5 votos

Número de subconjuntos de un conjunto ordenado donde los elementos adyacentes pueden o no estar atados juntos

Supongamos que tenemos un conjunto ordenado $S$ con un número finito de elementos $S=\{1,2,3,\ldots,N\}$. Necesito saber el número de subconjuntos donde los elementos adyacentes de la serie original puede ser atados juntos como una sola "unidad" que se muestra con un "-" entre ellos o elementos separados que se muestra como "," como normalmente en un subconjunto.

Por ejemplo, con 2 elementos, si $S=\{1,2\}$ este número es 5, donde el 5 subconjuntos son: $\{\},\{1\},\{2\},\{1,2\}$$\{1-2\}$.

Y con 3 elementos, si $S=\{1,2,3\}$ hay 13 subconjuntos de este tipo: $\{\}, \{1\}, \{2\}, \{3\}, \{1,2\}, \{1-2\}, \{1,3\}, \{2,3\}, \{2-3\}, \{1,2,3\}, \{1-2,3\}, \{1,2-3\}$$\{1-2-3\}$.

Con 4 elementos que me han contado este número 34. ¿Cuál es este número, en el caso general de $N$ elementos, donde $S=\{1,2,3,\ldots,N\}$ y una fórmula dada?

3voto

Hagen von Eitzen Puntos 171160

Deje $a_n$ el número de estos listados para determinado $n$. A continuación, $a_n$ se obtiene como la suma de esos listados no termina en $n$ (hay $a_{n-1}$ de estos), los que terminan en "$,n$" (hay $a_{n-1}$ de estos), y los anding en "${-}n$" (hay $a_{n-1}-a_{n-2}$ de estos). Por lo tanto, tenemos la recursividad $$a_n=3a_{n-1}-a_{n-2}. $$ La solución general a este es $$a_n=\alpha_1 \lambda_1^n+\alpha_2\lambda_2^n $$ donde $\lambda_{1,2}$ son las raíces de $x^2-3x+1=0$. Por lo $\lambda_{1,2}=\frac{3\pm\sqrt{5}}{2}$. Determinamos $\alpha_{1,2}$, de modo que el resultado coincide con $a_0=1$, $a_1=2$. Esto conduce a $\alpha_{1,2}=\frac{5\pm\sqrt 5}{10}$, de modo que $$ a_n=\frac{5+\sqrt 5}{10}\cdot\left(\frac{3+\sqrt{5}}{2}\right)^n+\frac{5-\sqrt 5}{10}\cdot\left(\frac{3-\sqrt{5}}{2}\right)^n.$$ Como el segundo sumando es siempre entre el$0$$1$, bien podríamos decir $$ a_n=\left\lceil\frac{5+\sqrt 5}{10}\cdot\left(\frac{3+\sqrt{5}}{2}\right)^n\right\rceil.$$


Observación. En particular, el formualas arriba conducen a $a_4=34$, no $30$. De hecho, aquí la lista: $$\begin{matrix}\{\}& \{1\}& \{2\}& \{1,2\}& \{1-2\}\\ \{3\}& \{1,3\}& \{2,3\}& \{2-3\}& \{1,2,3\}\\ \{1-2,3\}& \{1,2-3\}& \{1-2-3\}& \{4\}& \{1,4\}\\ \{2,4\}& \{1,2,4\}& \{1-2,4\}& \{3,4\}& \{3-4\}\\ \{1,3,4\}& \{1,3-4\}& \{2,3,4\}& \{2-3,4\}& \{2,3-4\}\\ \{2-3-4\}& \{1,2,3,4\}& \{1-2,3,4\}& \{1,2-3,4\}& \{1-2-3,4\}\\ \{1,2,3-4\}& \{1-2,3-4\}& \{1,2-3-4\}& \{1-2-3-4\}& \end{de la matriz}$$

2voto

Marko Riedel Puntos 19255

Aquí es una solución de uso muy básico de generación de funciones. Vamos a calcular la generación de la función de estos subconjuntos con adyacencias marcado e incluyen la mayoría de la aritmética.

Primero elige el primer elemento:

$$\frac{z}{1-z}.$$

A continuación, seleccione las diferencias entre los elementos posteriores, teniendo cuidado de marca los elementos adyacentes con una diferencia de valor:

$$\sum_{q\ge 0} \left(uz + \frac{z^2}{1-z}\right)^q.$$

Finalmente observar que todos los subconjuntos último elemento menor o igual a $n$ contribuir a la cuenta de $n$, lo que da un factor de

$$\frac{1}{1-z}.$$

Esto produce la generación de la función

$$G(z, u) = \frac{1}{1-z} \frac{z}{1-z} \frac{1}{1-(uz(1-z)+z^2)/(1-z)} \\ = \frac{z}{1-z} \frac{1}{1-z-(uz-uz^2+z^2)} \\ = \frac{z}{1-z} \frac{1}{1-(1+u)z-(1-u)z^2}.$$

Como una comprobación de validez que hemos

$$G(z, 1) = \frac{z}{1-z} \frac{1}{1-2z} = -\frac{1}{1-z} + \frac{1}{1-2z}$$

así, obtenemos

$$[z^n] G(z, 1) = -1 + 2^n$$

subconjuntos sin marcas, que es la respuesta correcta ya que hemos no se incluye el conjunto vacío en la construcción.

Ahora potencialmente atado conjuntos tenemos que un símbolo entre valores adyacentes puede ser una coma o un guión, así que nos pusimos $u=2$, al pasar

$$G(z, 2) = \frac{z}{1-z}\frac{1}{1-3z+z^2}.$$

Con $$\rho_{1,2} = \frac{3}{2}\pm \frac{\sqrt{5}}{2}$$

esto se convierte en

$$-\frac{z}{z-1}\frac{1}{(z-\rho_1)(z-\rho_2)}.$$

El uso parcial de fracciones de residuos obtenemos

$$\frac{1}{z-1} - \frac{1}{z\rho_1} \frac{\rho_1}{(\rho_1-1)(\rho_1-\rho_2)} - \frac{1}{z\rho_2} \frac{\rho_2}{(\rho_2-1)(\rho_2-\rho_1)} \\ = -\frac{1}{1-z} + \frac{1}{1-z/\rho_1} \frac{1}{(\rho_1-1)(\rho_1-\rho_2)} + \frac{1}{1-z/\rho_2} \frac{1}{(\rho_2-1)(\rho_2-\rho_1)} $$

La extracción de los coeficientes de esto podemos obtener

$$[z^n] G(z, 2) = -1 + \rho_1^{-n} \frac{1}{(\rho_1-1)\sqrt{5}} - \rho_2^{-n} \frac{1}{(\rho_2-1)\sqrt{5}}.$$

Podemos agregar aquí ya que esto representa el conjunto vacío. Una mayor simplificación de los rendimientos ($\rho_1\rho_2 = 1$)

$$\rho_2^n \frac{1}{(\rho_1-1)\sqrt{5}} - \rho_1^n \frac{1}{(\rho_2-1)\sqrt{5}}.$$

Finalmente $$\frac{1}{(\rho_{1,2}-1)\sqrt{5}} = \frac{1}{(1/2\pm \sqrt{5}/2)\sqrt{5}} = \frac{1}{\sqrt{5}/2\pm 5/2} \\ = \frac{\sqrt{5}/2\mp 5/2}{5/4-25/4} = \frac{\pm 5/2 - \sqrt{5}/2}{20/4} = \pm \frac{1}{2} - \frac{\sqrt{5}}{10}.$$

De este modo, obtener

$$\rho_2^n \left(\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{5}}{10} \right) + \rho_1^n \left(\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{5}}{10} \right) \\ = \left(\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{5}}{10} \right) \left(\frac{3}{2} + \frac{\sqrt{5}}{2}\right)^n + \left(\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{5}}{10} \right) \left(\frac{3}{2} - \frac{\sqrt{5}}{2}\right)^n.$$

Esto da lugar a la secuencia (a partir de índice uno)

$$1, 2, 5, 13, 34, 89, 233, 610, 1597, 4181, 10946, \ldots$$

que por cierto es OEIS A001519.

0voto

DiGi Puntos 1925

He aquí una forma ligeramente diferente de abordar el problema.

Deje $\mathscr{A}$ ser parte de la familia de tales subconjuntos' de $[n]$ (donde $[0]$ se entiende por vacío), y deje $a_n=|\mathscr{A}_n|$. Claramente $a_0=1$$a_1=2$. Supongamos que $n\ge 2$; $\mathscr{A}_n$ ha $a_{n-1}$ de los miembros que no contengan $n$, por lo que nos gustaría saber cuántos de los miembros de $\mathscr{A}_n$ contienen $n$. Esto sugiere dejando $\mathscr{B}_n$ ser el conjunto de los miembros de $\mathscr{A}_n$ que contengan $n$ y dejando $b_n=|\mathscr{B}_n|$; claramente $b_0=0$$b_1=1$, e $a_n=a_{n-1}+b_n$$n\ge 2$.

Cada uno de los miembros de $\mathscr{B}_n$ que $n$ está ligado a $n-1$ puede obtenerse únicamente mediante la anexión de un atado $n$ a un miembro de $\mathscr{B}_{n-1}$. Cada miembro restante de $\mathscr{B}_n$ puede ser obtenida únicamente añadiendo una desatada $n$ a un miembro de $\mathscr{A}_{n-1}$. Por lo tanto, $b_n=b_{n-1}+a_{n-1}$.

Calcular unos valores de$a_n$$b_n$:

$$\begin{array}{rcc} n:&0&1&2&3&4&5\\ \hline b_n:&0&1&3&8&21&55\\ a_n:&1&2&5&13&34&89 \end{array}$$

Estos números son instantáneamente reconocibles como los números de Fibonacci. Por otra parte, si las ordenamos en el orden en que son, naturalmente, calculado a partir de las recurrencias

$$\left\{\begin{align*} b_n&=b_{n-1}+a_{n-1}\\ a_n&=a_{n-1}+b_n\;, \end{align*}\right.$$

tenemos el ordinario de la secuencia de Fibonacci:

$$\begin{array}{ccc} b_0&a_0&b_1&a_1&b_2&a_2&b_3&a_3&b_4&a_4&b_5&a_5\\ 0&1&1&2&3&5&8&13&21&34&55&89\\ F_0&F_1&F_2&F_3&F_4&F_5&F_6&F_7&F_8&F_9&F_{10}&F_{11} \end{array}$$

La obvia conjetura en este punto es que, en general,$b_n=F_{2n}$$a_n=F_{2n+1}$. Esto se comprueba fácilmente: las recurrencias convertido en

$$\left\{\begin{align*} F_{2n}&=F_{2n-2}+F_{2n-1}\\ F_{2n+1}&=F_{2n-1}+F_{2n}\;, \end{align*}\right.$$

que reducir el único familiar de Fibonacci de la recurrencia de la $F_n=F_{n-1}+F_{n-2}$, y los valores iniciales $F_0=b_0$ $F_1=a_0$ son correctos.

El problema se reduce ahora a resultados estándar acerca de la secuencia de Fibonacci. En particular, si $\varphi=\frac12\left(1+\sqrt5\right)$, es bien conocido que el $F_n$ es el entero más cercano a $\frac{\varphi^n}{\sqrt5}$, lo $a_n$ es el entero más cercano a $\frac{\varphi^{2n+1}}{\sqrt5}$. Equivalentemente,

$$a_n=\left\lfloor\frac{\varphi^{2n+1}}{\sqrt5}+\frac12\right\rfloor\;.$$

Hagen von Eitzen's la forma cerrada es fácilmente derivados de este y la observación de que

$$\varphi^2=\frac{3+\sqrt5}2\;.$$

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