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¿Por qué la trenza de números de la forma $Q_h^2$ o $2 \times Q_h^2$?

Considere dos pilas de $h$ cartas de juego de cada uno, todas diferentes. Repetidamente tomar una de las tarjetas en la parte superior de uno de estos dos pilas y moverlo en la parte superior de una de las dos nuevas pilas, hasta que dos de los nuevos pilotes son de la altura de la $h$.

Cómo muchas diferentes configuraciones, se puede terminar con? Hice un poco de informática y encontrar los valores en la tabla de abajo. Me di cuenta de que el número de configuraciones posibles que parece ser una plaza o dos veces al cuadrado, dependiendo de la $h$ modulo $2$. No veo por qué sin embargo, y no he sido capaz de detectar un patrón en el $Q_h$ valores.

$$\begin{array}{lrr} h & {\frak B}((h,h)\rightarrow(h,h)) & 2^{h \pmod{2}} \times Q_h^2\\ 0 & 1 & 1^2\\ 1 & 2 & 2 \times 1^2\\ 2 & 16 & 4^2\\ 3 & 128 & 2 \times 8^2\\ 4 & 1,\!156 & 34^2\\ 5 & 10,\!952 & 2 \times 74^2\\ 6 & 107,\!584 & 328^2\\ 7 & 1,\!083,\!392 & 2 \times 736^2\\ 8 & 11,\!115,\!556 & 3,\!334^2\\ 9 & 115,\!702,\!472 & 2 \times 7,\!606^2\\ 10 & 1,\!218,\!289,\!216 & 34,\!904^2\\ 11 & 12,\!948,\!910,\!592 & 2 \times 80,\!464^2\\ 12 & 138,\!708,\!574,\!096 & 372,\!436^2\\ 13 & 1,\!495,\!661,\!223,\!968 & 2 \times 864,\!772^2\\ 14 & 16,\!218,\!468,\!710,\!656 & 4,\!027,\!216^2\\ 15 & 176,\!727,\!219,\!273,\!728 & 2 \times 9,\!400,\!192^2\\ 16 & 1,\!933,\!956,\!651,\!447,\!076 & 43,\!976,\!774^2\\ 17 & 21,\!243,\!204,\!576,\!601,\!928 & 2 \times 103,\!061,\!158^2\\ 18 & 234,\!121,\!111,\!199,\!439,\!424 & 483,\!860,\!632^2\\ 19 & 2,\!587,\!943,\!032,\!046,\!002,\!688 & 2 \times 1,\!137,\!528,\!688^2\\ \end{array}$$

¿Alguien tiene una idea? La mayoría de la gente a quien le he pedido a dar el problema de que algunos pensaban, han respondido a $\sum_{i=0}^h\binom{h}{i}^4$ en un reflejo, pero esto es sólo un límite superior.

(Como una nota de lado, si se considera el caso donde ir de $k$ montones de altura $2$ $k$nuevas pilas de altura $2$, he encontrado la fórmula $\frac{3k-2}{4k-2}(2k)!$. Lindo, pero aparentemente totalmente diferente.)

5voto

mjqxxxx Puntos 22955

He analizado la trenza números de ${\frak{B}}((i,j)\rightarrow(k,l))$; como se describe a continuación, el cálculo, se puede hacer mediante la enumeración de una clase de celosía paseos.

Básicos de la formulación de

Deje $T_{a}^{b}$ es la operación de traslado de una tarjeta de la fuente de la pila de $a$ a destino montón $b$ donde $a,b=1,2$. Legal "juego" del tipo que contribuyen a ${\frak{B}}((h,h)\rightarrow(h,h))$ se compone de una secuencia de $2h$ operaciones, exactamente $h$ de los cuales tienen subíndice $1$ (tomar una tarjeta de la fuente de la pila de $1$), y exactamente $h$ de los que han superíndice $1$ (poner una tarjeta en el destino de la pila de $1$). Ya que podemos elegir los subíndices y superíndices de forma independiente, el número total de juegos de es ${{2h}\choose{h}}^2$. Más generalmente, los juegos que contribuyen a ${\frak{B}}((i,n-i)\rightarrow(j,n-j))$ ha $n$ operaciones, de los cuales, $i$ tiene subíndice $1$ $j$ han superíndice $1$; estos juegos de número de ${{n}\choose{i}}{{n}\choose{j}}$.

Sin embargo, no todos los juegos llevan a diferentes configuraciones. En particular, las operaciones de $T_{1}^{1}$ $T_{2}^{2}$ conmutar: cuando se presentan uno al lado del otro, la configuración final no es cambiado por el intercambio de su orden. Cuando se enumeran las configuraciones posibles, necesitamos contar cada conjunto de equivalente juegos de una sola vez. Podemos, por tanto, restringir nuestra enumeración de juegos donde cada cadena de $T_{1}^{1}$'s y $T_{2}^{2}$s'es de la forma $(T_{1}^{1})^a (T_{2}^{2})^b$; es decir, $T_2^{2}T_1^{1}$ está prohibido. Del mismo modo, las operaciones de $T_{1}^{2}$ $T_{2}^{1}$ también viajan, y así vamos a prohibir $T_2^{1}T_1^{2}$. No es difícil ver que ningún otro par de operaciones de desplazamientos. De esta manera, se llega a un conjunto restringido de juegos con un uno-a-uno para la asignación de configuraciones finales.

Celosía paseos

El recuento de las restricciones para ${\frak{B}}((i,n-i)\rightarrow(j,n-j))$ son los siguientes: $$ \begin{eqnarray} \#(T_1^{1})+\#(T_1^{2})&=&i \\ \#(T_2^{1})+\#(T_2^{2})&=&n-i \\ \#(T_1^{1})+\#(T_2^{1})&=&j \\ \#(T_1^{2})+\#(T_2^{2})&=&n-j. \end{eqnarray} $$ Un poco de álgebra se muestra que esto es equivalente a $$ \begin{eqnarray} \#(T_1^{1})-\#(T_2^{2})&=&(i+j)-n \\ \#(T_1^{2})-\#(T_2^{1})&=&i-j \\ \sum_{a,b}\#(T_a^{b})&=&n. \end{eqnarray} $$ Si podemos identificar las operaciones con los movimientos en $\mathbb{Z}^2$ (es decir, $T_1^{1}/T_2^{2}$ son de este a oeste se mueve, y $T_1^{2}/T_2^{1}$ son de norte a sur), vemos que hay un isomorfismo entre los juegos y los paseos en $\mathbb{Z}^2$: los juegos que contribuyen a ${\frak{B}}((i,n-i)\rightarrow(j,n-j))$ corresponden a los paseos de $(0,0)$ $((i+j)-n,i-j)$exactamente $n$ pasos. En particular, el simétrico de los números en la pregunta (donde$i=j=h$$n=2h$) corresponden a cerrado paseos. Lo que es más importante, el de los juegos restringidos corresponden a restringido paseos en $\mathbb{Z}^2$: los paseos son aquellos en los que de oeste a este y de sur a norte en zigzag no ocurrir nunca. Podemos evaluar la trenza números contando estos restringido cerrado paseos.

El recuento de celosía paseos

Vamos a denotar el número de paseos a$x\in\mathbb{Z}^2$$n$$G_{n}(x)$, y el número restringido de paseos por $H_{n}(x)$. Cada una de las $n$-paso pie es de acceso restringido a pie ya, o bien toma su primer prohibido en zigzag en $x'$ $m \le n-2$ pasos, después de lo cual se tiene que cubrir el resto de desplazamiento $x-x'$ $n-m-2$ pasos. Es decir, $$ G_{n}(x) = H_{n}(x) + 2\sum_{m=0}^{n-2}\sum_{x\in\mathbb{Z}^2}H_{m}(x')G_{n-m-2}(x-x'), $$ donde el factor de $2$ cuentas para los dos tipos de prohibido en zigzag. Con el fin de resolver esto por $H$, se introduce el de Fourier transformada de generación de función $$\tilde{G}(k,z)\equiv\sum_{x\in\mathbb{Z}^2}\sum_{n}z^n\exp(ik\cdot x)G_{n}(x),$$ and similarly $\tilde{H}(k,z)$. Nos encontramos con que $\tilde{G}(k,z)=\tilde{H}(k,z) + 2 z^2 \tilde{H}(k,z) \tilde{G}(k,z)$, o $$ \tilde{H}(k,z) = \frac{\tilde{G}(k,z)}{1 + 2z^2 \tilde{G}(k,z)} = \frac{1}{1 - 2(\cos k_x + \cos k_y)z + 2z^2}, $$ donde estoy omitiendo la prueba de que $\tilde{G}^{-1}=1-2(\cos k_x+\cos k_y)z$. La expansión de la fracción, se han $$ \begin{eqnarray} \tilde{H}(k,z) &=& \sum_{n}(2z)^n\left(\cos k_x + \cos k_y - z\right)^n \\ &=& \sum_{n}(2z)^{n}\sum_{i=0}^{n}{{n}\choose{i}}\left(\cos k_x + \cos k_y\right)^{n-i} (-z)^{i} \\ &=& \sum_{n, i\le n} z^{n+i} 2^{n} {{n}\choose{i}}\left(\cos k_x + \cos k_y\right)^{n-i} (-1)^{i} \\ &=& \sum_{j, 2i\le j}z^{j} 2^{j-i} {{j-i}\choose{i}}\left(\cos k_x + \cos k_y\right)^{j-2i} (-1)^{i}; \end{eqnarray} $$ podemos identificar el coeficiente de $z^{j}$ e integrar más de $k$ obtener $$ H_{n}(x) = \sum_{i \le \lfloor n/2 \rfloor} (-2)^{i}{{n-i}\, seleccione{i}}G_{n-2i}(x), $$ y para el cerrado restringido paseos en particular, $$ \begin{eqnarray} {\frak{B}}((h,h)\rightarrow(h,h)) &=& H_{2h}(0) \\ &=& \sum_{k=0}^{h} (-2)^{k}{{2h-k}\choose{k}}{{2h-2k}\choose{h-k}}^2 \\ &=& (-2)^{h}\sum_{k=0}^{h} \left(-\frac{1}{2}\right)^{k}{{h+k}\choose{2k}}{{2k}\choose{k}}^2. \end{eqnarray} $$ Usted encontrará que esto da el resultado tabulado en la pregunta. Por qué es un cuadrado perfecto o el doble de un cuadrado perfecto se describe a continuación, en la...

Emocionante conclusión

De hecho, esta suma ha sido estudiado por Z. H. Sol (aquí), en la forma del polinomio $$ f_n(y)=\sum_{k=0}^{n}{{n+k}\, seleccione{2k}}{{2k}\, seleccione{k}}^2 y^k, $$ para que se deriva de la identidad $$ f_n(x(x+1)) = D_n(x)^2, $$ donde $$ D_{n}(x)=\sum_{k=0}^{n}{{n}\, seleccione{k}}{{n+k}\, seleccione{k}} x^k. $$ En nuestro caso, $y=x(x+1)=-1/2$, lo $x=-\frac{1}{2}(1\pm i)$. Calculamos $$ \begin{eqnarray} D_h\left(-\frac{1}{2}(1+i)\right) &=& \sum_{k=0}^{h}\left(-\frac{1}{2}(1+i)\right)^{k} {{h}\choose{k}}{{h+k}\choose{k}} \\ &=& \sum_{k=0}^{h} 2^{-k/2} \left(\cos\frac{5\pi k}{4} + i\sin\frac{5\pi k}{4}\right) {{h}\choose{k}}{{h+k}\choose{k}}. \end{eqnarray} $$ La suma resulta ser puramente real incluso para $h$ y puramente imaginario por extraño $h$, lo que nos deja con dos casos. Incluso para $h$, $$ {\frak{B}}((h,h)\rightarrow(h,h))=\left[ \sum_{k=0}^{h} 2^{(h-k)/2} {{h}\, seleccione{k}}{{h+k}\, seleccione{k}} \cos\frac{5\pi k}{4} \right)^2. $$ Por extraño $h$, $$ {\frak{B}}((h,h)\rightarrow(h,h))=2 \times \left[ \sum_{k=0}^{h} 2^{(h-k-1)/2} {{h}\, seleccione{k}}{{h+k}\, seleccione{k}} \sin\frac{5\pi k}{4} \right)^2. $$ La expresión entre corchetes es un número entero en ambos casos.

4voto

GmonC Puntos 114

Esta no es una respuesta, pero sólo una reformulación del problema; tal vez alguien va a reconocer como un problema bajo esta forma (pero yo no). El número de $B(h)$ puede ser definido de la siguiente manera.

Vamos a un grafo dirigido en $2h$ punto de ser dado que es un discontinuo de la unión de dos cadenas de longitud $h$. El número de $B(h)$ cuenta el número de maneras en que un segundo etiquetados par de cadenas de longitud $h$ puede ser definido sobre el mismo conjunto de vértices tales que el grafo formado por los vértices con la unión de los dos conjuntos de bordes (la unión de $4$ cadenas en todos) aún no tiene ningún orientado ciclos: se forma un Gráfico Acíclico Dirigido. (El hecho de que las dos cadenas son etiquetados significa que podemos distinguir una solución en la que las dos cadenas se entrelazan; esto representa un factor de $2$ en el número de soluciones siempre $h>0$.) Desde el añadido de los bordes son una isomorfo imagen de la original de los bordes en una única permutación de vértices, el problema también puede ser establecido como uno de recuento de dichas permutaciones.

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