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6 votos

Número de no-negativo número entero soluciones si los coeficientes de las variables no son iguales a 1

Sabemos cómo encontrar el número de no-enteros negativos número de soluciones de la ecuación de x1+x2+x3+...xr=n.Es dado por \binom{n+r-1}{r} por el método de estrellas y barras.

Pero ¿cómo encontrar el número de no-negativo número entero soluciones si los coeficientes de las variables no son iguales a 1 para todos.

Por ejemplo, yo tome una ecuación como 2x_1+3x_2+5x_3=100.Cómo encontrar el número del número entero de soluciones en este caso?

Es allí cualquier combinatoria manera?Es allí cualquier manera de usar el teorema del binomio/funciones de generación de resolver este problema?

6voto

Simon Goldeen Puntos 6663

Una generación de enfoque de función de trabajo.

El ejemplo primero y luego generalizar.

2x_1+3x_2+5x_3=100

Vamos A(z) = 1 + z^2 + z^4 + \dots + z^{2k} + \dots = \frac1{1 - z^2} B(z) = 1 + z^3 + z^6 + \dots + z^{3k} + \dots = \frac1{1 - z^3} C(z) = 1 + z^5 + z^{10} + \dots + z^{5k} + \dots = \frac1{1 - z^5}

F(z) = A(z)B(z)C(z) = \sum_{k=0}^{\infty} c_k z^k

c_n equals the number of ways the three terms can add up to n.

Note all the poles of F(z) are roots of unity.

We can choose an integration contour inside of these roots.

Using the residue theorem:

c_n = \frac1{2\pi i} \oint \frac{F(z)}{z^{n+1}} dz

Where the contour is around z = 0 and inside |z| = 1

n = 100 is too large for octave. Some math package capable of large floating point numbers would be required.

But n = 10 can be demonstrated.

octave code:

function r = F(z)   r = (1 - z.^2).*(1-z.^3).*(1-z.^5);   r = 1./r; end

 [q err] = quadgk (@(z)F(z)./z.^11, (1+1i)/4, (1+1i)/4,
 "WayPoints",[(-1+1i)/4,(-1-1i)/4,(1-1i)/4]) q/(2*pi*i)

 ans = 4.0000e+000 + 1.4765e-011i

Manually checking for n = 10

 2.5
 2.2 + 3.2
 2.1 + 3.1 + 5.1
 5.2

There are 4 answers.


Addendum

In Maxima

taylor(1/((1-z^2)*(1-z^3)*(1-z^5)),z,0,100);

184\,z^{100}+180\,z^{99}+177\,z^{98}+173\,z^{97}+170\,z^{96}+167\,z ^{95}+163\,z^{94}+160\,z^{93}+157\,z^{92}+153\,z^{91}+151\,z^{90}+ 147\,z^{89}+144\,z^{88}+141\,z^{87}+138\,z^{86}+135\,z^{85}+132\,z^{ 84}+129\,z^{83}+126\,z^{82}+123\,z^{81}+121\,z^{80}+117\,z^{79}+115 \,z^{78}+112\,z^{77}+109\,z^{76}+107\,z^{75}+104\,z^{74}+101\,z^{73} +99\,z^{72}+96\,z^{71}+94\,z^{70}+91\,z^{69}+89\,z^{68}+86\,z^{67}+ 84\,z^{66}+82\,z^{65}+79\,z^{64}+77\,z^{63}+75\,z^{62}+72\,z^{61}+71 \,z^{60}+68\,z^{59}+66\,z^{58}+64\,z^{57}+62\,z^{56}+60\,z^{55}+58\, z^{54}+56\,z^{53}+54\,z^{52}+52\,z^{51}+51\,z^{50}+48\,z^{49}+47\,z ^{48}+45\,z^{47}+43\,z^{46}+42\,z^{45}+40\,z^{44}+38\,z^{43}+37\,z^{ 42}+35\,z^{41}+34\,z^{40}+32\,z^{39}+31\,z^{38}+29\,z^{37}+28\,z^{36 }+27\,z^{35}+25\,z^{34}+24\,z^{33}+23\,z^{32}+21\,z^{31}+21\,z^{30}+ 19\,z^{29}+18\,z^{28}+17\,z^{27}+16\,z^{26}+15\,z^{25}+14\,z^{24}+13 \,z^{23}+12\,z^{22}+11\,z^{21}+11\,z^{20}+9\,z^{19}+9\,z^{18}+8\,z^{ 17}+7\,z^{16}+7\,z^{15}+6\,z^{14}+5\,z^{13}+5\,z^{12}+4\,z^{11}+4\,z ^{10}+3\,z^9+3\,z^8+2\,z^7+2\,z^6+2\,z^5+z^4+z^3+z^2+1+\cdots

I don't know exactly how maxima does the Taylor series expansion but it is fast?

It arrives at 184 ways to get a sum of 100.


Addendum 2

Alternatively expand the denominator and divide 1:

1 - z^2 -z^3 +z^7 +z^8 -z^{10} \, \, \overline{)1 \qquad \qquad \qquad \qquad }

Then find the cofficient of c_{100} z^{100}


Generalization

\sum_{k = 1}^{r} a_k x_k = n

Let

F(z) = \prod_{k=1}^{r}\frac1{1 - z^{a_k}}

c_n = \frac1{2\pi i} \oint \frac{F(z)}{z^{n+1}} dz

Where the integration contour is inside the roots of unity.

c_n is the number of ways the terms can sum to n.

Or find the Taylor series expansion of F(z) and the c_n coeficiente.

4voto

smitchell360 Puntos 36

Como se señaló en esta solución, la generación de función para el número de f(n) de soluciones a 2x_1+3x_2+5x_3=n es \frac{1}{(1-x^2)(1-x^3)(1-x^5)}.

El denominador se expande a 1-x^2-x^3+x^7+x^8-x^{10}, lo que significa que f(n) satisface la recurrencia f(n)=f(n-2)+f(n-3)-f(n-7)-f(n-8)+f(n-10). Con las condiciones iniciales f(0)=1f(n)=0n<0, y un poco de paciencia, usted ahora puede trabajar f(n) n\le100 a mano si quieres, y encontrar f(100)=184.

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