Каталана

(i N0).

Числа Каталана возникают в разнообразных комбинаторных задачах. Например, можно показать, что количество следующих объектов равно Kn :

  • число всех последовательностей (1 ; … ; n) длины 2n, в которых i {–1, 1} (1 i n), ;

  • число всех последовательностей, состоящих из n открывающих и n закрывающих скобок, в которых для любой позиции количество закрывающих скобок слева не превосходит количества открывающих скобок слева;

  • число всех (2n)-матриц с компонентами 1, 2, … , 2·n, расположенными в порядке возрастания в каждой строке и каждом столбце;

  • число всех монотонных функций f : {1, … , n} {1, … , n} со свойством f(i) i при любом i {1, … , n};

  • число бинарных деревьев (см. Конспект лекций по дискретной математике, § 6 главы III).

Конечно, можно легко найти обобщение чисел Каталана: например числа , где qзаданное натуральное число (i N0).

Числа Стирлинга первого рода. Рассмотрим произвольную подстановку на n символах 1, … , n : . Как известно, она может быть разложена (однозначно с точностью до порядка) в произведение независимых циклов, включая тривиальные: .

Алгоритм такого разложения прост и может быть проиллюстрирован на примере подстановки = : находим нетривиальный цикл 1 2 5 6 1 и рассматриваем подстановку

(1, 2, 5, 6) –1· = (6, 5, 2, 1)· = = 1 ,

которая имеет меньше перемещаемых символов, чем . Повторяя с ней ту же процедуру, находим нетривиальный цикл 3 4 7 3 и рассматриваем подстановку

(3, 4, 7) –1·1 = (7, 4, 3)· = =

тождественная подстановка. Таким образом, (3, 4, 7) –1·(1, 2, 5, 6) –1· = , и значит, = (1, 2, 5, 6)·(3, 4, 7) – произведение двух нетривиальных циклов. Та же подстановка может быть записана в виде произведения трёх циклов: = (1, 2, 5, 6)·(3, 4, 7)·(8), включая тривиальный цикл (8).

Тождественная подстановка на n символах раскладывается в произведение n тривиальных циклов: = (1)·(2)· … ·(n). Это единственная подстановка на n символах, раскладывающаяся в произведение n циклов.

Каноническим разложением подстановки называется такое её разложение в произведение независимых циклов, что в каждом цикле наименьший элемент стоит на первом месте и эти наименьшие элементы не убывают в порядке следования циклов. Например, разложение (1, 2, 5, 6)·(3, 4, 7)·(8) – каноническое, а следующие разложения той же подстановки (2, 5, 6, 1)·(3, 4, 7)·(8), (1, 2, 5, 6)·(4, 7, 3)·(8), (8)·(1, 2, 5, 6)·(3, 4, 7) – не канонические. Если в каноническом разложении стереть скобки, то получится перестановка чисел 1, … , n. Например, для рассмотренной подстановки получится перестановка = (1, 2, 5, 6, 3, 4, 7, 8). Оказывается, что сопоставление является биективным.

Число Стирлинга первого рода обозначается через равно числу подстановок на n символах, разлагающихся в k циклов, включая тривиальные. При этом по определению полагают = 1, = 0 (k > 0), = 0 (n > 0), = 1, = 0 (k > 1).

Приведём таблицу начальных значений величин :

n

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

2

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

3

0

2

3

1

0

0

0

0

0

0

4

0

6

11

6

1

0

0

0

0

0

5

0

24

50

35

10

1

0

0

0

0

6

0

120

274

225

85

15

1

0

0

0

7

0

720

1764

1624

735

175

21

1

0

0

8

0

5040

13068

13132

6769

1960

322

28

1

0

9

0

40320

109584

118124

67284

22449

4536

546

36

1

Какой рекуррентной формулой связаны числа Стирлинга первого рода ? Если подстановка на (n+1)-м символе разложена в произведение m независимых циклов = с1·…·cm , то ровно один из этих циклов содержит n+1, а произведение остальных циклов даёт подстановку на n символах, раскладывающуюся в произведение (m – 1)-го цикла.

Если цикл с n+1 тривиален, то подстановка получена из подстановки на n символах c (m–1)-м циклом дописывание в конце тривиального цикла (n+1). Таких подстановок . Если же цикл с n+1 не тривиален, то он получен из некоторого цикла для подстановок на n символов с помощью вставки числа n+1 не на первое место. Таким образом, в этом случае получается из подстановки на n символах с m циклами путём вставки в некоторый из циклов элемента n+1 не на первое место. Учитывая отмеченное выше биективное соответствие разложений с перестановками, получим возможностей конструирования подстановок в этом случае. Итак, получена рекуррентная формула

, = 1, = 0 (k > 0), = 0 (n > 0),

которая вместе с приведёнными начальными условиями позволяет вычислять числа Стирлинга первого рода. Некоторые важные свойства этих чисел будут приведены ниже в разделе 4 этого параграфа.

  1. Числа Стирлинга второго рода. Число Стирлинга второго рода – это количество разбиений n-элементного множества в объединение m непересекающихся подмножеств (порядок подмножеств не учитывается). При этом по определению полагают = 1, = 0, = 0. Приведём таблицу начальных значений этих величин:

n

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

2

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

3

0

1

3

1

0

0

0

0

0

0

4

0

1

7

6

1

0

0

0

0

0

5

0

1

15

25

10

1

0

0

0

0

6

0

1

31

90

86

15

1

0

0

0

7

0

1

63

301

350

140

21

1

0

0

8

0

1

127

966

1701

1050

266

28

1

0

9

0

1

255

3025

7770

6951

2646

462

36

1

Вывести рекуррентную формулу для чисел Стирлинга второго рода несложно. Если есть какое-либо разбиение m-элементное разбиение (n+1)-эле­ме­нтного множества, то ровно одному из множеств разбиения принадлежит n + 1. Если это множество одноэлементно, то рассматриваемое разбиение получено добавлением к (m–1)-элементному разбиению n-эле­ментного множества ещё одного множества {n+1}. Так можно получить разбиение. Если же множество разбиения, содержащее n + 1, содержит более одного элемента, то рассматриваемое разбиение получено добавлением n + 1, к одному из m-элементных разбиений n-элементного множества. Таких возможностей конструирования будет m· .

В итоге получаем рекуррентную формулу

.

Она вместе с приведёнными начальными условиями позволяет вычислять числа Стирлинга первого рода. Некоторые важные свойства этих чисел будут приведены ниже в разделе 4 этого параграфа.

  1. Некоторые важные формулы-свойства рассмотренных чисел. Приведём некоторые полезные свойства биномиальных коэффициентов и чисел Стирлинга первого и второго родов. Всюду обозначение r относится к действительным числам, а n и m – к натуральным или целым. Использование действительных чисел оправдано тем, что выражения являются многочленами от r. Через m, n обозначается символ Кронекера : эта величина равна 1, если m = n, и равна 0 в противном случае.

Конечно, приведённые формулы не претендуют на полноту, их пополнение – непрерывная забота каждого математика.