Научная статья на тему 'Моделирование комбинаторных последовательностей'

Моделирование комбинаторных последовательностей Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
163
23
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
T-МОДЕЛЬ / T(Q)-МОДЕЛЬ / ПОСЕТ / T-ДИАГРАММА / ДИСТРИБУТИВНАЯ РЕШЕТКА / ОБОБЩЕННЫЕ ФАКТОРИАЛЫ / ЧИСЛА КАТАЛАНА / ЧИСЛА БЕЛЛА / КОДЫ ЛЕМЕРА / RG-СЛОВА / T-MODEL / T(Q)-MODEL / POSET / T-DIAGRAM / DISTRIBUTIVE LATTICE / GENERALIZED FACTORIALS / CATALAN NUMBERS / BELL NUMBERS / LEHMER CODES / RG-WORDS

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Бондаренко Леонид Николаевич

Рассматривается метод моделирования комбинаторных последовательностей с использованием особых последовательностей таблиц, состоящих из целых положительных чисел. Эти последовательности называются T-моделями и строятся рекурсивно с помощью специальных отображений. Для T-моделей вводятся q-аналоги, позволяющие моделировать отвечающие им q-аналоги комбинаторных последовательностей. Также определяются частично упорядоченные множества и соответствующие им T-диаграммы. С помощью этих частично упорядоченных множеств и T-диаграмм рассматриваются многочисленные дополнительные свойства моделируемых комбинаторных последовательностей. Приводятся примеры T-моделей последовательностей обобщенных факториалов, чисел Каталана и чисел Белла. Строятся их q-аналоги и T-диаграммы. Это дает возможность исследовать также свойства баллотировочных чисел, чисел Стирлинга второго рода и их q-аналогов. Строение T-моделей комбинаторных последовательностей позволяет применять при их моделировании известные пакеты аналитических вычислений Mathematica и Maple. Поэтому T-модели можно использовать при обучении студентов отдельным разделам дискретной математики и информатики, а также получать с их помощью комбинаторные результаты.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MODELING OF COMBINATOR SEQUENCES

The method of modeling combinatorial sequences using special sequences of tables consisting of positive integers is considered. These sequences are called T-models and are constructed recursively using special mappings. For T-models, q-analogues are introduced, which allow modeling the q-analogs of combinatorial sequences corresponding to them. Partially ordered sets and the corresponding T-diagrams are also defined. With the help of these partially ordered sets and T-diagrams, numerous additional properties of the simulated combinatorial sequences are considered. Examples of T-models of sequences of generalized factorials, Catalan numbers and Bell numbers are given. Their q-analogues and T-diagrams are constructed. This makes it possible to investigate also the properties of balloting numbers, Stirling numbers of the second kind and their q-analogues. The structure of T-models of combinatorial sequences makes it possible to use the well-known analytical calculation packages Mathematica and Maple in their modeling. Therefore, T-models can be used in teaching students to separate sections of discrete mathematics and computer science, as well as to obtain with their help combinatorial results.

Текст научной работы на тему «Моделирование комбинаторных последовательностей»

УДК 519.14

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНАТОРНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

Бондаренко Леонид Николаевич,

канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой гуманитарных и естественно-научных дисциплин, e-mail: leobond5@mail.ru, Московский университет им. С.Ю. Витте, филиал в г. Сергиевом Посаде

Рассматривается метод моделирования комбинаторных последовательностей с использованием особых последовательностей таблиц, состоящих из целых положительных чисел. Эти последовательности называются T-моделями и строятся рекурсивно с помощью специальных отображений. Для T-моделей вводятся q-аналоги, позволяющие моделировать отвечающие им q-аналоги комбинаторных последовательностей. Также определяются частично упорядоченные множества и соответствующие им T-диаграммы. С помощью этих частично упорядоченных множеств и T-диаграмм рассматриваются многочисленные дополнительные свойства моделируемых комбинаторных последовательностей. Приводятся примеры T-моделей последовательностей обобщенных факториалов, чисел Каталана и чисел Белла. Строятся их q-аналоги и T-диаграммы. Это дает возможность исследовать также свойства баллотировочных чисел, чисел Стирлинга второго рода и их q-аналогов. Строение T-моделей комбинаторных последовательностей позволяет применять при их моделировании известные пакеты аналитических вычислений Mathematica и Maple. Поэтому T-модели можно использовать при обучении студентов отдельным разделам дискретной математики и информатики, а также получать с их помощью комбинаторные результаты.

Ключевые слова: T-модель, 7^)-модель, посет, T-диаграмма, дистрибутивная решетка, обобщенные факториалы, числа Каталана, числа Белла, коды Лемера, RG-слова

MODELING OF COMBINATOR SEQUENCES

Bondarenko L.N.,

candidate of engineering sciences, Associate Professor, head of the sub-department of humanities and natural science disciplines, e-mail: leobond5@mail.ru, Moscow Witte University, a branch in the city of Sergiev Posad

The method of modeling combinatorial sequences using special sequences of tables consisting ofpositive integers is considered. These sequences are called T-models and are constructed recursively using special mappings. For T-models, q-analogues are introduced, which allow modeling the q-analogs of combinatorial sequences corresponding to them. Partially ordered sets and the corresponding T-diagrams are also defined. With the help of these partially ordered sets and T-diagrams, numerous additional properties of the simulated combinatorial sequences are considered.

Examples of T-models of sequences of generalized factorials, Catalan numbers and Bell numbers are given. Their q-analogues and T-diagrams are constructed. This makes it possible to investigate also the properties of balloting numbers, Stirling numbers of the second kind and their q-analogues.

The structure of T-models of combinatorial sequences makes it possible to use the well-known analytical calculation packages Mathematica and Maple in their modeling. Therefore, T-models can be used in teaching students to separate sections of discrete mathematics and computer science, as well as to obtain with their help combinatorial results.

Keywords: T-model, T(q)-model, poset, T-diagram, distributive lattice, generalized factorials, Catalan numbers, Bell numbers, Lehmer codes, RG-words

DOI 10.21777/2500-2112-2019-2-64-73

Введение

Разнообразные комбинаторные проблемы возникают во многих областях современной математики и ее приложений к практическим задачам структуризации, классификации, оптимизации и т.п.

Перечислительная комбинаторика является одним из основных разделов комбинаторного анализа и занимается подсчетом числа элементов в конечном множестве. Благодаря огромным усилиям ряда выдающихся математиков, многие задачи теории перечислений удалось описать на единой основе и превратить комбинаторику в составную часть магистрального направления современной математики [6, 7].

К важнейшим областям практической применимости полученных в теории перечислений результатов традиционно относятся математическая статистика и информатика, а уникальная «The on-line encyclopedia of integer sequences» (OEIS) [12], основанная Нилом Слоуном в 1964 г., содержит в настоящее время около 300000 статей по числовым последовательностям, встречающимся в комбинаторике, теории графов и т.д.

В статьях OEIS имеются ссылки на самые разнообразные комбинаторные методы, используемые для изучения свойств и классификации этих последовательностей, среди которых следует особо выделить классические подходы, базирующиеся на применении рекуррентных соотношений и мощнейшего аппарата производящих функций.

Для моделирования ряда числовых последовательностей, описываемых в OEIS, в [1] было введено понятие T-модели как рекурсивно генерируемой последовательности таблиц T T ... состоящих из целых положительных чисел. Это понятие часто позволяет при анализе Г-модели получать простые рекуррентные соотношения и находить естественные ее связи с другими комбинаторными моделями.

J-модели и их свойства

При рекурсивном описании последовательности таблиц Т Т ..., состоящих из целых положительных чисел, необходимо иметь первый член этой последовательности, правило преобразования ее членов и ограничения на элементы генерируемых таблиц.

Определение 1. Зададим Т-модель тройкой (S, 0, Т1) с алфавитом S С N = {1,2,...}, отображением 0 : 5 ^ ]1 j2... js, где символ 5 е S, и выполнены неравенства 1 < j\ < j2 < ... < js, а также фиксированной начальной таблицей Т1. Отображение 0 преобразует каждый элемент 5 е Т в числовую неубывающую последовательность (строку) j1 j2... js длины |0 (5) | = 5 последующей таблицы Тп+1. вычисляемой рекурсивно по формуле:

тп+1 = e(T), nen

(1)

Для описания свойств Т-модели степени образов 0г (5) элементов 5 е Тп при 7 > 0 названы в [1] блоками 7-го ранга таблиц Т+ . Также введен вес 0г (5) каждого блока 0г (5) 7 > 1 содержащихся в нем блоков (7 - 1)-го ранга, а | 0 (5) | = 5. Эти понятия и соотношение (1) позволяют определить 7-й вес таблицы Т ■ выражением:

T . =

П+1 ■

ег (Г) =X|e< (s)

■ > 0, n e N

SETn

07 (5) = 5 при 7 > 0 для всех П е N несложно получить Т I , характеризующее последовательность весов таблиц

n 10

с помощью которого и простого равенства важное свойство инвариантности \ т I =

I п+7

Т-модели.

В частности, веса | Тп \ при П > 7, где 7 = 0,1,..., равны, соответственно, сумме элементов, числу элементов, числу строк и т.д. таблицы Т .

п

Веса таблиц Т-модели образуют возрастающую последовательность целых положительных чисел, которая соответствует этой Т-модели. Поэтому удобно называть Т-модель по имени отвечающей ей числовой последовательности, и появляется возможность моделирования с помощью Т-моделей многих комбинаторных последовательностей из OEIS.

С каждой таблицей Т-модели также несложно связать двухиндексную числовую последовательность. Для этого необходимо ввести соответствующий многочлен, являющийся производящей функцией данной двухиндексной последовательности. s

Определение 2. Сопоставим каждой таблице Г данной Т-модели многочлен ^^ s(_T t и с помощью равенства 0(Ys) = tJ + tJ2 +... + tJs перенесем на него действие 0 из определения 1 по следующему правилу: , \

I ts = е|Х ts =Se(ts).

ssT„+1 ^ ssT„ у ssT„

Очевидно, что при t = 1 значения введенных в определении 2 многочленов и их производных совпадают с \Tn li и, соответственно, с \Т„ 1о . Запись этих многочленов рационально модифицировать путем умножения на фиксированную степень t (чаще других применяется умножение на t-1), а также при n = 0 ввести многочлен, равный единице.

В качестве примеров использования введенных понятий рассмотрим три типовые числовые последовательности, описываемые при n £ N следующими формулами:

а) последовательность обобщенных факториалов ((r —1)(n — 1) + 1)!(r 1), где параметр r G N;

б) последовательность чисел Каталана Cn [12; A000108], а также

n

n

в) последовательность чисел Белла ^^ 1 ^ | [12; А000110], где числа 1 ^ | являются числами Стирлинга второго рода. к=1 ^I

Для записи семейства последовательностей а), зависящего от параметра г € N, использовано обобщение символа факториала [5].

(гт +1)!(г} = 1 • (г +1) • (2г +1)...(гт +1), т € N и {0},

дающее возможность записывать аналоги факториалов с шагом г € N .

Последовательность б) чисел Каталана Сп в комбинаторике может рассматриваться как «лакму-сова бумажка», так как для нее известно огромное число комбинаторных моделей [3, 7, 11], а ее члены

имеют вид:

C =■

1

n +1

n

где круглые скобки, как обычно, использованы для обозначения часто используемых в комбинаторике биномиальных коэффициентов [3, 6].

При обозначении часто применяемых чисел Стирлинга второго рода [12; А008277] во многих современных работах по аналогии с биномиальными коэффициентами применяются фигурные скобки [3].

Пример 1. (Г-модели обобщенных факториалов) Рассмотрим параметризованное семейство Г-моделей, задаваемое тройкой (£(г^, 0г, 1|(г^) с алфавитом 5(г^ из символов вида (Г — 1)П +1 при п € N и элементами 0 ; ^ —^ (^ + г — 1) *, Г(Г^ = (г), зависящими от параметра г € N.

В частности, случай г = 1 тривиален, при г = 2 получаем последовательность таблиц

Г (2) Г (2) Г (2) Г (2)

Г , 12 , ±3 , Г4 ,... следующего вида;

^5555 5555л

(2), (33),

а444л 444

5555 5555

5555 5555

а при Г = 3, соответственно, последовательность Т(3),

Г

(3)

/

Т (3) 3

(3), (555),

/77777л

77777 77777

^9999999 9999999 9999999 9999999 9999999

9999999 9999999 9999999 9999999 9999999

Т (3) 4

9999999 9999999 9999999 9999999 9999999

По определению 2 (при выборе множителя г) этому семейству отвечает последовательность одночленов ((г — 1)(п — 1) + 1)!(Г-1) г(Г-1)п , а последовательность весов таблиц этого семейства |Т(г) ^ = ((Г —1)(п — 1) + 1)!(г—1) соответствует последовательности а) обобщенных факториалов, зависящей от параметра Г е N . Такие последовательности при Г = 2,3,4,5,6,... имеются в OEIS [12; A000142, A001147, A007559, A007696, A008548 и т.д.].

Пример 2. (Т-модель Каталана) При алфавите S = N — {1}, отображении 0:5 ^ 23... 5 +1 и начальной таблице Т1 = (2) по определению 1 получаем Т-модель, состоящую из таблиц

ГТ7 ГТ7 ГТ7 ГТ7 ГТ7

Т1, Т 2, Т3, Т4, Т 5 ,...:

(2), (23),

^23 Л 234

в которой

Т

132, Т = 42, Т

23 23 234 234 2345

= 14 Т

2 ' 5

23 23 23 23 23 234 234 234 234 234

2345

5, Т

2, а \Т

' I 1Л

2345 2345 23456

= 1.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для этой Т-модели по определению 2 строятся многочлены:

Б0«) = 1, Вп(г) = Г1 XГ = £БпЛГк, п еN,

*еТп к=0

для которых из таблиц Т-модели легко вычисляются выражения:

В1(г) = г, В2(г) = г2 + г, В3(г) = г3 + 2г2 + 2г, В4(г) = г4 + 3?3 + 5г2 + 5г,...,

в которых Вп 0 = 1 при п е N. Также при 5 е S c использованием простого тождества (1 — г)0(г**) = г2(1 — г**) находится рекуррентное соотношение:

В0(г) = 1, (1 — г) Вп (г) + г2 Вп_,(г) = гВп_1(\), п еN.

(2)

С помощью формулы (2) в [1] доказано, что коэффициенты Вп к многочлена Вп (г) совпадают с известными баллотировочными числами [8]:

В

п, к

п — к п + к

п + к

п

к = 0,...,п — 1, п е N

которые имеются в OEIS [12; A009766], а их сумма Вп(1) = Тп 1 равна числу Каталана Сп, т.е. Т-модели отвечает последовательность чисел Каталана.

Анализ Т-модели Каталана позволил на базе соотношений вида (2) разработать новый метод нахождения производящей функции числовой последовательности, отвечающей рассматриваемой Т-модели [1]. В частности, для Т-модели Калана выражение (2) приводит к известной формуле:

= 1 — у/1 — 4и 2и

Пример 3. (Т-модель Белла) При алфавите S = N — {1} отображении 0 : 5 ^ 1(5 + 1) и начальной таблице Т1 = (2) по определению 1 получаем Т-модель, состоящую из таблиц

ГТ7 ГТ7 ГТ7 ГТ7 ГТ7

Т1, Т 2, Т3, Т4, Т 5 ,...

X Сп

п=0

и

(2), (23),

23 334

23 334 334 334 4445

23 334 334 334 4445 334 334 334 334 4445 4445 4445 4445 4445

55556

П

в которой | Г5 |0 = 203, \ Г5\1 = 52, | Г5 |2 = 15, I Г5 |3 = 5 | Г5 |4 = 2 •

Т = 1.

Для этой Г-модели по определению 2 строятся многочлены;

Ео (t) = 1, Еп (t) = t-1 I ^ = IЕ, ^, п € N,

х€Тп к=1

для которых из таблиц Г-модели легко вычисляются выражения;

Е^) = t, Ег(г) = t2 +1, E3(t) = t3 + 3t2 +1, E4(t) = t4 + 613 + 712 +1,...,

а также непосредственно по таблицам Г-модели получаются равенства Еп 1 = Еп = 1, и по индукции за счет простоты отображения 0 легко находится рекуррентное соотношение для коэффициентов этих многочленов;

Е0,к =5о, к , Еп,к =кЕп—1,к +Еп—1,к—1, к€2, n€N '

(3)

в котором символ Кронекера 5о,к = 1 при к = 0 и ^о,к = 0 , в противном случае, а индекс к пробегает все целые числа Z.

Так как выражение (3) совпадает с формулой, определяющей числа Стирлинга второго рода [3, 6],

то имеем ^п, к

[к]

а для экспоненциальных многочленов Еп (t) справедлива рекуррентная формула;

^) = 1, Еп^) = t(Еп—l(t) + Е'п_()), п €N,

с помощью которой просто находится производящая функция;

I Еп ^)

и

л(еи—1)

п=0

^-аналоги Г-моделей и их свойства

Естественное получение ^-аналогов Г-моделей основано на замене натурального числа п € N его я-аналогом [п] = 1 + q + ... + qn , где q - параметр, причем [п]! = [1] • [2] •••[п] является q-аналогом факториала п!.

Определение 3. Тройка (5, 0^, Г(я)) , задающая последовательность таблиц !1(я), ^(я), — аналогично формуле (1) по правилу;

Тn+l(q) = 0д (Г (q)), п €N,

где 5 С N, Г(я) - фиксированная начальная таблица, а отображение;

09; як^] — як[л]..4к+'—1[], к > 0, 1 < л <... < л,

называется Г(я)-моделью или я-аналогом Г-модели определения 1 [1].

Степени отображения 0 легко связать с блоками таблиц Г (я) , что при п € N и 7 > 0 приводит

к равенству

Гп+7 (я), = Г (я)

, в котором

тп (я) означает сумму элементов таблицы Гп (я) . Соответственно, я-аналоги многочленов, введенных в определении 2, получаются заменой я-чисел в таблицах Гп (я) на ts и суммированием полученных элементов таблиц, что дает при t = 1

веса |Гп(я) [.

Пример 4. По определению 3 я-аналогом семейства Г-моделей примера 1 служит тройка (5(г), 0г (я), Г/г) (я)) с Г/г) (я) = ([г]),

отображением 0г(д) : дк[5] ^ дк[5 + Г — 1] дк+1[^ + Г — 1] ... qk+s 1[5 + Г — где к > 0: имеем при п е N последовательность (г, д) -полиномов [((г — 1)(п — 1) +1)]!(Г 1) г(Г 1)" .

Пример 5. д-аналог Т-модели Каталана при Т|(д) = ([2]) , отображении 0 : дк[5] ^ дк[2] дк+1[3] ... дк+* 1[5 + 1], где к > 0, имеет следующий вид:

' [2] д[3] д[2]д2[3]

д[2] д2[3] д3[4] д2[2] д3[3] д4[4]

д 3[2] д 4[3] д5[4] д 6[5]

( [2] д [3] Л ([2]), ([2]д[3]), 2 3

Iд[2]д2[3]д [4]у

многочлены В0(г,д) = 1, Вп(г,д) = Хп=0Вп,к(д)гп—к при Вп0(д) = ди п еN являются д-аналогами соответствующих многочленов примера 2, причем:

Вх(г,д) = г, В2(г,д) = дг2 + г, В3(г,д) = дЗг3 + (д2 + д)г2 + (д +1)г,

В4(г,д) = д6г4 + (д5 + д4 + д3)г3 + (д4 + д3 + 2д2 + д)г2 + (д3 + д2 + 2д +1)г,...,

а д-обобщением выражения (2) служит рекуррентная формула:

В0(г, д) = 1, (1 — дг) Вп (г, д) + дг2 Вп _х(дг, д) = В—Д д), п е N,

проверяемая с помощью равенства (1 — дг) 0 () = г 2(1 — д^ ) .

Таким образом, числа С (д) = В (1, д) являются д-аналогами чисел Каталана [1], которые также описаны в [8].

Пример 6. Т(д)-модели Белла при п е N отвечает последовательность весов соответствующих таблиц Тп (д) = Еп (1, д), в которой числа Е (1, д) являются д-аналогами чисел Белла. Вычисление чисел Е (1, д) производится с помощью д-аналогов экспоненциальных многочленов:

Е0(г, д) = 1, Еп (г, д) = Х {^ гк, п е N,

коэффициентами которых служат д-аналоги чисел Стирлинга второго рода [9], вычисляемые по рекуррентной формуле:

=[к ] 1[+дк{к—1[ •к п

7-диаграммы и их свойства

Для приложения мощного аппарата частично упорядоченных множеств [6] к Т-модели определения 1 следует сопоставить каждой ее таблице Тп локально конечное частично упорядоченное множество (посет) Р

Будем считать, что начальная таблица Т-модели (S, 0, Т ) содержит только один элемент, больший единицы. При этом условии рекурсивно зададим нумерацию элементов таблиц этой Т-модели следующим образом: положим номер V единственного элемента Т|, равным 1; считая 5,5 е S и п > 2, сопоставим элементу е Т строки 0(5) номер (слово) V = V V V с префиксом

п гр V / 1 • • • п—1 п

V!...Vп—1, равным номеру элемента ^ е Тп—1, и суффиксом Vп , равным порядковому номеру элемента в строке 0(5).

Определение 4. На множестве номеров Рп таблицы Т рассматриваемых как векторы, определим частичный порядок, полагая, что номер V е Рп покрывает V е Р , если вектор V — V имеет все нулевые координаты, кроме одной, равной единице. Диаграмму Хассе посета Рп обозначим Ьп и назовем ее Т-диаграммой таблицы Т .

и

Обозначая р(V) = ("У1 — 1) + ... + (Vn — 1) ранг номера V е Р , получим р(V) = 0 для наименьшего номера V е Рп, р(V ) — р(V) = 1 для номеров V, V е Рп, где V' покрывает V .

Также введем для посета Рп рангово-производящий многочлен ^^ уер .

Теорема 1. Ранг р( V) номера "V е рп таблицы Тп совпадает со степенью k параметра q соответствующего элемента q [] ] таблицы Тп .

Теорема 1 позволяет вычислять рангово-производящие многочлены посетов Рп с помощью Т^) -модели. Ее справедливость легко проверяется с помощью индукции. Действительно, при п = 1 утверждение теоремы 1 верно, а, предполагая его справедливость при п е N, по записи отображения 0 в определении 3 сразу получаем его правильность и для п + 1.

Для Т-модели ($, 0, Т|) отображение 0 ; $ —> у у ... j назовем регулярным, если для всех 5*1, $2,... е $ , где $1 < $2 <..., все столбцы таблицы;

$1— Л1Л2... Л* $2 — у21 у22 ...

являются неубывающими числовыми последовательностями.

В частности, легко проверить, что в примерах 1 - 3 все отображения 0 являются регулярными.

Теорема 2. Для Т-модели ($, 0, Т) с регулярным отображением 0 все посеты Рп при п > 2 являются дистрибутивными решетками.

Требование регулярности отображения 0 Т-модели ($, 0, Т|) приводит к тому, что все посеты Рп при п > 2 являются решетками, содержащими наименьший и наибольший элементы. Поэтому справедливость теоремы 2 следует из того, что вследствие определения 1 эти решетки не могут содержать подре-шеток в форме диаманта и пентагона, т.е. они являются дистрибутивными решетками по теореме [4, с. 87].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Важность теоремы 2 состоит в том, что класс дистрибутивных решеток наиболее важен с комбинаторной точки зрения [6].

Применение теоремы 2 приводит к постановке ряда интересных, связанных с топологией комбинаторных задач, для описания которых необходимы дополнительные понятия. Для Т-модели ($, 0, Т|) число п — k + 1, где k номер единичной координаты вектора V — у, а V, V' е Р , назовем весом ориентированного ребра (V, V ) Т-диаграммы 1п .

Определение 5. Сопоставим каждой максимальной цепи решетки Рп при прохождении ее от наименьшего до наибольшего элемента Г-диаграммы 1п последовательность п весов ее ребер. Тогда число максимальных цепей е(Рп ) совпадает с мощностью множества всех таких последовательностей Пп , т.е е(Рп) = |п п |.

Число е( Рп) является важной характеристикой, легко вычисляемой при небольшом п , а определение 5 позволяет в ряде случаев упростить нахождение формулы для е(Рп ) .

Пример 7. Для семейства Т-моделей примера 1 Г-диаграммы 1(2) и 1(3), соответственно, посе-Р(2) Р (3) 4 3

тов Р4 и Р3 изображены на рисунке 1.

Номера вершин Т-диаграмм семейства Т-моделей примера 1 находятся довольно просто вследствие прямоугольной формы всех блоков таблиц этого семейства. Также легко определяются веса ребер

Т-диаграмм 1!п), и находится формула;

е( Рг)) =

Г (п\\

(Г — 1) 2 V V 2J J

П(( г—1) о!

2 = 1

Дополнительно отметим, что вершины Т-диаграмм I}2 являются кодами Лемера перестановок множества {1,2,...,п} (кодом Лемера перестановки О = О называется слово

1 11 12 ... 1 п

в котором 11 = #У ; <О2,0 < j < 2 — 1, О0 = 0}, где 2 = 1,..., п [2]).

Рисунок 1 - Г-диаграммы: а) ; б) Г-моделей примера 1

Пример 8. Для Т-модели Каталана Г-диаграммы и ^, соответственно, посетов Р и Р изображены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Г-диаграммы: а) Ь3; б) Ь4 Г-модели Каталана

На рисунке 2, кроме номеров вершин Г-диаграмм и ^, изображены также веса их ребер. Эти дистрибутивные решетки, связанные с числами Каталана, были получены другим способом в статье [10], в которой также приводится следующая формула ^

V. 2/

е( Рп) = —

П (2 7 — 1)п—

7=1

Также, как и в примере 8, для Т-модели Каталана алгоритм получения посетов Рп можно связать с кодами Лемера некоторых перестановок.

Теорема 3. Для T-модели Каталана множество кодов Лемера всех 213-избегающих перестановок совпадает с посетом Pn .

Теорема 3 несложно доказывается на основе результатов для 312-избегающих перестановок, полученных в [2], а также простой связи между 213-избегающими и 312-избегающими перестановками.

Пример 9. Для T-модели Белла вследствие простоты отображения e несложно находятся по-сеты Pn и их T-диаграммы Ln .

Теорема 4. При фиксированном n Е N посет Pn всех номеров V = V^.. Vn элементов таблицы Tn T-модели Белла совпадает с множеством слов ограниченного роста (RG-слов) длины n, т.е. слов, введенных С. Милном [9] и определяемых условием: V является RG-словом, если Vi < max(0,Vp...,Vi_1) + 1 для всех i = 1,...,n.

Доказательство теоремы 4 проводится методом математической индукции с использованием определения T-модели Белла в примере 2.

Отметим, что теорема 4 позволяет описать элементарный алгоритм перехода от посета Pn, задаваемого множеством RG-слов длины n, к соответствующей таблице Tn T-модели Белла.

Простота рекурсивного построения множеств RG-слов дает возможность при фиксированном n Е N вычислять число максимальных цепей e(Pn), но вид общей формулы для этого числа неизвестен.

Так как имеется биекция между RG-словом длины n и упорядоченным разбиением множества {1,2,..., n} на блоки [9], то многие результаты работы [9] могут быть получены с помощью T-модели Белла.

Заключение

При построении T-модели по заданной комбинаторной последовательности необходимо решить соответствующую задачу идентификации, а полученная T-модель приводит к постановке ряда комбинаторных задач.

Структура введенных T-моделей комбинаторных последовательностей позволяет легко применять при их моделировании известные пакеты аналитических вычислений Mathematica и Maple. Поэтому T-модели можно успешно использовать при обучении студентов отдельным разделам дискретной математики и информатики, а также с их помощью получать новые комбинаторные результаты.

Перечислим некоторые достоинства применения T-моделей:

— T-модели унифицируют решение ряда комбинаторных задач;

— введение в T-модель целочисленных параметров позволяет получить семейство T-моделей, что приводит к соответствующему классу комбинаторных последовательностей;

— T-модели и отвечающие им комбинаторные последовательности удобно классифицировать по типу используемого в T-модели отображения;

— элементарный переход от T-модели к ее ^-аналогу дает простой метод нахождения ^-аналогов ряда комбинаторных последовательностей;

— построение для T-модели соответствующей T-диаграммы делает возможным применение мощных топологических методов для исследования комбинаторных последовательностей.

Литература

1. Бондаренко Л.Н., Шарапова М.Л. T-модели Фусса-Каталана и их ^-аналоги // Дискретные модели в теории управляющих систем: X Международная конференция, Москва и Подмосковье, 22-25 мая 2018 г.: Труды. - М.: МАКС Пресс, 2018. - С. 35-38.

2. Бондаренко Л.Н., Шарапова М.Л. Обобщенные 312-избегающие перестановки и преобразование Лемера // Прикладная дискретная математика. Приложение. - 2017. - № 10. - С. 7-9.

3. Грэхем Р., Кнут Д., Паташник О. Конкретная математика. Основание информатики / пер. с англ. -М.: Мир, 1998. - 703 с.

4. Гретцер Г. Общая теория решеток / пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - 456 с.

5. Ониши Ё. Обобщенные числа Бернулли-Гурвица и универсальные числа Бернулли // Успехи математических наук. - 2011. - Т. 66. - Вып. 5 (401). - С. 47-108.

6. Стенли Р. Перечислительная комбинаторика / пер. с англ. Т. 1. - М.: Мир, 1990. - 440 с.

7. Стенли Р. Перечислительная комбинаторика / пер. с англ. Т. 2. - М.: Мир, 2009. - 768 с.

8. CarlitzL. Sequences, paths, ballot numbers // Fibonacci quarterly. -1972. - Vol. 10. - P. 531-549.

9. Cai Y., Readdy M.A. q-Stirling numbers: A new view // Advances in applied mathematics. - 2017. - 86. -P. 50-80.

10. StanleyR.P. The Fibonacci lattice // Fibonacci quarterly. - 1975. - Vol. 13. - P. 215-232.

11. Stanley R.P. Catalan numbers. - New York: Cambridge university press, 2015. - 215 p.

12. Sloane N.J.A. The on-line encyclopedia of integer sequences. - 2019. - http://oeis.org.

References

1. Bondarenko L.N., Sharapova M.L. T-modeli Fussa-Katalana i ih q-analogi // Diskretnye modeli v teorii upravlyayushchih sistem: X Mezhdunarodnaya konferenciya, Moskva i Podmoskov'e, 22-25 maya 2018 g.: Trudy. - M.: MAKS Press, 2018. - S. 35-38.

2. Bondarenko L.N., Sharapova M.L. Obobshchennye 312-izbegayushchie perestanovki i preobrazovanie Lemera // Prikladnaya diskretnaya matematika. Prilozhenie. - 2017. - № 10. - S. 7-9.

3. Grekhem R., KnutD., Patashnik O. Konkretnaya matematika. Osnovanie informatiki / per. s angl. - M.: Mir, 1998. - 703 s.

4. Gretcer G. Obshchaya teoriya reshetok / per. s angl. - M.: Mir, 1981. - 456 s.

5. Onishi Yo. Obobshchennye chisla Bernulli-Gurvica i universal'nye chisla Bernulli // Uspekhi matematicheskih nauk. - 2011. - T. 66. - Vyp. 5 (401). — S. 47-108.

6. Stenli R. Perechislitel'naya kombinatorika / per. s angl. T. 1. - M.: Mir, 1990. - 440 s.

7. Stenli R. Perechislitel'naya kombinatorika / per. s angl. T. 2. - M.: Mir, 2009. - 768 s.

8. CarlitzL. Sequences, paths, ballot numbers // Fibonacci quarterly. -1972. - Vol. 10. - P. 531-549.

9. Cai Y., Readdy M.A. q-Stirling numbers: A new view // Advances in applied mathematics. - 2017. - 86. -P. 50-80.

10. StanleyR.P. The Fibonacci lattice // Fibonacci quarterly. - 1975. - Vol. 13. - P. 215-232.

11. Stanley R.P. Catalan numbers. - New York: Cambridge university press, 2015. - 215 p.

12. Sloane N.J.A. The on-line encyclopedia of integer sequences. - 2019. - http://oeis.org.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.