组合数学 (Fall 2019)/Problem Set 2

• 第四题有一处笔误，本题只有n,k两个量。已改正，见红色字体。

Problem 1

假设我们班上有[math]\displaystyle{ n+2 }[/math]个人，其中两个人是DNA完全相同的双胞胎。我们收上[math]\displaystyle{ n+2 }[/math]份作业后，将这些作业打乱后发回给全班同学，每人一份。要求每个人不可以收到自己那一份作业或者与自己DNA相同的人的作业。令[math]\displaystyle{ T_n }[/math]表示满足这个要求的发回作业的方式，问：

• 计算[math]\displaystyle{ T_n }[/math]是多少；
• 在[math]\displaystyle{ n\to\infty }[/math]时，随机重排并发回作业后，满足上述要求的概率是多少。

Problem 2

你要设计一个标志，以下形状中的12条等长线段可以分别由红、绿、蓝三色之一构成。要求考虑这个形状的“转动”和“反转”两种对称。

    __
 __|  |__
|__    __|
   |__|

• 定义对称构成的群，可以通过生成元定义，也可以直接把元素都写出来；
• 写出cycle index和pattern inventory；
• 直接写出三种颜色出现的次数一样多的次数。可以借助一些数学软件如Mathematica的帮助。

Problem 3

Select a permutation of [math]\displaystyle{ [n]=\{1,2,\dots,n\} }[/math] from the symmetric group [math]\displaystyle{ S_n }[/math] uniformly at random. (All permutation are supposed to have an equal probability of selection.)

• What is the probability that the cycle containing 1 has length [math]\displaystyle{ k }[/math]?
• What is the expected number of cycles?

Problem 4

For any [math]\displaystyle{ k }[/math]-size subset [math]\displaystyle{ A }[/math] of vertices set [math]\displaystyle{ \{1,2,\dots,n\} }[/math], there are [math]\displaystyle{ T_{n,k} }[/math] forests on the [math]\displaystyle{ n }[/math] vertices with exactly [math]\displaystyle{ \color{red}k }[/math] connected components that each element of [math]\displaystyle{ A }[/math] is in a different component.

• Prove [math]\displaystyle{ T_{n,k}=\sum_{i=0}^{n-k}\binom{n-k}{i}T_{n-1,k+i-1} }[/math].
• Prove [math]\displaystyle{ T_{n,k}=k\cdot n^{n-k-1} }[/math].

Problem 5

Give a dynamic programming algorithm that given as input a bipartite graph [math]\displaystyle{ G(U,V,E) }[/math] where [math]\displaystyle{ |U|=|V|=n }[/math], returns the number of perfect matchings in [math]\displaystyle{ G }[/math] within time [math]\displaystyle{ O(n^22^n) }[/math].