组合数学 (Spring 2013)/Problem Set 1

每道题目的解答都要有完整的解题过程。中英文不限。

Problem 1

1. 有[math]\displaystyle{ k }[/math]种不同的明信片，每种明信片有无限多张，寄给[math]\displaystyle{ n }[/math]个人，每人一张，有多少种方法？
2. 有[math]\displaystyle{ k }[/math]种不同的明信片，每种明信片有无限多张，寄给[math]\displaystyle{ n }[/math]个人，每人一张，每个人必须收到不同种类的明信片，有多少种方法？
3. 有[math]\displaystyle{ k }[/math]种不同的明信片，每种明信片有无限多张，寄给[math]\displaystyle{ n }[/math]个人，每人收到[math]\displaystyle{ r }[/math]张不同的明信片（但不同的人可以收到相同的明信片），有多少种方法？
4. 只有一种明信片，共有[math]\displaystyle{ m }[/math]张，寄给[math]\displaystyle{ n }[/math]个人，全部寄完，每个人可以收多张明信片或者不收明信片，有多少种方法？
5. 有[math]\displaystyle{ k }[/math]种不同的明信片，其中第[math]\displaystyle{ i }[/math]种明信片有[math]\displaystyle{ m_i }[/math]张，寄给[math]\displaystyle{ n }[/math]个人，全部寄完，每个人可以收多张明信片或者不收明信片，有多少种方法？

Problem 2

• 一个长度为[math]\displaystyle{ n }[/math]的“山峦”是如下由[math]\displaystyle{ n }[/math]个"/"和[math]\displaystyle{ n }[/math]个"\"组成的，从坐标[math]\displaystyle{ (0,0) }[/math]到[math]\displaystyle{ (0,2n) }[/math]的折线，但任何时候都不允许低于[math]\displaystyle{ x }[/math]轴。例如下图：

   /\
  /  \/\/\    /\/\
 /        \/\/    \/\/\
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长度为[math]\displaystyle{ n }[/math]的“山峦”有多少？

• 一个长度为[math]\displaystyle{ n }[/math]的“地貌”是由[math]\displaystyle{ n }[/math]个"/"和[math]\displaystyle{ n }[/math]个"\"组成的，从坐标[math]\displaystyle{ (0,0) }[/math]到[math]\displaystyle{ (0,2n) }[/math]的折线，允许低于[math]\displaystyle{ x }[/math]轴。长度为[math]\displaystyle{ n }[/math]的“地貌”有多少？

Problem 3

A [math]\displaystyle{ 2\times n }[/math] rectangle is to be paved with [math]\displaystyle{ 1\times 2 }[/math] identical blocks and [math]\displaystyle{ 2\times 2 }[/math] identical blocks. Let [math]\displaystyle{ f(n) }[/math] denote the number of ways that can be done. Find a recurrence relation for [math]\displaystyle{ f(n) }[/math], solve the recurrence relation.

Problem 4

Let [math]\displaystyle{ \pi }[/math] be a permutation of [math]\displaystyle{ [n] }[/math]. Recall that a cycle of permutation [math]\displaystyle{ \pi }[/math] of length [math]\displaystyle{ k }[/math] is a tuple [math]\displaystyle{ (a_1,a_2,\ldots,a_k) }[/math] such that [math]\displaystyle{ a_2=\pi(a_1), a_3=\pi(a_2),\ldots,a_k=\pi(a_{k-1}) }[/math] and [math]\displaystyle{ a_1=\pi(a_k)\, }[/math]. Thus a fixed point of [math]\displaystyle{ \pi }[/math] is just a cycle of length 1.

• Fix [math]\displaystyle{ k\ge 1 }[/math]. Let [math]\displaystyle{ f_k(n) }[/math] be the number of permutations of [math]\displaystyle{ [n] }[/math] having no cycle of length [math]\displaystyle{ k }[/math]. Compute this [math]\displaystyle{ f_k(n) }[/math] and the limit [math]\displaystyle{ \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{f_k(n)}{n!} }[/math].