关于两个组合恒等式的双射证明

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  摘 要: 本文首先总结归纳了高中阶段数学学习的排列数与组合数,并以双射证明的角度诠释了两个组合恒等式.
  关键词: 双射证明 排列数 组合数
  一、引言
  计数组合学是计算有限集合S中元素个数的学科.既然任何数学问题本质上都可以归结为计数问题,那么上述定义本身并未包含很多该学科的信息.对于真正的计数问题中的元素通常具有相当简单的组合学定义,而且几乎没有什么附加条件.S往往很大,我们考虑的基本问题是计数(或估计)S的元素的个数,而非其他问题,如寻找某个特殊元素.
  二、乘法原理与加法原理
  加法原理:设事件A有m种产生方式,事件B有n种处理方式,当A与B产生的方式不重叠时,“事件A或B”有m n种产生方式。
  乘法原理:设事件A有m种产生方式,事件B有n种处理方式,当A与B相互独立时,“事件A与B”有mn种产生方式。
  三、定义与两个组合恒等式
  定义1:设S是n个元素的集合,从S中有序地选出r个元素组成的组合结构称为一个r-排列,全部r-排列个数记作P(n,r);特别地,当n=r时,选出的元素组成集合S的一个全排列,总数记作P(n,n).
  下面我们用乘法原理计算P(n,r).
  在选出的r-排列中第一个位置共有n种可能;第二个位置只能从剩下的n-1个元素中选一个放置,从而有n-1种可能;第三个位置只有n-2种可能;依次类推,最后一个位置只有n-r 1种可能,由乘法原理可知,P(n,r)=n(n-1)(n-2)…(n-r 1).
  进而可算出,当n=r时,S的全排列个数为P(n,n)=n!.
  定义2:设S是n个元素的集合,从S中无序地选出r个元素组成的组合結构称为r-组合,全部r-组合的个数记作C(n,r).
  下面我们用双射证明方法计算C(n,r).
  所谓双射证明,也可称为组合证明,就是为了证明某个集合S的元素个数为m而构造S与另一个我们已知有m个元素的集合之间的一一对应。
  我们用两种方法计数相同的组合结构:集合S的r-排列。
  方法一:直接从集合S中有序地选出r个元素,显然得到的是集合S的r-排列,个数为P(n,r)=n(n-1)(n-2)…(n-r 1).
  四、结语
  在组合数学中,组合恒等式非常多,有一些组合恒等式不仅可以用定义去证明,还可以应用如生成函数、数学归纳法等方法进行证明,它们的组合证明是很清楚的,但是存在大量组合恒等式还没有找到组合证明的方法,有待我们进一步探索和研究.
  参考文献:
  [1]Richard Stanley.Enumerative Combinatorics(I).Cambridge Press,1997.
  [2]曲婉玲,耿素云,张立昂.离散数学[M].高等教育出版社,2008(第一版).
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