Список заданий по ДМ 2к 2021 весна

1. Формальный степенной ряд $\exp(t) = e^t$ определен как $e^t=1+\frac{1}{1!}t+\frac{1}{2!}t^2+\frac{1}{3!}t^3+\ldots+\frac{1}{n!}t^n+\ldots$. Логично, что $e^{-t}=1-\frac{1}{1!}t+\frac{1}{2!}t^2-\frac{1}{3!}t^3+\ldots+(-1)^n\frac{1}{n!}t^n+\ldots$. Докажите, используя определение умножения для степенных рядов, что $e^t e^{-t}=1$.
2. Определим $\alpha \choose n$ для любого $\alpha$, как $\frac {\alpha (\alpha - 1) \ldots (\alpha - n + 1)}{n!}$. Найдите простое выражение для ${-n} \choose k$ для натуральных $n$ и $k$.
3. Формальный степенной ряд $\cos(t)$ определен как $\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac {t^{2n}}{(2n)!}$, а $\sin(t)$ определен как $\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac {t^{2n+1}}{(2n+1)!}$. Докажите, что $\sin^2(t) + \cos^2(t) = 1$.
4. Докажите, что $\sin(2t) = 2 \sin(t) \cos(t)$.
5. Пусть $B(t) = b_1 t + b_2 t^2 + b_3 t^3 + \ldots + b_n t^n + \ldots$, причем $b_1 \ne 0$. Пусть формальные степенные ряды $A(t)$ и $C(t)$ таковы, что $A(B(t)) = t$, $B(C(t))=t$. Докажите, что $A(t)=C(t)$. Этот ряд называется обратным к $B(t)$, обозначается как $B^{-1}(t)$.
6. Будем называть нулем степенной ряд $0(t) = 0 + 0t + 0t^2 + \ldots$. Докажите, что если $A(t) \ne 0(t)$, $B(t) \ne 0(t)$, то $A(t)B(t) \ne 0(t)$.
7. Докажите, что $(A(t)B(t))' = A'(t)B(t) + A(t)B'(t)$.
8. Докажите, что $\int(A'(t)B(t) + A(t)B'(t)) = A(t)B(t) - A(0)B(0)$.
9. Найдите производящую функцию для последовательности $0 \cdot 1, 1 \cdot 2, 2 \cdot 3, 3 \cdot 4, \ldots, (n - 1) \cdot n, \ldots$.
10. Найдите производящую функцию для последовательности $1^2, 2^2, 3^2, \ldots, n^2, \ldots$.
11. Последовательность $a_0, a_1, a_2, \ldots, a_k, \ldots$ имеет производящую функцию $A(t)=a_0 + a_1t + a_2t^2 + \ldots$. Найдите производящую функцию последовательности $a_0 + a_1, a_1 + a_2, \ldots, a_k+a_{k+1}, \ldots$
12. Последовательность $a_0, a_1, a_2, \ldots, a_k, \ldots$ имеет производящую функцию $A(t)=a_0 + a_1t + a_2t^2 + \ldots$. Найдите производящую функцию последовательности $a_0, a_0 + a_1, a_0 + a_1 + a_2, \ldots, \sum\limits_{i=0}^ka_i,\ldots$
13. Последовательность $a_0, a_1, a_2, \ldots, a_k, \ldots$ имеет производящую функцию $A(t) = a_0 + a_1t + a_2t^2 + \ldots$. Найдите производящую функцию последовательности $a_0, a_1b, a_2b^2, \ldots, a_kb^k, \ldots$
14. Последовательность $a_0, a_1, a_2, \ldots, a_k, \ldots$ имеет производящую функцию $A(t)=a_0 + a_1t + a_2t^2 + \ldots$. Найдите производящую функцию последовательности $a_0, 0, a_1, 0, a_2, 0, a_3 \ldots$
15. Последовательность $a_0, a_1, a_2, \ldots, a_k, \ldots$ имеет производящую функцию $A(t) = a_0 + a_1t + a_2t^2 + \ldots$. Найдите производящую функцию последовательности $a_0, a_2, a_4, a_6, \ldots$
16. Производящая функция называется рациональной, если она представима в виде отношения двух многочленов. Для производящих функций каждой из следующих последовательностей выясните, является ли она рациональной, если да, приведите ее представление в таком виде. Восстановите рекуррентное соотношение для этих последовательностей. Последовательность $1, -2, 3, -4, 5, \ldots$.
17. Последовательность $0, 1, 8, 27, 64, 125, \ldots, k^3,\ldots$
18. Последовательность $1\cdot 2^0, 2\cdot 2^1, 3\cdot 2^2, \ldots (n + 1)\cdot 2^n, \ldots$
19. Последовательность $1+1, 2+3, 4+9, \ldots, 2^n + 3^n, \ldots$
20. Последовательность $1, 1, 4, 9, 25, \ldots, f_k^2,\ldots$ ($f_i$ --- числа Фибоначчи).
21. Найдите производящую функцию для чисел "трибоначчи" $f_0=f_1=f_2=1$, $f_n = f_{n-1}+f_{n-2}+f_{n-3}$.
22. Найдите производящую функцию для последовательности, заданной рекуррентностью $f_0=f_1=f_2=1$, $f_n = f_{n-1}-2f_{n-3}$.
23. Пользуясь производящей функцией для чисел Фибоначчи, докажите утверждение, что $f_0+f_1+\ldots+f_n=f_{n+2}-1$.
24. Пользуясь производящей функцией для чисел Фибоначчи, докажите утверждение, что $f_0+f_2+\ldots+f_{2n}=f_{2n+1}$.
25. Пользуясь производящей функцией для чисел Фибоначчи, докажите утверждение, что $f_1+f_3+\ldots+f_{2n-1}=f_{2n}-1$.
26. Пользуясь производящей функцией для чисел Фибоначчи, докажите утверждение, что $f_0^2+f_1^2+f_2^2+\ldots+f_n^2=f_nf_{n+1}$.
27. Найдите производящую функцию для количества строк длины $n$ над алфавитом $\{0, 1\}$, не содержащих три нуля подряд.
28. Найдите производящую функцию для количества строк длины $n$ над алфавитом $\{0, 1\}$, не содержащих подстроки 010.
29. Найдите производящую функцию для количества строк длины $n$ над алфавитом $\{0, 1\}$, не содержащих подстроки 011.
30. Обозначим за $a_n$ количество способов разменять $n$ рублей монетами по $1$, $2$ и $5$ рублей (порядок монет важен). Постройте производящую функцию для $a_n$.
31. То же самое, что в предыдущем задании, но порядок монет не важен.
32. Можно заметить, что производящая функция последовательности $a_n = n^m$ будет иметь вид $\frac {P_m(s)}{(1-s)^{m+1}}$. Выведите рекуррентное соотношение для коэффициентов многочленов $P_{m, k}$.
33. Оказывается, что коэффициенты $P_{m,k}$ также являются количеством некоторых комбинаторных объектов. Вскройте архивы домашних заданий по комбинаторике за первый семестр и вспомните, каких.
34. Последовательность задана рекуррентным соотношением $a_0=a_1=1$, $a_n = 6a_{n-1}-8a_{n-2}$. Оцените асимптотическое поведение $a_n$ при $n\to+\infty$.
35. Последовательность задана рекуррентным соотношением $a_0=a_1=1$, $a_n = 6a_{n-2}-a_{n-1}$. Оцените асимптотическое поведение $a_n$ при $n\to+\infty$.
36. Последовательность задана рекуррентным соотношением $a_0=a_1=1$, $a_n = 6a_{n-1}-9a_{n-2}$. Оцените асимптотическое поведение $a_n$ при $n\to+\infty$.
37. Последовательность задана рекуррентным соотношением $a_0=a_1=1$, $a_n = 2a_{n-1}-2a_{n-2}$. Оцените асимптотическое поведение $a_n$ при $n\to+\infty$.
38. Пусть рациональная производящая функция имеет вид $A(t) = \frac {P(t)}{Q(t)}$, где единственный минимальный по модулю корень $Q(t)$ равен $1 / \beta$ и имеет кратность $k$. Тогда $a_n \approx C \beta^n n^{k-1}$. Покажите, что $C = k \frac {(-\beta)^k P(1 / \beta)} {Q^{(k)}(1 / \beta)}$
39. Докажите, что если последовательность $a_n$ допускает представление в виде $a_n = \sum_i p_i(n)q_i^n$, где $p_i(n)$ - полиномы, и все $q_i$ различны, то такое представление единственно с точностью до порядка слагаемых.
40. Из производящей функции чисел Каталана $C(t) = \frac {1 - \sqrt{1-4t}} {2t}$ покажите, что $C_n = \frac {1}{n+1} {2n \choose n}$.
41. Путь Моцкина - путь, начинающийся в точке $(0, 0)$, составленный из векторов $(1, 1)$, $(1, 0)$, $(1, -1)$, не опускающийся ниже оси $OX$ и заканчивающийся в точке $(n, 0)$. Напишите рекуррентное соотношение для числа путей Моцкина, найдите производящую функцию для числа таких путей. Указание: в этом и нескольких следующих заданиях напишите рекуррентное соотношение, похожее на соотношение для чисел Каталана.
42. Рассмотрим множество путей на прямой, начинающихся в 0, состоящих из шагов длины 1 вправо или влево. Будем называть такой путь блужданием. Найдите рекуррентную формулу и производящую функцию для числа блужданий из $n$ шагов, оканчивающихся в 0.
43. Найдите рекуррентную формулу и производящую функцию для числа блужданий из $n$ шагов, оканчивающихся в фиксированной точке $N > 0$.
44. Найдите рекуррентную формулу и производящую функцию для числа блужданий из $n$ шагов, оканчивающихся в фиксированной точке $N > 0$ и не заходящих в отрицательную полупрямую.
45. Произведением Адамара двух производящих функций $A(t)$ и $B(t)$ называется производящая функция для ряда $C(t) = a_0b_0+a_1b_1t+a_2b_2t^2+\ldots+a_nb_nt^n+\ldots$. Докажите, что если $A(t)$ и $B(t)$ являются рациональными, то и $C(t)$ рациональна.
46. Найдите произведение Адамара $\frac{1}{1-t}$ и $\frac{1}{1-2t}$.
47. Найдите произведение Адамара $\frac{1}{1-2t}$ и $\frac{1}{1-3t}$.
48. Найдите произведение Адамара $\frac{1}{1+3t-t^2}$ и $\frac{1}{1-2t}$.
49. Найдите произведение Адамара $\frac{1}{(1-3t)^2}$ и $\frac{1}{(1-2t)^2}$.
50. Найдите произведение Адамара $\frac{t}{1-3t+2t^2}$ и $\frac{2-4t}{1-4t+3t^2}$.
51. Найдите производящую функцию для последовательности гармонических чисел $H_n = 1+1/2+\ldots+1/n$.
52. Пусть $g_n$ задано рекуррентным соотношением: $g_0=1$, для $n>0$ выполнено $g_n=g_{n-1}+2g_{n-2}+\ldots+ng_{0}$. Найдите явную формулу для $g_n$. Найдите производящую функцию для $g_n$.
53. Один эксцентричный коллекционер покрытий при помощи домино $2 \times x$-прямоугольника платит 4 доллара за каждую вертикально расположенную костяшку и 1 доллар — за горизонтальную. Сколько покрытий будут оценены по этому способу ровно в $n$ долларов (для всех возможных $x$)? Найдите производящую функцию для числа таких покрытий.
54. Найдите производящую функцию для замощений прямоугольника $2\times n$ доминошками и единичными клетками.
55. Найдите производящую функцию для замощений прямоугольника $2\times n$ уголками (квадратами $2\times 2$ с вырезанной одной клеткой) и единичными клетками.
56. Найдите производящую функцию для замощений трехмерной колонны $2 \times 2 \times n$ кирпичами $2 \times 1\times 1$.
57. Обозначим как $F_n$ число Фибоначчи с номером $n$ ($F_0 = 1$, $F_1 = 1$, $F_k = F_{k - 1} + F_{k - 2}$). Чему равна сумма $\sum_{\substack{m > 0, \, k_i > 0 \\ k_1+k_2+\ldots+k_m=n}} F_{k_1}F_{k_2}\cdots F_{k_m}?$
58. Неявное задание КО. (а) Пусть $A$, $B$ и $X$ - семейства комбинаторных объектов, причем $B \cap X = \varnothing$, $A = B \cup X$. Пусть производящие функции для $A$ и $B$ - $A(t)$ и $B(t)$, соответственно. Найдите производящую функцию $X(t)$. (б) Пусть $A$, $B$ и $X$ - семейства комбинаторных объектов, причем $A = B \times X$. Пусть производящие функции для $A$ и $B$ - $A(t)$ и $B(t)$, соответственно. Найдите производящую функцию $X(t)$. (в) Пусть $A$ и $X$ - семейства комбинаторных объектов, причем $A = Seq(X)$. Пусть производящая функция для $A$ - $A(t)$. Найдите производящую функцию $X(t)$.
59. Неявное задание КО 2. Пусть $A$ и $X$ - семейства комбинаторных объектов, причем $A = MSet(X)$. Пусть производящая функция для $A$ - $A(t)$. Докажите, что производящая функция для $X(t)$ равна $\sum\limits_{k\ge 1}\frac{\mu(k)}{k}\log A(t^k)$, где $\mu$ - функция Мёбиуса.
60. Пусть $A$ - семейство комбинаторных объектов. Пусть $M = MSet(A)$, а $P = Set(A)$. Докажите, что $M(t) = P(t)M(t^2)$.
61. Пусть $A$ - семейство комбинаторных объектов с производящей функцией $A(t)$. Пусть $\mathbb{N}$ - множество натуральных чисел, (вес числа $k$ равен $k$). Пусть $T \subset \mathbb{N}$, обозначим как $T(t)$ производящую функцию для множества $T$. Обозначим как $Seq_T(A)$ множество последовательностей элементов из $A$, где длина последовательности лежит в множестве $T$. Обозначим как $Z$ множество из одного элемента веса $1$. Обозначим как $C^T$ множество представлений в виде суммы, где порядок слагаемых важен и слагаемые выбраны из множества $T$. Осознайте, что $C^T = Seq(Seq_T(Z))$. Найдите производяющую функцию для $C^T$.
62. Докажите, что $\frac{1}{1-z}=\prod\limits_{j=0}^\infty(1+z^{2^j})$.
63. Обозначим за $B$ множество всех конечных подмножеств $A$, в которых все элементы имеют различный вес. Выведите производящую функцию $B(t)$.
64. Определим множество "неориентированных последовательностей" $B = USeq(A)$, как множество всех последовательностей элементов из $A$, где последовательность $L$ и $rev(L)$ считаются одинаковыми. Покажите, что $B(t) = \frac 12 \frac {1}{1 - A(t)} + \frac 12 \frac {1 + A(t)}{1 - A(t^2)}$
65. Зафиксируем числа $k$ и $t$. Найдите производящую функцию для числа сочетаний из $n$ по $k$, где любые два выбранных числа отличаются как минимум на $t$. Исследуя ПФ, найдите количество таких сочетаний.
66. Зафиксируем числа $k$ и $t$. Найдите производящую функцию для числа сочетаний из $n$ по $k$, где разница между любыми соседними выбранными числами не больше $t$. Исследуя ПФ, найдите количество таких сочетаний.
67. Обозначим как $W$ множество всех слов над алфавитом $\{a, b\}$. Объясните равенство $W=Seq\{a\}\times Seq(\{b\}\times Seq\{a\})$. Проверьте равенство производящих функций.
68. Обозначим как $W^{e}$ множество слов над алфавитом $\{a, b\}$, где все отрезки подряд идущих букв $a$ имеют четную длину. Представьте $W^{e}$ как конструируемый комбинаторный объект. Найдите производящую функцию для $W^{e}$.
69. Обозначим как $W^{(k)}$ множество слов над алфавитом $\{a, b\}$, не содержащих $k$ букв $a$ подряд. Представьте $W^{(k)}$ как конструируемый комбинаторный объект. Найдите производящую функцию для $W^{(k)}$.
70. Постройте производящую функцию для строк над алфавитом $\{a, b\}$, содержащих заданную строку $s$ длины $k$ как подпоследовательность. Сделайте вывод об асимптотическом количестве таких строк.
71. Постройте производящую функцию для строк над алфавитом $\{a, b\}$, в которых нет более $k$ подряд идущих букв $a$ или $b$.
72. На лекции мы доказали, что если язык регулярный, то производящая функция его слов является рациональной. Докажите или опровергните обратное утверждение: если производящая функция слов языка является рациональной, то язык регулярный.
73. Постройте производящую функцию для строк над алфавитом $\{0, 1\}$, в которых число нулей делится на 3.
74. Постройте производящую функцию для строк над алфавитом $\{0, 1\}$, задающие числа в двоичной системе счисления, которые делятся на 3.
75. Постройте производящую функцию для строк над алфавитом $\{a, b\}$, удовлетворяющих регулярному выражению $(ab|a)^* | (ab|b)^*$
76. Найдите производящую функцию для строк, содержащих заданный паттерн $p$ как подстроку.
77. Рассмотрим бесконечную случайную строку из $0$ и $1$. Докажите, что матожидание позиции первого вхождения строки $p$ длины $k$ равно $2^k c(\frac 12)$, где $c(z)$ - автокорреляционный многочлен. Указание: можно использовать формулу $EX = \sum\limits_{n=0}^{\infty} P(X > n)$.
78. Обозначим как $P^T$ множество разбиений на слагаемые, где порядок слагаемых не важен, а слагаемые выбраны из множества $T$. Осознайте, что $P^T = MSet(Seq_T(Z))$. Найдите производящую функцию для $P^T$.
79. Постройте производящие функции для разбиений на различные слагаемые и на нечетные слагаемые. Покажите, что они совпадают.
80. Постройте производящую функцию для разбиений на не больше, чем $k$ положительных слагаемых.
81. Индекс Хирша. Докажите, что $\prod\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{1-z^n}=\sum\limits_{n\ge 1}\frac{z^{n^2}}{((1-z)\cdots(1-z^n))^2}$.
82. Будем обозначать $Seq_T$, $Cyc_T$, $Set_T$ соответственно последовательности, циклы и множества, размер которых принадлежит множеству $T$. Опишите класс помеченных объектов $Set(Cyc_{> 1}(Z))$. Найдите его экспоненциальную производящую функцию.
83. Для производящей функции из прошлого задания найдите явную формулу и асимптотическое поведение количества объектов веса $n$.
84. Опишите класс помеченных объектов $Set(Cyc_{1, 2}(Z))$. Найдите его экспоненциальную производящую функцию.
85. Сюрьекции на $r$-элементное множество. Осознайте, что $Seq_{=r}(Set_{\ge 1}(Z))$ задаёт сюрьекции на $r$-элементное множество. Найдите экспоненциальную производящую функцию.
86. Разбиения на $r$ множеств. Осознайте, что $Set_{=r}(Set_{\ge 1}(Z))$ задаёт разбиения на $r$ множеств. Найдите экспоненциальную производящую функцию. Что стоит при $z^n$?
87. Числа Белла. Число Белла $b_n$ равно числу разбиений $n$-элементного множества на подмножества (число подмножеств не фиксировано). Докажите, что экспоненциальная производящая функция для чисел Белла равна $e^{e^z-1}$.
88. Гиперболический синус $\mathrm{sh}\,z$ равен $\frac{1}{2}(e^{z}-e^{-z})$. Гиперболический косинус $\mathrm{ch}\,z$ равен $\frac{1}{2}(e^{z}+e^{-z})$. Рассмотрим разбиения $n$-элементного множества на непустые подмножества. Докажите, что для разбиений на нечетное число подмножеств экспоненциальная производящая функция равна $\mathrm{sh}(e^z-1)$.
89. Докажите, что для разбиений на четное число подмножеств экспоненциальная производящая функция равна $\mathrm{ch}(e^z-1)$.
90. Докажите, что для разбиений на произвольное число подмножеств, каждое из которых содержит нечетное число элементов, экспоненциальная производящая функция равна $e^{\mathrm{sh}\,z}$.
91. Докажите, что для разбиений на произвольное число подмножеств, каждое из которых содержит четное число элементов, экспоненциальная производящая функция равна $e^{\mathrm{ch}\,z-1}$. Почему здесь в показателе степени есть $-1$, а в предыдущем задании нет?
92. Обобщите четыре предыдущих задания. Как выглядят экспоненциальные производящие функции для разбиений на (не)четное число подмножеств, каждое из которых содержит (не)четное число элементов? (Необходимо дать четыре ответа для всех комбинаций)
93. Постройте экспоненциальную производящую функцию для перестановок, состоящих из четных циклов
94. Постройте экспоненциальную производящую функцию для перестановок, состоящих из нечетных циклов.
95. Докажите, что для четного $n$ количество перестановок, в которых все циклы четные, и количество перестановок, в которых все циклы нечетные, совпадают.
96. "Произведение с коробочкой": Обозначим $C = A^{\square} \times B$, как множество упорядоченных пар объектов из $A$ и $B$ со всеми возможными нумерациями, где атом с номером $1$ принадлежит первому элементу пары. Выведите формулу для $c_n$.
97. Докажите, что если $C = A^{\square} \times B$, то $C'(z) = A'(z) \cdot B(z)$.
98. Комбинаторный объект "двоичная куча". Рассмотрим помеченные двоичные деревья, где каждая вершина имеет двух детей, левого и правого (любое из этих поддеревьев может быть пустым), а также число в родителе вершины меньше числа в самой вершине (так, вершина с номером 1 --- всегда корень). Используя комбинаторную конструкцию "произведение с коробочкой", составьте и решите уравнение на экспоненциальную производящую функцию для двоичных куч.
99. Обозначим за $G(t)$ экспоненциальную производящую функцию всех помеченных графов. Чему равно $g_n$? Выразите производящую функцию связных помеченных графов, используя $G(t)$.