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定义Definition

第一类 Stirling 数

Unsigned Stirling number of the first kind · Signed Stirling number of the first kind · 循环数

以可逆的循环插入证明第一类Stirling递推,区分有符号和无符号约定,复算四阶全表与循环型。

形式陈述 ​

记 c(n,k) 为 [n] 上恰有 k 个不相交循环的排列数,固定点也算一个长度一的循环。称 c(n,k) 为无符号第一类 Stirling 数,常记为 [nk]。本页另规定有符号版本

s(n,k)=(−1)n−kc(n,k).

不少文献直接把 s 称“第一类 Stirling 数”,查表时必须先看符号约定。

初值为 c(0,0)=1,n>0 时 c(n,0)=0;k<0 或 k>n 时为零。对 n≥1 和整数 k,有

c(n,k)=c(n−1,k−1)+(n−1)c(n−1,k).

因而 s(n,k)=s(n−1,k−1)−(n−1)s(n−1,k)。固定 n 后,循环数生成多项式为

Cn(u)=∑k=0nc(n,k)uk=u(u+1)⋯(u+n−1),C0(u)=1.
直觉

增加最大标签 n 时,只有两种互斥选择。它可以自己成为一个循环 (n),于是旧排列少一个循环;也可以插入旧循环的一条箭头中,循环总数保持不变。

第二种情况恰有 n−1 个插入位置。对于每个旧元素 a,原来的箭头 a↦b 改成 a↦n↦b;插入位置由 a 唯一指定。反向删掉 n 并把其前驱直接接到后继,就恢复旧排列和那个位置。循环记号的旋转书写不会额外创造位置。

例如从 (1 3)(2) 出发,把 4 插到 1 后得到 (1 4 3)(2);插到 3 后得到 (1 3 4)(2);插到 2 后得到 (1 3)(2 4)。三份结果与三个旧元素一一对应。

把递推乘 uk 并求和,得到 Cn(u)=(u+n−1)Cn−1(u)。从空排列开始连乘便证明阶乘积,而不是从一个已知积式倒猜计数含义。

例子与边界

从空行起算,n=0,1,2,3,4 的非零部分依次为

n∖k012340100001010002011003023104061161

其中 c(4,2)=c(3,1)+3c(3,2)=2+9=11。不依赖递推的核验按循环型分类:一个三循环加一个固定点有 (43)⋅2=8 份;两个二循环有 3 份,合计十一。一个四循环有 3!=6 份;一个二循环加两固定点有 (42)=6 份;四固定点有一份,总计二十四。

因此

C4(u)=u4+6u3+11u2+6u,∑ks(4,k)uk=u4−6u3+11u2−6u.

前式 u=1 得 4!;后式 u=1 得零,后者不是排列总数。这里的负号服务于基变换,而非“负数个排列”。

循环有方向:(1 2 3) 与 (1 3 2) 不同;只是循环起点可以旋转。集合划分的三元块只有一个无序集合,所以第二类 Stirling 数不会给它两种方向。两类数在 n=3,k=2 碰巧相等,不能据一个小值认作同一统计。

推论与应用

循环构造已经给出排列是循环的无序集合。本页补足的插入证明与该规格独立相容:每个非空标号循环的EGF为 ∑m≥1zm/m=log⁡(1/(1−z)),用 u 标记循环数,得

∑n≥0Cn(u)znn!=exp⁡(ulog⁡11−z).

在 Q[u][[z]] 中每个系数都是有限多项式;记成 (1−z)−u 是这项形式定义,不需要先把 u,z 当数值。固定 k 取系数得到 ∑nc(n,k)zn/n!=logk⁡(1/(1−z))/k!。

阶乘基变换把有符号版本与第二类数配成互逆矩阵。Foata 基本变换则给另一种完整统计:有 k 个循环的排列,与单行列表有 k 个从左到右新纪录的排列一样多。一个结论通向代数换基,另一个通向结构双射,不能用“都是同一张数表”替代证明。

参考资料
关系图谱11 个相邻概念 · 2 类关系

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