组合数学之Stirling数

2023-11-21 11:11
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本文主要是介绍组合数学之Stirling数,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

Stirling估计式

n ! ∼ 2 π n ( n e ) n n! \sim \sqrt{2 \pi n}(\frac{n}{e})^n n!2πn (en)n
作用是为了方便计算n阶乘的复杂度

Stirling Numbers

第一类Stirling数

数学模型:n个人跳集体舞,分成m个圆环的方法数目
比如ABCD四个人跳舞,组成2个圆排列的方法有多少种?
可以是{AB},{CD},也可以是{A}, {BCD},这样算下来一共11种
列举一下:
1.{AB},{CD}
2.{AC},{BD}
3.{AD},{BC}
4.{A},{BCD}
5.{A},{BDC}
6.{B},{ACD}
7.{B},{ADC}
8.{C},{ABD}
9.{C},{ADB}
10.{D},{ABC}
11.{D},{ACB}
在Stirling数中记为s(4,2)=11
现在分析s(n,m)的情况,n个人,分成m个圈,如果分成0个圈呢,不存在的,怎么能分成0个圈呢?所以 s ( n , 0 ) = 0 s(n,0)=0 s(n,0)=0
如果是1个人分成1个圈呢,自然是一种情况了,所以 s ( 1 , 1 ) = 1 s(1,1)=1 s(1,1)=1
有了初始值就可以开始求 s ( n , m ) s(n,m) s(n,m) 的表达式了,和以往相同的是,还是分类讨论的思想,不同的是,这次求的是 s ( n + 1 , m ) s(n+1,m) s(n+1,m)的表达式
假设现在n个人已经找好位置了,现在又来了第n+1个人,这个人有两种情况(前提:最终是要构成m个圈)

  • 前n个人已经构成了m-1个圈了(表达式为 s ( n , m − 1 ) s(n,m-1) s(n,m1)),那最后一个人很简单,自己构成一个圈
  • 前n个人已经构成m个圈了(表达式为 s ( n , m ) s(n,m) s(n,m)),第n+1个人来了,他不能自己构成圈了,只能插在别人旁边,于是,他就有n个位置可以插
    所以递归关系为: s ( n + 1 , m ) = s ( n , m − 1 ) + n s ( n , m ) s(n+1,m)=s(n,m-1)+ns(n,m) s(n+1,m)=s(n,m1)+ns(n,m)

第二类Stirling数

数学模型:把n个求分成k组,组内无顺序区别,一共有多少种方案?
例子:红黄蓝绿四个球,分成两组,有几种方案?注意:组内无顺序。
答案是七种方案:
{A}{BCD}
{B}{ACD}
{C}{ABD}
{D}{ABC}
{AB}{CD}
{AC}{BD}
{AD}{BC}
记为 S ( 4 , 2 ) = 7 S(4,2)=7 S(4,2)=7
对应放球模型为:n个有区别的球放到m个相同的盒子中,要求无一空盒。
列举一些初始值: S ( n , 0 ) = 0 S(n,0)=0 S(n,0)=0 S ( n , 1 ) = 1 S(n,1)=1 S(n,1)=1 S ( n , n ) = n S(n,n)=n S(n,n)=n
现在我们先尝试求一下 S ( n , 2 ) = ? S(n,2)=? S(n,2)=?
我有n个球,先取其中一个球,放到一个盒子里,现在两个盒子就有区别了,一个有球,一个没球,然后剩下n-1个球,每个球有两种选择,于是就成了 2 n − 1 2^{n-1} 2n1种方案,但是这样有可能所有球都放到一个盒子里,所以再减去这种情况,最终的方案数就是 2 n − 1 − 1 2^{n-1}-1 2n11
下面再求一下 S ( n , m ) S(n,m) S(n,m),还是分类讨论的思想
首先取一个球b1,这个球有两种情况

  • b1独占一盒,那么剩下n-1个球,m-1个盒子,方案数为 S ( n − 1 , m − 1 ) S(n-1,m-1) S(n1,m1)
  • b1不独占一盒,相当于先把剩下的n-1个球放到m个盒子里,方案数为 S ( n − 1 , m ) S(n-1,m) S(n1,m),最后把b1放到其中一个盒子里,m个盒子自然有m种情况,方案数为 m S ( n − 1 , m ) mS(n-1,m) mS(n1,m)
    所以第二类Stirling数的表达式为: S ( n , m ) = S ( n − 1 , m − 1 ) + m S ( n − 1 , m ) S(n,m)=S(n-1,m-1)+mS(n-1,m) S(n,m)=S(n1,m1)+mS(n1,m)

第二类Stirling数的通项表达式

需要母函数的基础,我是没看懂,直接放结果了
S ( n , m ) = 1 m ! ∑ h = 0 m C ( m , h ) ( − 1 ) h ( m − h ) n S(n,m)=\frac{1}{m!}\sum_{h=0}^mC(m,h)(-1)^h(m-h)^n S(n,m)=m!1h=0mC(m,h)(1)h(mh)n
推导过程:
推导过程

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http://www.chinasem.cn/article/401997

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