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05 计数的数(第2页)

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比如10!=3628800。

阶乘由感叹号来代表,恰恰提醒着我们那令人惊叹的增长速度!

在关于计数的问题——或称为枚举问题中,最特殊的一类数便是二项式系数(bi)。

之所以叫这个名字,是因为它们是将二项式(1+x)n展开后x的各阶幂次前的系数。

二项式系数,r)代表了我们从n个元素中挑选出r个元素一共有多少种不同的方法。

例如,C(4,2)=6,因为从4个元素中取一对有6种方法(不在乎这两者的次序)。

再具体些,假设我们有4位儿童A,B,C和D,那么有6种方法从中选出1对:AB,AC,AD,BC,BD和CD。

这个用阶乘计算二项式系数的公式确实提供了一种简便的代数方法,使我们能够证明这些系数的许多特殊性质。

然而,如果我们用第二种方法来导出这些整数,这些性质的演化会更清楚。

这种方法基于算术三角形[3](arithmetigle)(如图2),又称为帕斯卡三角形(Pascal&#le),以纪念17世纪法国数学家和哲学家布莱士·帕斯卡(BlaisePascal,1623——1662)。

算术三角形在过去的1000年里被波斯、印度和中国数学家各自发现。

它出现在1303年朱世杰[4]所著《四元玉鉴》的封面上。

图2算术三角形

算术三角形的结构能够给出正确的答案,这一点不难理解。

每一行都由上一行所产生。

我们可以轻松看出前三行是正确的:例如,第三行中央的2告诉我们从一对人当中选出一位总共有两种方法。

顶端的1表明从空集中选出0个元素就只有一种方法。

实际上,从任意集合中选出0个元素的方法都是一种,这就是为什么每行都从1开始。

我们重点看刚才的例子——共有21=15+6种方法从7人中选出5人。

这21种选法自然地分成两类。

第一类,有15种方法从前6人中选出4人,我们可以再加上第七位凑成5人组。

或者如果我们不选第七位,则要从前6人中一次选出5人,共有6种方法。

这个例子告诉我们一行是如何生成下一行的:每个元素都是上面两数之和,按照这一模式从上到下建立起整个三角形。

这个规则可用符号表示成以下形式:

-1,r)+-1,r-1)。

算术三角形蕴含着丰富的规律。

比如:将每行的数分别相加可以得到倍增数列1,2,4,8,16,32,…,即2的各次幂。

以1,8,28,56,…这行为例,我们是在将从8个元素中选出0个、1个、2个、3个……元素的方法个数相加,最后得到的是从8个元素中一次选取任意个数的元素共有多少种方法。

这一数字为28,因为一般一个有n个元素的集合拥有2)。

上面这一事实也可以直接推出,原因是一个n个元素集合的任意一个子集可以使用长度为n的二进制字符串来识别。

方法如下:我们考虑一个集合,比如{a1,a2,…,an},则一个长度为n的二进制字符串定义了它的一个子集,因为字符串中的每个1表示相应的元素ai存在于我们的子集中。

例如,假设n=4,字符串0111和0000分别代表{a2,a3,a4}和空集。

由于二进制字符串的每个位置都有两种取值选择,因此共有2n个这样的字符串,一个n元素集合便含有2n个子集。

卡特兰数

这种数有种最简单的图形表达,是用n段上斜线段和n段下斜线段能画出多少组不同的“山脉”

(如图3)。

图3用3段上斜线段和3段下斜线段,共有5种山脉形态

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