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2020-2021:teams:namespace:整数分拆问题

以下内容参考自北大版《组合数学》。

k部分拆数

分拆:将自然数n写成递降正整数和的表示。

$$n=r_1+r_2+⋯+r_k\quad r_1≥r_2≥⋯≥r_k≥1$$

和式中每个正整数称为一个部分。

分拆数:p_n。自然数n的分拆方法数。

自0开始的分拆数:

n 0 1 2 3 4 5 6 7 8
p_n 1 1 2 3 5 7 11 15 22

其中恰有k个部分的分拆,称为k部分拆数,记作p(n,k)。

本题要求计算k部分拆数p(n,k)。多组输入,其中n上界为10000,k上界为1000,对1000007取模。

显然,k部分拆数 p(n,k)同时也是下面方程的解数:

$$n-k=y_1+y_2+⋯+y_k\quad y_1≥y_2≥⋯≥y_k≥0$$

如果这个方程里面恰有j个部分非0,则恰有p(n-k,j)个解。因此有和式:

$$p(n,k)=∑_{j=1}^k p(n-k,j)$$

相邻两个和式作差,得:

$$p(n,k)=p(n-1,k-1)+p(n-k,k)$$

如果像组合数一样列出表格,每个格里的数,等于左上方的数,加上该格向上方数,所在列数个格子中的数。

下n右k -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
-1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
2 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0
3 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0
4 0 0 1 2 1 1 0 0 0 0
5 0 0 1 2 2 1 1 0 0 0
6 0 0 1 3 3 2 1 1 0 0
7 0 0 1 3 4 3 2 1 1 0
8 0 0 1 4 5 5 3 2 1 1

因此按列更新对于存储更有利。根据这个可以轻易地写出程序。

k部分拆数 p(n,k)

k部分拆数 p(n,k)

#include<stdio.h>
#include<string.h>
 
int p[10005][1005];/*将自然数n分拆为k个部分的方法数*/ 
 
int main()
{
	int n,k;
	while(~scanf("%d%d",&n,&k))
	{
		memset(p,0,sizeof(p));
		p[0][0]=1;
		int i;
		for(i=1;i<=n;++i)
		{
			int j;
			for(j=1;j<=k;++j)
			{
				if(i-j>=0)/*p[i-j][j]所有部分大于1*/
				{
					p[i][j]=(p[i-j][j]+p[i-1][j-1])%1000007;/*p[i-1][j-1]至少有一个部分为1。*/
				}
			}
		}
		printf("%d\n",p[n][k]);
	}
}

小结论一

生成函数:一种幂级数。各项的系数为数列中的对应项。

由等比数列求和公式,有:

$$\frac{1}{1-x^k }=1+x^k+x^2k+x^3k+⋯$$

$$1+p_1 x+p_2 x^2+p_3 x^3+⋯=\frac{1}{1-x} \frac{1}{1-x^2} \frac{1}{1-x^3}…$$

对于k部分拆数,生成函数稍微复杂。具体写出如下:

$$∑_{n,k=0}^∞ {p(n,k) x^n y^k }=\frac{1}{1-xy} \frac{1}{1-x^2 y} \frac{1}{1-x^3 y}…$$

小结论二

Ferrers图:将分拆的每个部分用点组成的行表示。每行点的个数为这个部分的大小。

根据分拆的定义,Ferrers图中不同的行按照递减的次序排放。最长行在最上面。

例如:分拆12=5+4+2+1的Ferrers图。

将一个Ferrers图沿着对角线翻转,得到的新Ferrers图称为原图的共轭,新分拆称为原分拆的共轭。显然,共轭是对称的关系。

例如上述分拆12=5+4+2+1的共轭是分拆12=4+3+2+2+1。

最大k分拆数:自然数n的最大部分为k的分拆个数。

根据共轭的定义,有显然结论:

最大k分拆数与k部分拆数相同,均为p(n,k)。

互异分拆数

互异分拆数:〖pd〗_n。自然数n的各部分互不相同的分拆方法数。(Different)

n 0 1 2 3 4 5 6 7 8
pd_n 1 1 1 2 2 3 4 5 6

本题要求计算互异分拆数〖pd〗_n。多组输入,其中n上界为50000,对1000007取模。

同样地,定义互异k部分拆数pd(n,k),表示最大拆出k个部分的互异分拆,是这个方程的解数:

$$n=r_1+r_2+⋯+r_k\quad r_1>r_2>⋯>r_k≥1$$

完全同上,也是这个方程的解数:

$$n-k=y_1+y_2+⋯+y_k\quad y_1>y_2>⋯>y_k≥0$$

这里与上面不同的是,由于互异,新方程中至多只有一个部分非零。有不变的结论:恰有j个部分非0,则恰有pd(n-k,j)个解,这里j只取k或k-1。因此直接得到递推:

$$pd(n,k)=pd(n-k,k-1)+pd(n-k,k)$$

同样像组合数一样列出表格,每个格里的数,等于该格前一列上数,所在列数个格子中的数,加上该格向上方数,所在列数个格子中的数。

下n右k -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
-1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
2 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
3 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0
4 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0
5 0 0 1 2 0 0 0 0 0 0
6 0 0 1 2 1 0 0 0 0 0
7 0 0 1 3 1 0 0 0 0 0
8 0 0 1 3 2 0 0 0 0 0

因此按列更新对于存储更有利。代码中将后一位缩减了空间,仅保留相邻两项。

k部互异分拆数 pd(n,k)

k部互异分拆数 pd(n,k)

#include<stdio.h>
#include<string.h>
 
int pd[50005][2];/*将自然数n分拆为k个部分的互异方法数*/
 
int main()
{
	int n;
	while(~scanf("%d",&n))
	{
		memset(pd,0,sizeof(pd));
		pd[0][0]=1;
		int ans=0;
		int j;
		for(j=1;j<350;++j)
		{
			int i;
			for(i=0;i<350;++i)
			{
				pd[i][j&1]=0;/*pd[i][j]只与pd[][j]和pd[][j-1]有关*/
			}
			for(i=0;i<=n;++i)
			{
				if(i-j>=0)/*pd[i-j][j]所有部分大于1*/
				{
					pd[i][j&1]=(pd[i-j][j&1]+pd[i-j][(j-1)&1])%1000007;/*pd[i-j][j-1]至少有一个部分为1。*/
				}
			}
			ans=(ans+pd[n][j&1])%1000007;
		}
		printf("%d\n",ans);
	}
}

小结论三

奇分拆数:pe_n。自然数n的各部分都是奇数的分拆方法数。

有一个显然的等式:

$$∏_{i=1}^∞ (1+x^i ) =\frac{∏_{i=1}^∞ (1-x^{2i} ) }{∏_{i=1}^∞ (1-x^i ) }=∏_{i=1}^∞ \frac{1}{1-x^{2i-1} }$$

最左边是互异分拆数的生成函数,最右边是奇分拆数的生成函数。两者对应系数相同,因此,奇分拆数和互异分拆数相同:

$${pe}_n={pd}_n$$

但显然k部奇分拆数和k部互异分拆数不是一个概念,这里就不列出了。

再引入两个概念:

互异偶部分拆数:pde_n。自然数n的部分数为偶数的互异分拆方法数。(Even)

互异奇部分拆数:pdo_n。自然数n的部分数为奇数的互异分拆方法数。(Odd)

因此有:

$${pd}_n={pde}_n+{pdo}_n$$

同样也有相应的k部概念。由于过于复杂,不再列出。

分拆数

本题要求计算分拆数p_n。多组输入,其中n上界为50000,对1000007取模。

单独观察分拆数的生成函数的分母部分:

$$∏_{i=1}^∞ (1-x^i ) $$

将这部分展开,可以想到互异分拆,与互异分拆拆出的部分数奇偶性有关。

具体地,互异偶部分拆在展开式中被正向计数,互异奇部分拆在展开式中被负向计数。因此展开式中各项系数为两方法数之差。即:

$$∑_{i=0}^∞ ({pde}_n-{pdo}_n ) x^n =∏_{i=1}^∞ (1-x^i ) $$

接下来说明,多数情况下,上述两方法数相等,在展开式中系数为0;仅在少数位置,两方法数相差1或-1。

这里只能借助构造对应的办法。

画出每个互异分拆的Ferrers图。最后一行称为这个图的底,底上点的个数记为b(Bottom);连接最上面一行的最后一个点与图中某点的最长45度角线段,称为这个图的坡,坡上点的个数记为s(Slide)。

要想在互异偶部分拆与互异奇部分拆之间构造对应,就要定义变换,在保证互异条件不变的前提下,使得行数改变1:

变换A:当b小于等于s的时候,就将底移到右边,成为一个新坡。

变换B:当b大于s的时候,就将坡移到下边,成为一个新底。

这两个变换,对于多数时候的n,恰有一个变换可以进行,就在互异偶部分拆与互异奇部分拆之间构造了一个一一对应。已经构造了一一对应的两部分分拆个数相等,因此这时展开式中第n项系数为0。

变换A不能进行的条件:底与坡有一个公共点,且b=s。这种情形只发生于:

$$n=b+(b+1)+⋯+(b+b-1)=\frac{b(3b-1)}{2}$$

这时,展开式中第n项为:

$$∏_{i=0}^{b-1} (-x)^{b+i} =(-1)^b ∏_{i=0}^{b-1} x^{b+i} =(-1)^b x^n$$

变换B不能进行的条件:底与坡有一个公共点,且b=s+1。这种情形只发生于:

$$n=(s+1)+(s+2)+⋯+(s+s)=\frac{s(3s-1)}{2}$$

这时,展开式中第n项为:

$$∏_{i=1}^s (-x)^{s+i} =(-1)^s ∏_{i=1}^s x^{s+i} =(-1)^s x^n$$

至此,我们就证明了:

$$(1-x)(1-x^2 )(1-x^3 )…=⋯+x^{26}-x^{15}+x^7-x^2+1-x+x^5-x^{12}+x^{22}-…=∑_{k=-∞}^{+∞} (-1)^k x^{\frac{k(3k-1)}{2}} $$

将这个式子整理,对比两边各项系数,就得到递推式。

$$(1+p_1 x+p_2 x^2+p_3 x^3+⋯)(1-x-x^2+x^5+x^7-x^{12}-x^{15}+x^{22}+x^{26}-…)=1$$

$$p_n=p_{n-1}+p_{n-2}-p_{n-5}-p_{n-7}+⋯$$

这个递推式有无限项,但是如果规定负数的分拆数是0(0的分拆数已经定义为1),那么就简化为了有限项。

本题中分拆数的计算采用这个方法。附上代码:

#include<stdio.h> 
 
long long a[100010];
long long p[50005];
 
int main()
{
	p[0]=1;
	p[1]=1;
	p[2]=2;
	int i;
	for(i=1;i<50005;i++)/*递推式系数1,2,5,7,12,15,22,26...i*(3*i-1)/2,i*(3*i+1)/2*/
	{
		a[2*i]=i*(i*3-1)/2;/*五边形数为1,5,12,22...i*(3*i-1)/2*/
		a[2*i+1]=i*(i*3+1)/2;
	}
	for(i=3;i<50005;i++)/*p[n]=p[n-1]+p[n-2]-p[n-5]-p[n-7]+p[12]+p[15]-...+p[n-i*[3i-1]/2]+p[n-i*[3i+1]/2]*/
	{
		p[i]=0;
		int j;
		for(j=2;a[j]<=i;j++)/*有可能为负数,式中加1000007*/
		{
			if(j&2)
			{
				p[i]=(p[i]+p[i-a[j]]+1000007)%1000007;
			}
			else
			{
				p[i]=(p[i]-p[i-a[j]]+1000007)%1000007;
			}
		}
	}
	int n;
	while(~scanf("%d",&n))
	{
		printf("%lld\n",p[n]);
	}
}
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