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05 计数的数 Numbers That Count(第6页)

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分拆数

另一方面,如果待分割集合中的n个物体是一模一样、无法区分开的,将整个集合分拆为子块的方法数就变得小得多了。

这称为第n个分拆数[8](partitionnumber)。

每一个特定的分拆对应于将n写成一些不考虑次序的正整数的和。

例如,1+1+1+1+1是5的一个分拆,还有6种其他分拆,因为我们还可以将5表示成1+1+1+2,1+2+2,1+1+3,2+3,1+4,或直接就是5。

因此第5个分拆数为7(对比第5个贝尔数,后者可由斯特林三角形计算,即1+15+25+10+1=52)。

没有简单的精确公式可以计算第n个分拆数,但有一个复杂的公式。

该公式基于印度天才数学家斯里尼瓦瑟·拉马努金(SrinivasaRamanujan)给出的一个优美近似。

分拆具有一种简单的对称性,那就是将n分拆为m个数的方案数等于将n分拆后所得数中最大值恰为m的方法个数。

要想看到这一结论的正确性,一种方法是通过分拆的费勒斯图像(Ferrar’sgraph)——或称杨表[9](Youngdiagram)。

这个图表并不神秘,无非是将分拆表示成元素逐行减少的点阵。

在图6的例子中,我们把17拆分为5+4+4+2+1+1。

注意到从左向右各列也以降序排布。

如果我们绕着左上到右下的对角线翻转整个点阵,我们就得到图示的第二个费勒斯图像,这个图像可以阐释为分拆17=6+4+3+3+1。

对第二个图像做同样的翻转,又会回到第一个图像。

我们称这两种分拆互为共轭(dual)。

这一对称性表明两种类型的分拆方案数是相等的:一种是m为结果中最大的数的分拆(即顶端行有m个点),它的共轭是一个有m行的分拆,即拆分为m个数。

例如,将17拆分为6个数的方案数,等于将17拆分使得最大数为6的方案数。

冰雹数

尽管不是一种计数工具,冰雹数(hailstonenumbers)仍然耐人寻味,因为它也是被递推定义的,不过这个数列更像我们在第3章中遇到的真因数和数列。

以下问题有好几个名字,考拉兹算法(Collatzalgorithm)、叙拉古问题(Syra),或者有时就叫3n+1问题[10]。

它基于一个简单的观察,即从任意数n开始,经过以下步骤似乎最终总是得到1:若n是偶数,将其除以2;若n是奇数,用3n+1代替它。

例如,从n=7开始,我们按照这些规则得到以下数列:

7→22→11→34→17→52→26→13→40

→20→10→5→16→8→4→2→1.

于是这一猜想对n=7成立。

实际上该猜想已经被证实对于直到一万亿以上的某个数都是正确的[11]。

但是如果你乱动了规则,事情就大不一样了。

比如,用3n-1代替3n+1会导致一个循环:

7→20→10→5→14→7→….

考拉兹算法产生的数列类似于冰雹,在很长一段时间内它们的取值大起大落,但最终似乎总会降落到地面。

在前1000个正整数中,有超过350个数上升到最大高度9232,而后则迅速跌落到1。

一旦你遇到2的幂次,就会最终得到1,因为之后这些数不会经历任何爬升,只能一路衰减到底。

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