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定理Theorem

Carlitz q-Eulerian 联合多项式

Carlitz q-Eulerian polynomial · Euler–Mahonian distribution · Descent major-index polynomial

按插入缝的主指标增量推导下降与主指标联合递推,并由稳定排序与差分参数给出加权Worpitzky生成函数。

形式陈述 ​

对 Sn 中的排列,同时记录下降数与主指标:

An,k(q)=∑w∈Sndes(w)=kqmaj(w),An(t,q)=∑kAn,k(q)tk.

本页称这组为 Carlitz q-Eulerian 多项式。零下降起算;A0,0=A1,0=1,非空排列只允许 0≤k<n,越界项取零。写 [r]q=1+q+⋯+qr−1(r≥1)、[0]q=0,则对 n≥2,0≤k<n,

An,k(q)=[k+1]qAn−1,k(q)+qk[n−k]qAn−1,k−1(q).

它还满足形式生成函数恒等式

∑m≥0[m+1]qntm=An(t,q)∏j=0n(1−tqj).

等式位于 Z[q][[t]];每个 tm 系数是有限多项式,分母常数项为一。n=0 时左边为 1/(1−t),也成立。这里的 q 记录主指标,并非超越数或任意另一种 Mahonian 统计。

直觉

知道主指标与逆序各自的分布,仍不知道它们如何与下降数关联。要保留两个统计,插入最大元时不能只数“有几个合法缝”,还必须记录每条缝使主指标增加多少。

设旧词 u 长 m=n−1,有 d 个下降。插入最大元 n:

  • 末尾不变,主指标增量为零
  • 在下降位置 i 的缝中插入,旧下降 i 变成下降 i+1,其右侧每个下降也右移一步,故增量为 1+|{j∈Des(u):j>i}|
  • 在最前插入,新增位置一的下降,旧 d 个下降右移,故增量为 d+1
  • 在上升位置 i 插入,新增下降在 i+1,右侧下降右移,故增量为 i+1+|{j∈Des(u):j>i}|

前两类不改下降数。把下降缝从右到左读,增量正好是 1,…,d,连同末尾零,权重和为 [d+1]q。后两类增加一个下降;最前增量为 d+1,上升缝从左到右依次再多一,直到 m,权重和为 qd+1[m−d]q。删掉唯一最大元恢复旧词与缝,因此这些权重没有重复。令目标下降数为 k,便得两个递推项。

例子与边界

用旧词 u=3142,下降在位置一、三,d=2,主指标四。五条插入缝给

位置新词desmaj−4最前53142333|135142221|431542344|23145221末尾3142520

所以这一个旧词贡献 t2q4(1+q+q2)+t3q4(q3+q4)。增量取决于缝的下降类型和右侧下降数,不能只用新元右边有几个字母,那是逆序插入的规则。

三阶与四阶结果为

A3(t,q)=1+(2q+2q2)t+q3t2,A4(t,q)=1+(3q+5q2+3q3)t+(3q3+5q4+3q5)t2+q6t3.

四阶恰有一个下降时,下降在位置一、二、三的数量分别为三、五、三,故主指标恰为一、二、三,独立给出 t 的系数。代 q=1 恢复 1+11t+11t2+t3;代 t=1 得 [4]q!,两种核验保留的信息不同。

联合分布不能用逆序直接替换:三元素恰有一次下降的词为 132,213,231,312,其主指标分布为 2q+2q2,逆序分布也碰巧相同;但四阶的一次下降逆序分布为 3q+4q2+3q3+q4,已经不同。单看三阶相等不足以支持一般主张。

重复字母时,“删去唯一最大元”和“每对相邻值非升即降”都可能失效。112 的重排仅有 112,121,211,联合多项式为 1+t(q+q2);它不是 A3(t,q) 除以二。空排列单独给初值,不将非空词的内部缝分类硬套到长度零。

推论与应用

加权稳定排序证明生成函数 ​

先固定 m≥0,给每个标签 i∈[n] 指定 f(i)∈{0,…,m},用 q∑if(i) 加权。独立选值的总权重为 [m+1]qn。

把标签按函数值 递减 排列,相等时按标签递增,得到唯一 w。沿它的值序列满足

a1≥⋯≥an≥0,ai>ai+1 (i∈Des(w)),a1≤m.

这与Worpitzky 页的值递增版本有方向区别;这里选递减,才能让总值的强制增量恰为主指标。

置 an+1=0、εi=1{i∈Des(w)},令

bi=ai−ai+1−εi≥0.

每个 b∈Nn 唯一恢复 ai=∑j=in(bj+εj)。因此

a1=des(w)+∑ibi,∑iai=maj(w)+∑iibi.

给定 b 后,再对所有允许上限 m≥a1 求和,产生 ta1/(1−t)。分别求各个 bi 的几何级数,得到

∑m≥0tm∑f 排成 wq∑f(i)=tdes(w)qmaj(w)(1−t)∏i=1n(1−tqi).

最后对所有 w 求和便得主公式。固定 tm 时,全部 bi 的和不超过 m,所以所有换序都只汇总有限项,不隐藏解析收敛条件。

一个具体系数检查 ​

n=3,m=1 时,左边为 (1+q)3=1+3q+3q2+q3。右边取 t1:分母倒数的一次系数为 1+q+q2+q3,加上分子的 t 系数 2q+2q2,正好相同。若误用上升排序却仍保留 maj 而不改为反向位置权重,这一步容易出错。

代 q=1 后,主公式变为 ∑m≥0(m+1)ntm=An(t)/(1−t)n+1,与旧 Worpitzky 的下标平移一致。对数值 t,q 求和则还需另查收敛;本页不从形式恒等式推出任意点的无穷求值。

参考资料
关系图谱5 个相邻概念 · 2 类关系

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