・単調非減少関数                         S.H 氏

 集合A={1,2,・・・,m}から集合B={1,2,・・・,n}(m、nは自然数)への関数Fが
調非減少関数
とは、1≦k≦m−1を満たすすべての自然数kに対して、F(k)≦F(k+1)
が成り立つときをいう。

例 F(x)=x が単調非減少関数であることは自明だろう。

 この単調非減少関数の個数は、通常、重複組合せの定番の問題として、

  n+m−1 (異なるn個のものから重複を許してm個とる組合せ)

で求められることはよく知られていることと思う。

 最近、この問いに対して、次のような考え方もあることを知った。

 集合A={1,2,・・・,m}から集合C={1,2,・・・,m+n−1}(m、nは自然数)への関
数Gを、
      G(k)=F(k)+k−1 (各kに対するF(k)の値に下駄を履かせる!)

と定義すると、F(x)が単調非減少関数であれば、G(x)は単調増加関数となり、逆もまた真
となる。

 実際に、G(x)が単調増加関数とすると、1≦k≦m−1を満たすすべての自然数kに対し
て、
    G(k)<G(k+1) すなわち、 F(k)+k−1<F(k+1)+k より、

    F(k)<F(k+1)+1 すなわち、 F(k)≦F(k+1) となり、

 F(x)は単調非減少関数となる。

 よって、求める個数は、集合A={1,2,・・・,m}から集合C={1,2,・・・,m+n−1}
への単調増加関数の個数に等しく、その個数は、

   n+m−1(個)

となる。(通常の組合せの計算となる!)

 この個数計算は、次のように漸化式を作って求めることも可能である。(若干煩雑かな?)

 単調増加となる関数G:A={1,2,・・・,m}→C={1,2,・・・,m+n−1}の個数を、

 a1(m,m+n−1)

とおく。 m=1のとき、 a1(1,n)=n である。

 m≧2 とし、G(m)=p であるとすると、G(1)<G(2)<・・・<G(m−1)は、

  1<2<・・・<p−1

に値を取るので、数学的帰納法により、

 a1(m,m+n−1)=Σp=mm+n−11(m−1,p−1)=Σp=mm+n−1p−1m−1

            =m−1m−1m−1+・・・+m+n−2m−1n+m−1

 上記の計算では、「2項係数の性質」の(11)の公式が用いられている。

   n+1n+2+・・・+n+mn+m+1n+1



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