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05 计数的数(第4页)

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例如,τ是正五边形的对角线与边长之比(如图4)。

任意两条对角线的交点将它们各自分成两段,这两段长度之比也是τ∶1。

一对相交的边和一对相交的对角线构成一个菱形(一个“正方的”

平行四边形),即如图4中的ABCD。

所有对角线的交点又组成了一个小的倒立的五边形。

图4正五边形和黄金长方形

另一种获得τ的值的方法是通过它的连分数。

连分数能将τ和斐波那契数列直接联系起来,我们将在第7章中探索这一方法。

不断数下去,斐波那契数列看起来就像一个几何数列,它的公比是黄金分割比。

正是由于这一性质和它简单的构成规则,斐波那契数列无处不在。

斯特林数和贝尔数

像二项式系数一样,斯特林数[6](Stirlingnumber)经常在计数问题中出现。

它依赖于两个变量,n和r。

斯特林数S(n,r)是将一个有n个元素的集合分割成r个子块的方法的个数,每一块都非空,且无关于块的次序和块内部元素的顺序。

(严格地说,这些称为第二类斯特林数。

第一类斯特林数与此相关,但代表了非常不同的东西,即将n个物体排列成r个环的方法总数。

)例如,含有元素a,b,c的集合只能以一种方式分成三块:{a},{b},{c};或是以三种方式分成两块,分别是{a,b},{c}和{a},{b,c}和{a,c},{b};或是以唯一一种方式分成一块:{a,b,c}。

因此S(3,1)=1,S(3,2)=3以及S(3,3)=1。

由于将一个n元素集合分割为一块或是n块都只有一种方式,因此S(n,1)=1=S(n,n)。

如果我们仿照帕斯卡三角形,也将斯特林数放置在一个三角形中,将得到如图5所示的阵列。

现在我们来解释这个三角形是如何产生的。

图5斯特林三角形

这些数也满足了一个递推关系,即每个数都联系到阵列中之前的数。

就像二项式系数一样,每个斯特林数都可以由它上方的两个数生成,但这次不再是简单的加和。

另外,我们看到二项式系数生成的算术三角形具有行对称性,这在斯特林三角形中不再成立。

如S(5,2)=15,然而S(5,4)=10。

不过递推规则依然简单。

比如,90这一项等于15+3×25。

这其实揭示了一般情形:要找到三角形中的某个数,取其上方的两个数,将第二个数乘以当前未知数所在的(自身行内的)列数,再加上第一个数。

(不同于算术三角形,这次列数从1开始计。

)用类似的方法,S(5,4)=10=6+4×1。

以上计算规则中只有加粗的部分跟算术三角形的情形不同,但这足以使对斯特林数的研究难度大大超过二项式系数。

举个例子,我们推导出了一个简单的、基于阶乘的显式公式,可以计算所有二项式系数。

类似地,第n个斐波那契数也有一个基于黄金分割比的幂次的通项公式[7],但是对于斯特林数,还没有这类公式为人所掌握。

这个递推关系并不难解释。

我们的推理类似于二项式系数的递归,给出的递推式也与那里的形式一致,只是相差了一个乘数。

为了将一个n元素集合分成r个非空子块,我们可以采取两种不同的方法。

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