O „Średniej wysokości posadzonych platanów” Knuth, de Bruijn i Rice (1972)


15

Staram się czerpać z klasycznej pracy tytułowej tylko elementarne środki (bez funkcji generujących, bez złożonej analizy, bez analizy Fouriera), choć ze znacznie mniejszą precyzją. Krótko mówiąc, „tylko” chcę udowodnić, że średnia wysokość drzewa z węzłami (to znaczy maksymalną liczbą węzłów od korzenia do liścia) spełnia .hnnhn∼πn

Zarys jest następujący. Niech będzie liczbą drzew o wysokości mniejszej lub równej (z konwencją dla wszystkich ) i B_ {nh} liczbą drzew n węzłów o wysokości większej lub równej h + 1 (to znaczy B_ {nh} = A_ {nn} - A_ {nh} ). Następnie h_n = S_n / A_ {nn} , gdzie S_n jest skończoną sumą S_n = \ sum_ {h \ geqslant 1} h (A_ {nh} - A_ {n, h-1}) = \ sum_ {h \ geqslant 1 } h (B_ {n, h-1} - B_ {nh}) = \ sum_ {h \ geqslant 0} B_ {nh}. Dobrze wiadomo, że A_ {nn} = \ frac {1} {n} \ binom {2n-2} {n-1} h A n h = A n n h ⩾ n B n h n h + 1 B n h = A n n - A n h h n = S n / A n n S n S n = ∑ h ⩾ 1 h ( A n h - A n , h -AnhhAnh=Annh⩾nBnhnh+1Bnh=Ann−Anhhn=Sn/AnnSnA n n = 1

S.n=∑h⩾1h(ZAnh-ZAn,h-1)=∑h⩾1h(bn,h-1-bnh)=∑h⩾0bnh.
ZAnn=1n(2)n-2)n-1), ponieważ zbiór ogólnych drzew z węzłami n jest wstrząsany zestawem drzew binarnych z węzłami n-1 , liczonymi przez liczby katalońskie.

Dlatego pierwszym krokiem jest znalezienie bnh a następnie głównego terminu w asymptotycznej ekspansji S.n .

W tym momencie autorzy wykorzystują kombinatorykę analityczną (trzy strony) do uzyskania

Bn+1,h−1=∑k⩾1[(2nn+1−kh)−2(2nn−kh)+(2nn−1−kh)].

Moja własna próba jest następująca. Rozważam bijection między drzewami z n węzłami i ścieżkami monotonicznymi na kwadratowej siatce (n−1)×(n−1) od (0,0) do (n−1,n−1) które nie przecinają przekątnej (i składają się z dwóch rodzajów kroków: ↑ i → ). Ścieżki te są czasem nazywane ścieżkami Dyck lub wycieczkami . Mogę teraz wyrazić Bnh w kategoriach ścieżek kratowych: jest to liczba ścieżek Dyck o długości 2 (n-1) i wysokości większej lub równej h . (Uwaga: drzewo wysokości h jest bijection ze ścieżką Dyck o wysokości h−1 .)

Bez utraty ogólności, zakładam, że zaczynają się od ↑ (stąd pozostają powyżej przekątnej). Dla każdej ścieżki rozważam pierwszy krok przekraczający linię y=x+h−1 , jeśli istnieje. Z powyższego punktu, aż do początku, zmieniam ↑ na \ w prawo→ i na odwrót (jest to odbicie w linii y=x+h ). Staje się oczywiste, że ścieżki, które chcę policzyć ( Bnh ) są bijection ze ścieżkami monotonicznymi od (−h,h) do (n−1,n−1) które omijają granice y=x+2h+1 , a y=x−1 . (Patrz rysunek .)

W klasycznej książce Lattice Path Counting and Applications autorstwa Mohanty'ego (1979, strona 6) formuła zlicza liczbę ścieżek monotonicznych w sieci od do , które omijają granice , a , o i . (Ten wynik został po raz pierwszy ustalony przez rosyjskich statystyk w latach 50.) Dlatego, rozważając nowe pochodzenie w , spełniamy warunki wzoru: ,

∑k∈Z[(m+nm−k(t+s))−(m+nn+k(t+s)+t)],
(0,0)(m,n)y=x−ty=x+st>0s>0(−h,h)s=1t=2h+1a punkt docelowy (prawy górny róg) jest teraz . Następnie Można to uprościć w co z kolei odpowiada Różnica w stosunku do oczekiwanego wzoru polega na tym, że sumuję ponad liczby nieparzyste ( ) zamiast wszystkich liczb całkowitych dodatnich ( ).B n h = ∑ k ∈ Z [ ( 2 n - 2(n+h−1,n−h−1)Bn+1,h-1=∑k∈Z[ ( 2n
Bnh=∑k∈Z[(2n−2n+h−1−k(2h+2))−(2n−2n−h−1+k(2h+2)+2h+1)].
Bn+1,h−1=∑k∈Z[(2nn+1−(2k+1)h)−(2nn−(2k+1)h)],
Bn+1,h−1=∑k⩾0[(2nn+1−(2k+1)h)−2(2nn−(2k+1)h)+(2nn−1−(2k+1)h)].
2k+1k

Masz pojęcie, gdzie jest problem?


Mówisz, że chcesz używać tylko elementarnych rzeczy, ale używasz wyniku z książki. Jak Mohanty czerpie tożsamość, której używasz?
— Raphael

W pierwszym zdaniu definiuję, co rozumiem przez „elementarny”: brak funkcji generujących, brak złożonej analizy, brak analizy Fouriera. W swojej książce Mohanty używa elementarnych środków, aby wyprowadzić tę formułę, a dokładniej zasady refleksji i włączenia-wykluczenia na ścieżkach sieci. (Korzystam z powyższego.) Jeśli nalegasz, dodam jego dowód na końcu pytania.
— Christian

Wcale nie, chciałem tylko upewnić się, że sam nie łamiesz swojej reguły.
— Raphael

To dziwne, że „funkcje generujące” są wymienione jako technika nie elementarna, kiedy kombinatoryka analityczna jest najwyraźniej uważana za elementarną. wydaje się niemal z natury nie elementarną wartością; czy masz np. porównywalny dowód na asymptotykę centralnego dwumianowego współczynnika, aby lepiej zrozumieć, czego szukasz? Podejrzewam, że są ze sobą blisko spokrewnieni ...π
— Steven Stadnicki

Odpowiedzi:


2

Ścieżki monotoniczne od do , które budujesz, unikają tylko granicy zanim przekroczą po raz pierwszy. Dlatego stosowana formuła nie ma zastosowania.(−h,h)(n−1,n−1)y=x+2h+1y=x+h

Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.