求不定方程 x1+x2+x3+……xm=n(n≥m) 的正整数解的组数。
解答:
1。先求此不定方程的非负整数解的组数
我们不妨用黑白球的方法去作:
设有n个相同的白球,m-1个编号分别为1,2,3,…,m-1的黑球,把它们混放在一起,再排成一排,使黑球从左到右按编号顺序排列(两个相邻黑之间也可有白球,也可以没有白球),
设第一号黑球前白球的个数为x_1,
设第一号黑球后第二号黑球前白球的个数为x_2,
设第二号黑球后第三号黑球前白球的个数为x_3,
…… …… …… …… …… …… ……
设第m-2号黑球后第m-1kgn 黑球前白球的个数为x_m-1,
设第m-1号(即最后一个黑球)后面的白球个数为x_m。
那么有:
x_1+x_2+x_3+…+x_m=n
故此方程非负整数解的组数等于按这种方法的排列的个数。
因黑白球总个数为n+m-1,由排列组合知识可知道,按这种方法的排列的个数等于1至n+m-1数字中取n个数字的组合数C(n+m-1,n)=(n+m-1)!/((m-1)!*n!)。
(选出的n个数字为白球在排列中的位置)
所以,此方程非负整数解的组数等于(n+m-1)!/((m-1)!*n!)。
这也称为求元素可重复组合数的公式。
2。再求此不定方程的正整数解的组数
此方程正整数解的组数(n≥m)等价于求方程
a1+a2+a3+……am=n-m非负整数解的组数
所以,此方程正整数解的组数等于(n-1)!/((m-1)!*(n-m)!)。
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不定方程
x1+x2+x3+……xm=n(n≥m)的正整数解中的每一个分量xi(i=1,2,。。,m)至少为1且至少有一个不小于1,这样我们把n看成是由n个1组成的正整数,它们之间有n-1个空格(此时不算头尾的两个空),然后用m-1个挡板进行插空,就可以得到m堆数,每一堆数对应一个分量xi(i=1,2,。
。。,m)。这样的组合数有C(n-1,m-1)种,就是不定方程的正整数解数。
这个是比较简单的,求完这个后,就可以相应的求不定方程
x1+x2+。。。+xk=r --------------------(1)
(k,r属于正整数)的非负整数解的个数。
方程(1)的求法有好多种,一种就是转化成为上面所求的。
另外还可以用生成函数求解:我们可以这样理解,先考虑x1,x1最小可以取0,最大可以最r;同理对于其它的xi(i=2,3,。
。。,k)也一样,但是它们必同时满足(1)(这里有点?铝耍缓靡馑迹?
生成函数G(x)=(1+y+y^2+。 。。+y^r)(1+y+y^2+。。。+y^r)。。。
(1+y+y^2+。。。+y^r)(总共有k个因式相乘,每个因式对应一个xi(i=1,2,。。。,k))是个幂级数,其中y^r的系数a(r)就是(1)的非负整数解个数。
第i个因式(1+y+y^2+。
。。+y^r)中的y^mi(mi=0,1,。 。。,r)表示xi取mi,由于每个因式都这样,最终乘出来时的y^r是k个y^mi个相乘,得到
r=m1+m2+。。。+mk,与(1)有相同的解。
至于生成函数的系数怎么求,由于我们考虑的幂级数都是收敛的,
所以生成函数G(x)=[1/(1-y)]^k,最终可以像用二项式定理的展开那样,系数用组合的形式写成一个和式。 由于符号在这里不好写,所以在这里就略了,还请见谅。
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方程x1+x2+......+xm=n(m,n是满足m=<n的正整数)的解的个数把问题看成:n个小球排列在一个槽中,要用m-1个隔板把这些球隔开,得到m个数据.就是从n-1个"空"中选取m-1个,所以共有 C(n-1),m-1)=(n-1)!/[(m-1)!(n-m)!]个不同的解.
m个人分n块不同的地,n>=m,求所有的解个数
如果允许有人分不到地
n的m次方
如果不允许有人没有分到地的话
结果是
(2的(n-1)次方-1)* (2的(n-2)次方-1)*…………* (2的(n-m+1)次方-1)
证明:
这里因为打不出一些数学符号,设2的x次方为2^x,组合数从n中选出m个为C(n,m),
设n块地分给m个人解法为Km个,n块地分给m+1个人解法为K(m+1)个,于是有
K(m+1)=Km(C(n-m,1)+C(n-m,2)+……+C(n-m,n-m)) (1)
=Km(2^(n-m)-1)
而易知K1=1,所以就得到
Km=(x^(n-1-1)* (2^(n-2)-1)*…………* (2^(n-m+1)-1)
解释一下(1)式,意思为设已经分给了m个人,每个人依次分到的是i1,i2,……,im个,而又添一个人,于是第(m+1)个人可以获得从1到(n-m)这些树木的地块
对于1来说,就是从已经分处的地中,减去每个人必须占有的一块地,即剩(n-m)块中组合,即C(n-m,1),其他可以类推 :)。
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