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定理Theorem

Ferrers 棋盘的阶乘因式分解

Ferrers rook factorization · Factorial rook polynomial · Goldman–Joichi–White factorization

以嵌套行的双计数证明阶乘车多项式线性分解,算出阶梯板车数并构造集合划分的弧编码。

形式陈述 ​

给非负整数 0≤b1≤⋯≤bn,定义具有嵌套行的 Ferrers 棋盘

B={(i,j):1≤i≤n, 1≤j≤bi}.

第 i 行包含从第一列起的连续 bi 格。允许空行;每行所能使用的列集合包含前面各行的列集合。文献也常转置为从左到右递增的列高,公式完全相同。

设 rk(B) 是非攻击车数。用下降阶乘写成的新多项式满足

FB(x):=∑k=0nrk(B)xn−k―=∏i=1n(x+bi−i+1).

这是阶乘基中的车多项式因式分解。它不是说普通 RB(t)=∑rktk 等于右边的积;两者系数的排列方向与基都不同。

直觉

给每行左侧再接 x 个公共的新列,并暂取整数 x≥n。扩充后的第 i 行长 x+bi。按行放满 n 个互不攻击的车:第一行有 x+b1 个选择;放第 i 行时,前面 i−1 个车用过的列都在本行可用范围内,因为各行嵌套。因此正好剩 x+bi−(i−1) 个选择,乘起来得到右边。

另一种数法先看有多少车落在旧棋盘。假设有 k 个,选它们有 rk(B) 种。未用的 n−k 行需要在公共新列中选互异列,恰有 xn−k― 种。旧列与新列本来就不相交,二者不会冲突。每份满行放置按旧区/新区分解唯一,得到左边。

两边都是多项式,在所有足够大的整数 x 上相等,因此恒等。这一步让最终公式在任意 x 上有效,却没有把负数个新列当作棋盘。

例子与边界

取行长 (1,2,4),则移位量 bi−i+1 是 (1,1,2),所以

FB(x)=(x+1)2(x+2)=x3+4x2+5x+2.

设 FB=x3―+r1x2―+r2x+r3。代入 x3―=x3−3x2+2x、x2―=x2−x,逐系数解得

r1=7,r2=10,r3=2,RB(t)=1+7t+10t2+2t3.

独立按两行配对数两车:行一与二贡献 1(2−1)=1,行一与三贡献 1(4−1)=3,行二与三贡献 2(4−1)=6,合计十。放满三行依次有 1,1,2 个选择,得到二。

嵌套条件不能只换成“每行知道长度”。对 B={(1,1),(2,2)},行长也是 (1,1),但行集合不嵌套。实际 r=(1,2,1),所以 FB=x(x−1)+2x+1=x2+x+1;错用乘积只得 x(x+1)。前面已用的列未必在下一行中,证明中“恰减去一”在这里失效。

补一个空行会改变 n 与阶乘多项式的坐标。因此比较两板的移位量时必须先统一行数,可以在短板前面补空行;不能把不同长度的两个移位多重集直接比较。

推论与应用

对阶梯板 bi=i−1,所有移位量都是零,故

xn=∑k=0nrk(B)xn−k―.

与第二类 Stirling换基比较,得到 rk(B)=S(n,n−k)。n=4 时是 RB(t)=1+6t+7t2+t3。

这个等式还有不用多项式的可逆证明。将格子 (i,j)(j<i)上的车变为有向弧 j→i。非攻击保证每个顶点至多一条出弧、至多一条入弧;弧从小到大,不可能成环,所以图分解为递增路径,包括孤立点。n 个顶点、k 条弧留下 n−k 个路径块。反向对每个集合块把元素递增相连,就恢复唯一的车放置。例如划分 {1,3,4}|{2} 给车 (3,1),(4,3)。

固定 n 时,两块 Ferrers 板的车数完全相同,当且仅当移位多重集 {bi−i+1} 相同:一边是阶乘基展开唯一,另一边是首一多项式的线性因子唯一。行长 (1,3) 与 (2,2) 分别给移位 (1,2)、(2,1),都具有 RB=1+4t+2t2。车数相同不意味着棋盘形状相同;第一板有三个非空列,第二板只有两个。

参考资料
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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