母函数问题是组合数学中非常经典的问题,大概是本科二年级的课程,非常有意思的一门课,当然也是非常精深的一门课。
定义
对于序列a0,a1,a2。…构造函数G(x):
则称函数G(x)是序列a0,a1,a2。…的母函数。
非常明显,依据二项展开式。非常easy知道(1+x)^n是序列C(n,0),C(n,1),…,C(n,n)的母函数。假设已知序列a0,a1。a2,…则相应的母函数G(x)便可依据定义给出。
反之。如若已经求得序列的母函数G(x),则该序列也随之确定。 将序列a0,a1。a2,…记为{an}
Example
砝码问题
经典的母函数问题就是砝码问题,即若有1克、2克、3克、4克的砝码各一枚。能称出哪几种重量?各有几种可能方案?
利用母函数,能够轻松求解该问题。
考虑构造母函数。用x的指数表示称出的质量。则:
1个1克的砝码能够用函数1+x表示,
1个2克的砝码能够用函数1+x^2表示,
1个3克的砝码能够用函数1+x^3表示,
1个4克的砝码能够用函数1+x^4表示。
几种砝码的组合能够称重的情况。能够用以上几个函数的乘积表示:
(1+x)( 1+x^2)( 1+x^3)( 1+x^4),将该式子展开,x的指数表示能够称出的重量。其系数表示该种重量的方案数。邮票问题
砝码问题指定了每种砝码的数量,另一个经典的问题就是邮票问题。即求用1分、2分、3分的邮票贴出不同数值的方案数。
与砝码问题所不同的是。邮票同意反复,所以构造的母函数也就不同,
这一类问题,经常涉及到“整数拆分”的概念。所谓的“整数拆分”就是把一个整数分解成若干个整数的和。事实上就相当于把n个无差别的球放到n个无标志的盒子。盒子同意空着,也同意放多个球。整数拆分成若干个整数的和,不同拆分法的总数叫做拆分数。
以上述的邮票问题为例,将上式展开后,以x^4为例,其系数为4。即将4拆分成1、2、3的拆分数是4,即4=1+1+1+1=1+1+2=1+3=2+2.
编码实现
对于母函数这一类问题,事实上求解的思路非常清晰,最关键的问题就是怎样模拟多项式的展开。
以邮票问题为例。编码实现。
输入为一个整型数值n。输出用1分、2分、3分…n分的邮票组合出数值n的方案数。
/*
Name:
Copyright:
Author: Lijiansong
Date: 06/08/15 17:38
Description:
组合数学,母函数问题,求用1分、2分、3分、4分等的邮票贴出数值n的方案数。
*/
#include<iostream>
using namespace std;
const int num=10000;
// c1表示各项质量砝码能够组合的数目
// c2是中间量。表示每一次的情况
int c1[num+1],c2[num+1];
int main(){
int n,i,j,k;
while(cin>>n){//n表示待组合的数值
for(i=0;i<=n;++i){
//1+x+x^2+x^3+...+x^n初始化,将质量从0-n的全部砝码初始化为1
c1[i]=1;
c2[i]=0;
}
for(int i=2;i<=n;++i){//i从2遍历到n,表示第i个表达式
for(j=0;j<=n;++j)
//j从0遍历到n,j表示在第i个表达式里的第j个变量
for(k=0;k+j<=n;k+=i){
//k表示的是第j个指数,k每次递增i(由于第i个表达式的增量是i)
c2[j+k]+=c1[j];
}
for(j=0;j<=n;++j){
//将c2的值赋给c1,而把c2初始化为0,由于c2每次是从一个表达式中開始的
c1[j]=c2[j];
c2[j]=0;
}
}
cout<<c1[n]<<endl;
}
return 0;
}