スターリング数の組み合わせ解釈

スターリング数の組み合わせ解釈
スターリング数は組み合わせ解釈をすることができる。

(1)第1種スターリング数

第1種スターリング数S1(n,k)の絶対値は区別の出来るn個の玉を区別の出来ないk個の箱に巡回列として空箱なしで入れる場合の数に等しい。

(2)第2種スターリング数

第2種スターリング数S2(n,k)は区別の出来るn個の玉を区別の出来ないk個の箱に空箱なしで入れる場合の数に等しい。
n人をk個の空グループなしの名前なしグループ分けするときの総数は第2種スターリング数となります。

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S1(4,2)の例
{a,b,c,d}を2つの区別の出来ない箱に入れ巡回列に空箱なしで分けるには、
{(a),(b,c,d)}
{(a),(b,d,c)}
{(b),(a,c,d)}
{(b),(a,d,c)}
{(c),(a,b,d)}
{(c),(a,d,b)}
{(d),(a,b,c)}
{(d),(a,c,b)}
{(a,b),(c,d)}
{(a,c),(b,d)}
{(a,d),(b,c)}
の11通りとなる。巡回列なので(a,b,c)(b,c,a)は同じとなる。
これより、|S!(4,2)|=11となる。

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S2(4,2)の例
{a,b,c,d}を2つの区別出来ない箱に空箱なしで分けるには、
{{a},{b,c,d}}
{{b},{a,c,d}}
{{c},{a,b,d}}
{{d},{a,b,c}}
{{a,b},{c,d}}
{{a,c},{b,d}}
{{a,d},{b,c}}
の7通りとなる。
これより、S2(4,2)=7となる。

(1)

求める場合の数をA1(n,k)とする。
n1個の玉の場合の数から玉を1つ追加してn個での場合の数A1(n,k)を求める。
方法1は、n1個の玉をk1個の巡回列に分けて、k個目の巡回列にn番目の玉を1つだけ入れる方法で、場合の数はA1(n1,k1)となる。
方法2は、n1個の玉をk個の巡回列に分けて、n番目の玉を既に出来ているk個の巡回列に追加する方法である。
このときn1個の玉の中から1つ選びその玉の後に巡回列として追加すればいいので場合の数は(n1)A1(n1,k)となる。
玉を1つ追加するには新しい箱を追加するか、既に出来ている箱に追加するしかないのでこの方法1と方法2で全てとなる。
従って漸化式は、
A1(n,k)=A1(n1,k1)+(n1)A1(n1,k) となるので、A1(n,k)=(1)n+kB1(n,k)とおき、両辺を(1)n+kで割ると、
B1(n,k)=B1(n1,k1)(n1)B1(n1,k) となり、B1(n,k)は第1種スターリング数と同じ形になる。
また、1つ以上の玉を0個の箱に入れ巡回列を作るのは不可能なので0通りとなり、0個の玉を0個の箱に入れ巡回列を作る場合の数は何もしない1通りしかないので、まとめるとA1(0,k)=δ0,kとなり、これも第1種スターリング数と同じになる。
故に初期値と漸化式が第1種スターリング数と等しいので、B1(n,k)=S1(n,k)となり題意は成り立つ。

(2)

求める場合の数をA2(n,k)とする。
n1個の玉の場合の数から玉を1つ追加してn個での場合の数A2(n,k)を求める。
方法1は、n1個の玉をk1個の箱に空箱なしで分けて、k個目の箱にn番目の玉を1つだけ入れる方法で、場合の数はA2(n1,k1)となる。
方法2は、n1個の玉をk個の箱に空箱なしで分けて、n番目の玉を既に出来ているk個の箱に追加する方法である。
このとき、k個の中から1つ選べばいいので場合の数はkA2(n,k)となる。
玉を1つ追加するには新しい箱を追加するか、既に出来ている箱に追加するしかないのでこの方法1と方法2で全てとなる。
従って漸化式は、
A2(n,k)=A2(n1,k1)+kA2(n1,k) となり、第2種スターリング数と同じ形になる。
また、1つ以上の玉を0個の箱に入れ巡回列を作るのは不可能なので0通りとなり、0個の玉を0個の箱に入れる場合の数は何もしない1通りしかないので、まとめるとA1(0,k)=δ0,kとなり、これも第2種スターリング数と同じになる。
故に初期値と漸化式が第2種スターリング数と等しいので、A2(n,k)=S2(n,k)となり題意は成り立つ。
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タイトル
スターリング数の組み合わせ解釈
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