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05 计数的数(第5页)

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我们可以取集合的前n-1个元素,并将其分成r-1个非空块,共有S(n-1,r-1)种方法,最后一个元素将构成第r个块。

或者,我们可以将集合的前n-1个元素分成r个非空块,这有S(n-1,r)种方法,接下来再决定将最后一个元素放进r个块的哪一个,这就需要用r乘以目前的方法数。

因此有

S(n,r)=S(n-1,r-1)+rS(n-1,r),

(n=2,3,…)

用这个递归公式,我们就可以基于上一行计算每一行斯特林三角形的值。

如,设n=7和r=5,我们得到:

S(7,5)=S(6,4)+5S(6,5)=65+5×15

=65+75=140。

可以用定义直接计算S(n,2)和S(n,n-1)。

将一个n元素集合分割成两个子集,这一过程可以由一个长度为n的二进制字符串来描述,其中1表示相应位置的元素在第一个子集中,而0则表示该元素属于第二个子集(类似于我们证明n元素集合的子集个数是2n)。

于是,有2n个这样的有序子集对。

但是因为分割与块的次序无关,我们将这个数目除以2,便可得到将n元素集合分成两个子集的方法个数,即2n-1。

最后,还需要从中减掉1,去除掉其中一个子集为空的情况。

因此,S(n,2)=2n-1-1。

对照图5,你可以检查看看,这个公式给出了右上到左下方向第二对角线上的数,即1,3,7,15,31,63,…。

算术三角形中任意一行的和给出了对应2的幂次——一个集合的子集数量。

类似地,斯特林三角形的第n行的和给出的是将n个物体分成任意个数子块的方法总数,这被称作第n个贝尔数(Bellnumber)。

分拆数

如果待分割集合中的n个物体是一模一样、无法区分开的,将整个集合分拆为子块的方法数就变得小得多了。

这称为第n个分拆数[8](partitionnumber)。

每一个特定的分拆对应将n写成一些不考虑次序的正整数的和。

例如,1+1+1+1+1是5的一个分拆,还有6种其他分拆。

因为我们还可以将5表示成1+1+1+2,1+2+2,1+1+3,2+3,1+4,或直接就是5。

因此第5个分拆数为7(对比第5个贝尔数,后者可由斯特林三角形计算,即1+15+25+10+1=52)。

没有简单的精确公式可以计算第n个分拆数,但有一个复杂的公式。

该公式基于印度天才数学家斯里尼瓦瑟·拉马努金(SrinivasaRamanujan,1887——1920)给出的一个优美近似。

分拆具有一种简单的对称性,那就是将n分拆为m个数的方案数等于将n分拆后所得数中最大值恰为m的方法个数。

要想看到这一结论的正确性,一种方法是通过分拆的费勒斯图像(Ferrar'sgraph)——或称杨表[9](Youngdiagram)。

这个图表并不神秘,无非是将分拆表示成元素逐行减少的点阵。

在图6的例子中,我们把17拆分为5+4+4+2+1+1,注意到其从左向右各列也以降序排布。

如果我们绕着左上到右下的对角线翻转整个点阵,我们就得到图示的第二个费勒斯图像,这个图像可以阐释为分拆17=6+4+3+3+1。

对第二个图像做同样的翻转,又会回到第一个图像。

我们称这两种分拆互为共轭(dual)。

这一对称性表明两种类型的分拆方案数是相等的:一种是m为结果中最大的数的分拆(即顶端行有m个点),它的共轭是一个有m行的分拆,即拆分为m个数。

例如,将17拆分为6个数的方案数,等于将17拆分使得最大数为6的方案数。

图6共轭分拆,17=5+4+4+2+1+1=6+4+3+3+1

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