组合恒等式
1. 生成函数
在介绍组合恒等式之前,我们先介绍一些数学工具。
定义 一般地,我们称幂级数
f(x)=n=0∑∞anxn=a0+a1x+⋯+anxn+⋯
为数列 a0,a1,⋯,an,⋯ 的 生成函数,又称为 母函数。
当且仅当 an=bn(n∈N) 时,有
n=0∑∞anxn=n=0∑∞bnxn
生成函数常常用于解决组合问题。
2. 常见的组合性质
对于下面的 n⩾0,且各组合数满足定义约束。
- Cnr=Cnn−r
证明
基本性质之一
Cnr=r!(n−r)!n!=(n−r)!(n−(n−r))!n!=Cnn−r
- Cn+1r+1=Cnr+1+Cnr
证明
基本性质之一
Cn+1r+1=(r+1)!(n−r)!(n+1)!=(r+1)!(n−r−1)!(n−r)n!(n+1)=Cnr+1⋅n−rn+1=Cnr+1+Cnr+1⋅n−rr+1=Cnr+1+r!(n−r)!n!=Cnr+1+Cnr
- rCnr=nCn−1r−1
证明
rCnr=r!(n−r)!r⋅n!=(r−1)!(n−r)!n⋅(n−1)!=nCn−1r−1
- Cn0+Cn1+⋯+Cnn=2n
证明
根据二项式定理,有
(1+1)n=Cn0+Cn1+⋯+Cnn=2n
- Cn0−Cn1+Cn2−Cn3+⋯+(−1)nCnn=0
证明
根据二项式定理,有
(1−1)n=Cn0−Cn1+Cn2−Cn3+⋯+(−1)nCnn=0
- 1Cn1+2Cn2+3Cn3+⋯+nCnn=n⋅2n−1
证明
LHS=k=1∑nkk!(n−k)!n!=k=1∑nn(k−1)!(n−k)!(n−1)!=nk=1∑nCn−1k−1=n⋅2n−1
- CnrCrm=CnmCn−mr−m=Cnr−mCn−r+mm(m⩽r⩽n)
证明
LHS=r!(n−r)!n!⋅m!(r−m)!r!=m!(n−m)!n!⋅(n−r)!(r−m)!(n−m)!=CnmCn−mr−m
LHS=r!(n−r)!n!⋅m!(r−m)!r!=(r−m)!(n−r+m)!n!⋅m!(n−r)!(n−r+m)!=Cnr−mCn−r+mm
- Crr+Cr+1r+⋯+Cr+kr=Cr+k+1r+1
证明
每两项拆开可以和下一项合并:
LHS=(Cr+1r+1+Cr+1r)+Cr+2r+⋯+Cr+kr=Cr+2r+1+Cr+2r+⋯+Cr+kr⋯=Cr+k+1r+1
常用结论
Cn+mk=Cm0Cnk+Cm1Cnk−1+⋯+CmkCn0
当 m=k=n 时,等式化为
C2nn=Cn0Cnn+Cn1Cnn−1+⋯+CnnCn0=(Cn0)2+(Cn1)2+⋯+(Cnn)2
附录:组合的有趣性质
斐波那契数和组合数
记斐波那契数列的第 n 项为 F(n),那么
F(n+1)=Cn0+Cn−11+⋯+C⌈n/2⌉⌊n/2⌋=i=0∑⌊n/2⌋Cn−ii
关于斐波那契数列的有关性质,阅读 斐波那契数列。
n 维空间和组合数
n 维空间(n⩾1,n∈N∗)有 k 个超平面,则最多将 n 维空间分为多少块?
可以举几个例子,这里不证明(数学归纳法可证明 2、3 结论):
- 例如 n 个点最多将直线分为 1+n=Cn0+Cn1 份(一维空间)
- 例如 n 条直线最多将平面分为 Cn0+Cn1+Cn2 份(二维空间)
- 例如 n 个平面最多将空间分为 Cn0+Cn1+Cn2+Cn3 份(三维空间)
于是我们可以猜测,n 维空间最多被分割为 N 块,其中
N=i=0∑nCki