Числа Эйлера I и II рода

Числа Эйлера I рода (Eulerian numbers) — количество перестановок чисел от 1 до n таких, что в каждой из них существует ровно m подъемов. Числа Эйлера I рода обозначают как [math]\langle{n\atop m}\rangle [/math] или же [math]A(n, m)[/math].

Определение:

Пусть [math]a[/math] и [math]b[/math] - элементы некоторой перестановки порядка [math]n[/math] причем [math]a \gt b[/math]. Тогда пара [math](a, b)[/math] называется подъемом (ascent) данной перестановки.

Вывод рекуррентной формулы

Пусть у нас есть некая перестановка [math] \pi = \pi_1, \pi_2...\pi_{n-1} [/math]. Тогда операцией вставки элемента с номером n в какую-либо из позиций мы получим [math]n[/math] перестановок вида [math]\theta = \theta_1, \theta_2...\theta_p, n, \theta_q...\theta_{n-1}[/math]. Далее рассмотрим два случая:

1. Количество подъемов в перестановке [math]\theta[/math] равно количеству подъемов в [math]\pi[/math]. Этого можно добиться, вставляя элемент [math]n[/math] на самое первое место в [math]\theta[/math] (всего [math]\langle{n\atop m}\rangle [/math] возможностей) или перед последним последним элементом каждого подъема(еще [math]k \times [/math][math] \langle{n\atop m}\rangle [/math] раз).

2. Количество подъемов в новой перестановке на один больше предыдущего количества. Этого эффекта добиваемся вставкой элемента [math]n[/math] в конце каждой перестановки или после элемента перестановки со значением [math]n-1[/math]. Таких элементов, как не трудно догадаться, будет [math](n - k)[/math][math]\langle{n\atop m}\rangle[/math].

Тогда рекуррентная формула имеет вид:

[math]\left\langle{n\atop m}\right\rangle = (m + 1)\left\langle{n - 1\atop m}\right\rangle + (n - m)\left\langle{n - 1\atop m - 1}\right\rangle[/math]

Примем также следующие начальные значения:

[math]\langle{n\atop m}\rangle = 0[/math], если [math]m \lt 0[/math] или если [math]n = 0[/math];

Пример

Рассмотрим все перестановки порядка [math]4[/math], в которых есть ровно 2 подъема (в квадратных скобках один или больше подъемов подряд): [math] \left\langle{4\atop 2}\right\rangle = 11: [124]3, [13][24], [134]2, [14][23], 2[134], [23][14], [23][41], [24][13], 3[124], [34][12], 4[123], [/math]

Согласно алгоритму вывода рекуррентной формулы мы можем добавить '4' в следующие позиции всех перестановок порядка [math]3[/math] с двумя подъемами, не увеличив количество подъемов:

[math] \left\langle{3\atop 2}\right\rangle = 1: [123] =\gt (4)[123], [1(4)][23], [12(4)]3 [/math]

Далее рассмотрим все перестановки порядка [math]3[/math] с одним подъемом, причем операцией вставки [math]4[/math] мы будем увеличивать количество перестановок на 1:

[math] \left\langle{3\atop 1}\right\rangle = 4:[/math]

[math][13]2 =\gt [13(4)]2, [13][2(4)];[/math]

[math]2[13] =\gt [2(4)][13], 2[13(4)];[/math]

[math][23]1 =\gt [23(4)]1, [23][1(4)];[/math]

[math]3[12] =\gt [3(4)][12], 3[12(4)];[/math]

Таким образом мы убеждаемся в верности формулы:

[math] \left\langle{4\atop 2}\right\rangle = (2 + 1) \left\langle{3\atop 2}\right\rangle + (4 - 2)\left\langle{3\atop 1}\right\rangle = 11;[/math]

Треугольник чисел Эйлера I рода и явная формула

Явная формула

Приведем также без вывода явную формулу для вычисления чисел Эйлера I рода:

[math]\left\langle{n\atop m}\right\rangle = \sum_{k=0}^{m}[ (-1)^k {n+1\choose k} (m+1-k)^n][/math]

Треугольник чисел Эйлера I рода

На значениях [math]n = m[/math] чисел Эйлера I рода можно построить массив [math]n \times m[/math], нижнедиагональная часть которого названа треугольником чисел Эйлера I рода.

	k = 0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
n = 0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
3	1	4	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
4	1	11	11	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
5	1	26	66	26	1	0	0	0	0	0	0	0	0
6	1	57	302	302	57	1	0	0	0	0	0	0	0
7	1	120	1191	2416	1191	120	1	0	0	0	0	0	0
8	1	247	4293	15619	15619	4293	247	1	0	0	0	0	0
9	1	502	14608	88234	156190	88234	14608	502	1	0	0	0	0
10	1	1013	47840	455192	1310354	1310354	455192	47840	1013	1	0	0	0
11	1	2036	152637	2203488	9738114	15724248	9738114	2203488	152637	2036	1	0	0
12	1	4083	478271	10187685	66318474	162512286	162512286	66318474	10187685	478271	4083	1	0

Стоит отметить, что гистрограмма, построенная на значениях чисел Эйлера I рода аппроксимируется к гистограмме, построенной на биноминальных коээфициентах (оба графика, представленные справа, смасштабированы; масштаб указан на гистограмме):

Числа Эйлера I рода (m < 90)

Биномиальные коээфициенты (m < 60)

Полезные факты о числах Эйлера I рода 1. Нетрудно увидеть, что каждый ряд ненулевых значений симметричен относительно своей середины, то есть:

[math]\left\langle{n\atop m}\right\rangle = \left\langle{n\atop (n-1) - k}\right\rangle,\ n \ge 1,\ 0 \le k \le n-1. \, [/math]

2. Сумма всех значений каждого ряда равна [math] n! [/math]:

[math]\sum_{k=0}^{n} \left\langle{n\atop m}\right\rangle = n!,\ n \ge 0, \,[/math]

3. [math]\sum_{m=0}^n (-1)^m {\left\langle{n\atop m}\right\rangle}{n-1\choose m}^{-1}=0.[/math]