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[数列] 2016年理科 课标全国卷III 第12题(规范01数列)科普

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isee 发表于 2016-6-8 23:23 |阅读模式
本帖最后由 isee 于 2016-6-10 22:49 编辑 随便一数都超过C了,我觉得我是会错了题意,先搁着


    定义“规范01数列”$\{a_n\}$如下:共有2m项,其中m项为0,m项为1,且对任意$k\leqslant 2m,a_1,a_2,\cdots,a_k$中的0个数不少于1的个数,若$m=4$,则不同的“规范01数列”共有:
  (A) 18个    (B) 16个    (C) 14个    (D) 12个
3-12.png

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阿鲁 发表于 2016-6-8 23:27
两个月前我见过这样的题:
QQ图片20160608232618.jpg
第 16 题应该是一样的
结果是:
249533164(249533164) 23:54:39
@鄂L教师yuzi  Catalan数

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 楼主| isee 发表于 2016-6-8 23:30
两个月前我见过这样的题:

第 16 题应该是一样的
结果是:
阿鲁 发表于 2016-6-8 23:27



    擦,一个意思,不同表达

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郭嵩阳 发表于 2016-6-9 01:25
【注】以下内容是老掉牙的东西,这里写出来纯粹是科普一下。

Catalan 数的组合解释非常多,楼主的题是为经典之一。而从解答上来说,个人觉得比较容易理解的是进栈出栈模型和路径模型,下面就讲一下路径的,因为可以图文并茂,直观一些。

先约定术语,在方形网格中,由一个格点到另一个格点的路程最短的路径称为最短路径。

易知,由 $(0,0)$ 到 $(m,n)$($m$, $n\inN^+$)的最短路径共有 $C_{m+n}^m$ 条。

如果让 $a_i=0$ 表示向右移一个单位,$a_i=1$ 表示向上移一个单位,那么楼主的题所求的就等价于由 $(0,0)$ 到 $(n,n)$ 且恒满足 $y\leqslant x$ 的最短路径(像下图那样)的总数。

1.png

用排除法,只要把超过 $y\leqslant x$ 的那些计算出来即可。

显然,超过 $y\leqslant x$ 等价于与 $y=x+1$ 有公共点,设路径与 $y=x+1$ 的第一个公共点为 $P$,现在,以 $y=x+1$ 为对称轴,将 $O$ 到 $P$ 的那段路径对称过去,其余不变,由此得到一条由 $(-1,1)$ 到 $(n,n)$ 的最短路径,如下图所示。

2.png

反之,由 $(-1,1)$ 到 $(n,n)$ 的任意一条最短路径必与 $y=x+1$ 有公共点,类似地作对称同样可得到由 $O$ 到 $(n,n)$ 且与 $y=x+1$ 有公共点的最短路径。

由此可见,超过 $y\leqslant x$ 的最短路径总数等于由 $(-1,1)$ 到 $(n,n)$ 的最短路径总数,即 $C_{2n}^{n-1}$。

所以,所求的数目为 $C_{2n}^n-C_{2n}^{n-1}$,即 Catalan 数。

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郭嵩阳 发表于 2016-6-9 08:38
不用排除法,直接数也能得出递推关系。

设由 $(0,0)$ 到 $(n,n)$ 且满足 $y\leqslant x$ 的最短路径总数为 $f(n)$,并规定 $f(0)=1$。

如果除了原点外,路径与 $y=x$ 的第一个公共点为 $(k,k)$($k\inN^+$, $k\leqslant n$),则在此点之前,路径须满足 $y\leqslant x-1$,有 $f(k-1)$ 条,而此点到终点的路径有 $f(n-k)$ 条,即共 $f(k-1)f(n-k)$ 条。

3.png

所以我们得到递推关系
\[f(n)=\sum_{k=1}^nf(k-1)f(n-k).\]

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 楼主| isee 发表于 2016-6-10 19:50
我擦,原来这题的意思是这样的,如这样一个8项的数列可以是:$$0,1,0,1,0,1,0,1$$

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 楼主| isee 发表于 2016-6-10 20:44
读了下楼上科普,顶楼的14种结果如图。
14.png

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 楼主| isee 发表于 2016-6-10 20:47
不用排除法,直接数也能得出递推关系。

设由 $(0,0)$ 到 $(n,n)$ 且满足 $y\leqslant x$ 的最短路径总数为 ...
郭嵩阳 发表于 2016-6-9 08:38


从42开始抄的网上结果。
    $$f(0)=1, f(1)=1, f(2)=2, f(3)=5, f(4)=14, f(5)=42, f(6)=132,\cdots$$

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游客 发表于 2016-6-14 14:23
回复 4# 郭嵩阳


    科普也要通俗点,太抽象了。
出问题的排列,相当于黑珠少一个白珠多一个(后段黑白换色),
或黑多一个白少一个(前段换色)。(第一次出问题的地方分段)

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郭嵩阳 发表于 2016-6-22 21:56
科普也要通俗点,太抽象了。
...
游客 发表于 2016-6-14 14:23

如此直观化都算抽象那我只能呵呵了

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f(x) 发表于 2016-6-24 23:36
2n个人排队买票问题,票价50,n个人拿50元,n个人拿100元,售票处无零钱,能顺利卖票的所有排队方式。

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游客 发表于 2016-6-25 14:19
回复 11# f(x)


    这个还是有区别的,因为每个人都是不一样的人。

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Jan 发表于 2016-6-26 10:04
学习了……卡塔兰数……经典之作

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踏歌而来 发表于 2016-10-10 14:58
本帖最后由 踏歌而来 于 2016-10-10 15:06 编辑 这道题目的意思不太理解。

由题干可知,这个数列共有2×4=8项,且所含有的0与1个数相等。
当k取1时,因为a1中0的个数不少于1的个数,得到a1=0。
当k取2时,因为a1,a2中0的个数不少于1的个数,所以a2=1或0。
那么k取3时,数列是不是以下几种情况呢?
0 0 1
0 0 0
0 1 0

为什么说a8=1呢?

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kuing 发表于 2016-10-11 16:13
回复 14# 踏歌而来

是的,前三项确实只有这三种情况,有啥问题呢?

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踏歌而来 发表于 2016-10-22 21:45
现在明白了。
其实,a8=1是必然的,否则就违反了题设条件。

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hbghlyj 发表于 2024-10-31 16:54
Wikipedia
PDF Catalan Numbers 簡介 科學教育月刊 第 247 期 中華民國九十一年三月

暖身題 小明的家及上班的地點分別位於下圖中坐標為 (0,0) 及 (10,10) 的位置,圖中的直線與橫線代表著道路。假設小明想由家裡出發,循最短的路徑到達上班地點,也就是說,他隨時不是向東就是向北,請問他總共有幾種走法?

這是一個簡單的問題。不管小明怎麼走,他都須向東及向北各走 10 格,如果我們將向東一格及向北一格分別用一個 $E$ 及一個 $N$ 來表示,那麼小明的任何一種走法都可以用一個包含了 10 個 $E$ 及 10 個 $N$ 的字串來描述;反過來說,任何一個由 10 個 $E$ 及 10 個 $N$ 組成的字串就對應到一種可能的走法。因此,由 10 個 $E$ 及 10 個 $N$ 可組成多少個字串就對應到小明有多少種走法,而這個數很顯然是由 20 個位置中選出 10 個來作為 $E$ 的位置的方法數,也就是 $C(10,20)$;一旦選定了10 個 $E$ 的位置,剩下的位置也就是 10 個 $N$ 的位置。

加上一條限制 假設有一條河流筆直地流經小明的家及上班的地點,這兩個處所都位於河的東側;由於河上沒有任何橋樑可供兩岸往來,因此小明上班的路徑無法跨過這條河流(也就是圖中連接 (0,0) 與 (10,10) 的對角線);每當小明向北碰到對角線就不得不轉向東行。在這樣的限制下,我們想要知道小明有多少種走法。下圖顯示了三種可能的路徑:
   
   

如果我們沿用前述以 E 及 N 來描述路徑的方式,那麼上面三個圖的最左邊的圖顯示的路徑相當於
ENENEENEENNNEEENNNEN
中間的圖顯示的路徑相當於
ENEEENENNNEEENNEENNN
最右邊的圖顯示的路徑則相當於
EEEENNNNEEEEEENNNNNN
讀者不難看出這種字串的開頭第一個字母一定是 E,最後一個字母一定是 N ,也就是說,小明一開始一定是向東,而抵達終點時一定是朝北。
如果沒有河流的限制,我們已經知道小明總共有 $C(10,20)$ 種走法,這些走法可以分為兩類,一類是走的過程中沒有跨過河流的(也就是符合要求的),另一類則是會跨過河流的(也就是「不可行」的)。
想求出符合要求的走法的總數,有了暖身題的經驗,我們還是可以試著由字串著手。對任意一個由 10 個 E 及 10 個 N 組成的字串,我們能否由字串本身判斷它對應到的路徑是可行的或是不可行的呢?答案是肯定的。如果小明上班的路徑沒有跨過河流,那麼由起點出發後,走的過程中不管在任何時候,他已經走過的向東的格子數絕對不會少於已經走過的向北的格子數,頂多兩數相等,也就是小明正位於對角線上(來到河邊)的情形。
因此對任意一個由 10 個 E 及 10 個 N 組成的字串,我們只須由最左邊一個一個字母往右看,並隨時分別注意已經看過的 E 及 N 的個數;如果檢視過程中 E 的個數時時都不小於 N 的個數,這個字串所對應的路徑就是可行的,否則就是不可行的。
因此,我們的工作只剩下找出在全部 C(20,10) 個由 10 個 E 及 10 個 N 組成的字串裡面,由左往右看的過程中 E 的個數時時都不小於 N 的個數的字串有幾個就行了。雖然目標明確,這個問題其實由正面並不容易解決,以下我們試著由反面著手,先設法求出不可行的走法總共有幾種,一旦知道了,再用 C(20,10) 減去不可行的走法數就是符合要求的走法數了。
不可行的走法數也就是由左往右看的過程中 N 的個數會在某個時候大於 E 的個數的字串個數。舉個例子,如果某個由 10 個 E 及 10 個 N 組成的字串為
EENNNENEENNNEEENNNEE
當我們看到第五個字母時,我們已經可以確定這個字串對應到的路徑是不可行的,因為字串最前面的五個字母包含了三個 N 及兩個 E,在第五個字母(也就是第三個 N)出現時,小明已經跨過了河流。以上字串中,在第三個 N 之前有兩個 E 及兩個 N,而第三個 N 之後還有 8 個 E 及 7 個 N;如果我們將第三個 N 之後所有的 E 以 N 取代,所有的 N 以 E 取代,所得的結果為
EENNNNENNEEENNNEEENN
其中讓小明跨過河流的第一個 N 我們特別以陰影顯示。上面的字串包含了 9 個 E 及 11 個 N,也就是 N 比 E 多兩個,這是合理的,因為原來的字串中,由最左邊看到第三個 N 為止,N 的個數已經比 E 多一個;第三個 N 之後,N 原來比 E 少一個,因此第三個 N 之後的字串經過轉換後,N 會比 E 再多一個,所以整體而言 N 會比 E 多兩個。當然,小明如果真的依上述轉換後的字串來走,即使允許他可以跨河,終點也已經不再是他上班的地點了,不過這不是我們目前的重點,請讀者安心往後看就會明白了。
再舉一個例子;以下是另一個由 10 個 E 及 10 個 N 組成的「不可行」的字串:
ENENENENNENENEENENNE
我們同樣先由左而右找到第一個會使得小明跨過河流的 N(以陰影顯示),然後將其後所有的 E 以 N 取代,所有的 N 以 E 取代,得如下結果:
ENENENENNNENENNENEEN
這又是另一個由 9 個 E 及 11 個 N 組成的字串。讀者不難看出,對任何一個由 10 個 E 及 10 個 N 組成的不可行的字串而言,經過上述步驟一定會得到一個包含 9 個 E 及 11 個 N 的字串,而且任意兩個不同的不可行的字串經過轉換後得到的一定是兩個不同的各自包含 9 個 E 及 11 個 N 的字串;換句話說,這種轉換是「一對一」(one-to-one)的。
另一方面,是不是任意一個由 9 個 E 及 11 個 N 組成的字串都一定是某個由 10 個 E 及 10 個 N 組成的不可行的字串轉換後的結果呢?是的。對任意一個由 9 個 E 及 11 個 N 組成的字串,如果我們由左往右看,N 的個數一定會在某個時候第一次超過 E 的個數(因為整個字串的 N 比 E 還多),我們如果將這個 N 之後所有的 E 以 N 取代,所有的 N 以 E 取代,所得結果將是一個由 10 個 E 及 10 個 N 組成的不可行的字串。舉例來說,以下是一個由 9 個 E 及 11 個 N 組成的字串:
ENENEENENENNNENENNNE
找到第一個使得 N 的個數比 E 還多的 N(以陰影顯示)之後,將其後所有的 E 以 N 取代,所有的 N 以 E 取代,可得一個由 10 個 E 及 10 個 N 組成的不可行的字串:
ENENEENENENNNNENEEEN
因此,前述的轉換不只是一對一的,而且還是「映成」(onto)的,也就是說,所有包含 10 個 E 及 10 個 N 的不可行的字串與所有包含 9 個 E 及 11 個 N 的字串之間存在著一個「映射」(bijection)關係,由 10 個 E 及 10 個 N 可以組成的不可行字串的總數就等於由 9 個 E 及 11 個 N 可以組成的字串總數,而這個數很顯然是 C(20,9),因此小明不跨過河流上班的走法總共有 $C(20,10)-C(20,9)=\frac{20!}{(10!)(10!)}-\frac{20!}{(9!)(11!)}$ 種。

將問題一般化 我們可以很容易地將上述討論一般化,以下我們假設小明的家及上班地點分別位於 $(0,0)$ 及 $(n, n)$ 的位置,這裡的 $n$ 是任意正整數;前面的討論中,$n$ 的值是 10。
首先,如果沒有河流的限制,小明上班總共有 $C(2n, n)$ 種走法;若有河流流經 $(0,0)$ 與 $(n, n)$,對任意一個包含了 $n$ 個 E 及 $n$ 個 N 的不可行的字串而言,我們都能將它轉換成一個包含 ($n -1$) 個 E 及 ($n + 1$) 個 N 的字串, 而由 ($n -1$) 個 E 及 ($n + 1$) 個 N 組成的字串總共有 $C(2n, n -1)$ 個,因此如果小明不跨過河流上班的走法總共有 $C_n$ 種,那麼
\begin{aligned}
C_n&=C(2 n, n)-C(2 n, n-1) \\
&=\frac{(2 n)!}{(n!)(n!)}-\frac{(2 n)!}{(n-1)!(n+1)!} \\
&= \frac{(2 n)!}{n!(n-1)!}\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}\right) \\
&= \frac{(2 n)!}{n!(n-1)!} \cdot \frac{1}{n(n+1)} \\
&= \frac{(2 n)!}{(n!)(n!)} \cdot \frac{1}{n+1}=\frac{1}{n+1}\binom{2 n}{n} .
\end{aligned}上式在 $n = 0$ 時可得 $C_0 = 1$。由 $C_0 , C_1 ,C_2,\dots$ 形成的數列是數學上很有名的一個數列,英文稱為 Catalan numbers,因比利時數學家 Eugène-Charles Catalan(1814-1894)而得名;這個數列的最前面十二項依序為 1, 1, 2, 5, 14, 42, 132, 429, 1430, 4862, 16796, 58786;對任意正整數 $n$,此數列的相鄰兩項的比值為
\begin{aligned}
& \frac{C_n}{C_{n-1}}=\left(\frac{1}{n+1} \cdot \frac{(2 n)!}{(n!)(n!)}\right) /\left(\frac{1}{n} \cdot \frac{(2 n-2)!}{(n-1)!(n-1)!}\right) \\
= & \frac{n}{n+1} \cdot \frac{(2 n)(2 n-1)}{n^2}=\frac{4 n-2}{n+1}
\end{aligned}當 $n$ 趨於無窮大,此比值趨近於 $4$。

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hbghlyj 发表于 2024-10-31 17:37
數列的遞迴表示方式 假設由 $(0,0)$ 至 $(n, n)$ 且沒有跨過河流的走法總共有 $C_n$ 種,讓我們試試看能不能用遞迴的方式定義數列 $C_0, C_1, C_2,\dots$。
為了簡單起見,還是先考慮 $n = 10$ 的情形。我們可以將所有符合要求的路徑依由 $(0,0)$ 出發後「第一次」碰到對角線的地點分為 $10$ 類;有些路徑第一次碰到對角線的地點為 $(1,1)$,有些為 $(2,2)$,有些為 $(3,3)$,⋯⋯,有些為 $(10,10)$ 等,每條路徑都有唯一的一個第一次碰到對角線的地點;如果我們能夠知道這 $10$ 類的每一類各有幾種走法,$C_{10}$ 應該就等於這 $10$ 個數的和。
對任意一個大於 $1$ 且小於 $10$ 的正整數 $k$ 而言,由 $(0,0)$ 出發後第一次碰到對角線的地點是 $(k,k)$ 的上班路徑總共有幾種呢?這種路徑可以看成是由前後兩段連接而成;前段是由 $(0,0)$ 至 $(k,k)$,後段則是由 $(k,k)$ 至 $(10,10)$。如果我們能求得前段與後段各有幾種走法,前後段連起來總共的走法數應該是此兩數相乘的結果(注意:須相乘而不是相加)。
先看前段。由於 $(k ,k)$ 是第一次碰到對角線的地點,因此小明在由 $(0,0)$ 至 $(k ,k )$ 的途中沒有碰到對角線,也就是沒有跨過連接 $(1,0)$ 與 $(k, k -1)$ 的直線:

因此,由 $(0,0)$ 至 $(k ,k )$ 的途中沒有碰到對角線的走法數就等於由 $(1,0)$ 至 $(k, k -1)$ 且沒有跨過上圖中的虛線的走法數;由於 $(k, k -1)$ 的位置相對於 $(1,0)$ 而言是位於其向東及向北各 ($k - 1$) 個格子的位置,這與由 $(0,0)$ 至 $(n, n)$ 的問題在本質上是一樣的,只是距離不同而已,因此前段有 $C_{k-1}$ 種走法。
後段的情形就更簡單了;由於 $(10,10)$ 的位置相對於 $(k, k)$ 而言是位於其向東及向北各 ($10-k$) 個格子的位置,因此有 $C_{10-k}$ 種走法。前後段一起考慮,我們得知第一次碰到對角線的地點是 $(k, k)$ 的走法總共有 $C_{k-1}\times C_{10-k}$ 種。
接著考慮 $k = 1$ 及 $k = 10$ 的情形。當 $k =1$,很顯然由 $(0,0)$ 至 $(1,1)$ 只有一種走法,而由 $(1,1)$ 至 $(10,10)$ 有 $C_9$ 種走法,因此 $k = 1$ 時有 $1\times C_9 = C_{1-1}\times C_{10-1}$ 種走法($C_0$ 的值為 $1$)。當 $k = 10$,只有前段而沒有後段,而前段的走法有 $C_9$ 種,$C_9$ 又可以寫成 $C_{10-1}\times C_{10-10}$。我們的結論是,當 $n = 10$,由 $(0,0)$ 至 $(10,10)$ 總共有
\begin{aligned}
C_{10} & =\sum_{k=1}^{10} C_{k-1} C_{10-k} \\
& =C_0 C_9+C_1 C_8+\cdots+C_9 C_0
\end{aligned}種走法;更一般性地說,對任意正整數 $n$,由 $(0,0)$ 至 $(n, n)$ 總共有
\begin{aligned}
C_n & =\sum_{k=1}^n C_{k-1} C_{n-k} \\
& =C_0 C_{n-1}+C_1 C_{n-2}+\cdots+C_{n-1} C_0
\end{aligned}種走法;再配合初始條件 $C_0=1$ 就構成了數列 $C_0, C_1, C_2, \ldots$. 完整的遞迴定義:
$$
C_n= \begin{cases}1 & n=0 \\ \sum_{k=1}^n C_{k-1} C_{n-k} & n>0\end{cases}
$$
這是用遞迴的方式定義 Catalan numbers 最常見的方式,不過當然不是唯一的方式。舉例來說,由我們前面求此數列相鄰兩項比值的式子其實就可以發展出另外一個遞迴的定義:$$
C_n= \begin{cases}1 & n=0 \\ \frac{4 n-2}{n+1} C_{n-1} & n>0\end{cases}
$$

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hbghlyj 发表于 2024-10-31 18:03
投票問題 考慮以下問題:在一場選舉中,只有 A與 B 兩位候選人,開票的結果是 A 與 B 平分秋色,雙方各得了 n 票(假設沒有廢票)。請問:在將票一張一張開出的過程中,
(1) A 的得票數一路領先,直到最後一張票才被 B 追上的可能的開票過程有多少種?
(2) A 的票數始終不比 B 少的可能的開票過程有多少種?
這兩個小題和前面我們探討的小明的上班問題其實有密切的關聯;您能夠立刻說出這兩個小題的答案嗎?
先考慮第二小題。在前面的上班問題中,小明須向東及向北各走 n 格,而且為了不跨過河流,走過的向東的格子數隨時都不能少於走過的向北的格子數;在現在的投票問題中,A 與 B 在開票過程中各得 n 票,而且 A 的票數隨時都不低於 B 的票數;很明顯的,這兩個問題在本質上是一樣的,我們甚至也可以用一個由 n 個 A 及 n 個 B 排列而成的字串來描述開票的過程,一個 A 的票數始終不低於 B 的票數的開票過程就對應到一個由左而右檢視時 A 的累計次數始終不低於 B的累計次數的字串。
舉例來說,當 $n = 3$,A 與 B 各得 $3$ 票而且開票過程中 A 的得票數始終不低於 B 的得票數的所有可能情形有 $C_3=5$ 種:ABABAB,ABAABB, AABBAB, AABABB, AAABBB。
因此,第二小題的答案為 $C_n$,而第一小題我們在前面其實也討論過了,相當於由 $(0,0)$ 出發後第一次碰到對角線的地點為 $(n, n)$ 的情形,因此答案為 $C_{n-1}$。

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hbghlyj 发表于 2024-10-31 18:07

超级投票数(super ballot numbers)

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The Catalan numbers $C_{n}=(2 n) ! / n !(n+1) !$ are are well-known integers that arise in many combinatorial problems. The numbers $6(2 n) ! / n !(n+2) !, 60(2 n) ! / n !(n+3) !$, and more generally $(2 r+1) ! / r ! \cdot(2 n) ! / n !(n+r+1) !$ are also integers for all $n$. We study the properties of these numbers and of some analogous numbers that generalize the ballot numbers, which we call super ballot numbers.
1. Introduction The Catalan numbers $$ C_{n}=\frac{(2 n) !}{n !(n+1) !} $$ are well-known integers that arise in many combinatorial problems. The number $$ \frac{(2 n) !}{n !(n+2) !} $$ need not be an integer, but $$ 6 \frac{(2 n) !}{n !(n+2) !}=4 C_{n}-C_{n+1} $$ must be. More generally, we might consider generalized Catalan numbers of the form $$ J_{r} \frac{(2 n) !}{n !(n+r+1) !} $$ where $J_{r}$ is chosen so that this quantity is always an integer. It turns out that we may take $J_{r}=(2 r+1) ! / r !$.
Many of the properties of the Catalan numbers generalize easily to the ballot numbers $$ \frac{k}{2 n+k}\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n \end{array}\right), $$ which reduce to the Catalan numbers for $k=1$. For a recent exposition of the basic combinatorial properties of the Catalan and ballot numbers, with many references, see Hilton and Pederson (1991). Our generalized Catalan numbers also have ballot number analogs, which we call super ballot numbers. They may be given by the formula $$ g(n, k, r)=\frac{(k+2 r) !}{(k-1) ! r !} \frac{(2 n+k-1) !}{n !(n+k+r) !} . $$ For $r=0$ they reduce to the ballot numbers. An intriguing problem is to find a combinatorial interpretation for them. Although we do not find such a combinatorial interpretation, we do find many interesting properties of these numbers. One of the most surprising is that they are closely related to the coefficients of $(1-x-y-z+4 x y z)^{-1}$, which have been studied by several authors: Askey (1975), Askey and Gasper (1977), Gillis and Kleeman (1979), Gillis, Reznick, and Zeilberger (1983), Gillis and Zeilberger (1983), Ismail and Tamhankar (1979), and Zeilberger (1981).

Many of the proofs are omitted or only sketched. Once the formulas are found, the proofs are usually straightforward computations, and in fact, if we start at "the right place" nearly all the formulas can be proved quite easily. However, finding the right place to start is the most interesting part of the journey.

Most of the results of this paper were found with the help of the Maple symbolic algebra programming language. 2. Some CalculationsIt is well known that $(m+n)!$ is always divisible by $m ! n !$; the quotient is the binomial coefficient $\left(\begin{array}{c}m+n \\ n\end{array}\right)$ which counts $m$-element subsets of an $(m+n)$-element set. It is not true in general that $(m+n)!$ is divisible by $(m+1) ! n !$. However if $m=n$ the quotient is the Catalan number $C_{n}=\frac{1}{n+1}\left(\begin{array}{c}2 n \\ n\end{array}\right)$. We can see that $C_{n}$ is an integer by expressing it as a difference of two binomial coefficients: $$ \frac{1}{n+1}\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n \end{array}\right)=\frac{(n+1)-n}{n+1}\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n \end{array}\right)-\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n+1 \end{array}\right)\tag1 $$ We might ask if $(2 n) ! /(n+1) !^{2}$ is always an integer, but its denominator will clearly be divisible by $n+1$ if $n+1$ is a prime, and thus there is no $K$ such that $K(2 n) ! /(n+1) !^{2}$ is an integer for all $n$. The quotient $(2 n) ! / n !(n+2) !$ is more interesting:$$\begin{array}{c|cc}n&0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 10 \\ \hline{(2n)!\over n!(n+2)!}&1 / 2 & 1 / 3 & 1 / 2 & 1 & 7 / 3 & 6 & 33 / 2 & 143 / 3 & 143 & 442 & 4199 / 3\end{array}$$It seems that the denominators are always 2 or 3 , so $$ \frac{6}{(n+1)(n+2)}\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n \end{array}\right)\tag2 $$ is apparently always an integer. Let us now try $(2 n) ! / n !(n+3) !$ :$$\begin{array}{c|cc}n&0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 10 \\ \hline\frac{(2 n) !}{(n+3) ! n !}&1 / 6 & 1 / 12 & 1 / 10 & 1 / 6 & 1 / 3 & 3 / 4 & 11 / 6 & 143 / 30 & 13 & 221 / 6 & 323 / 3\end{array}$$Apparently $$ \frac{60}{(n+1)(n+2)(n+3)}\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n \end{array}\right)\tag3 $$ is always an integer.
We could prove these observations, and even more precise divisibility results, by using the well-known formula for the power of a prime dividing a factorial. For example, we can show not only that (2) is always an integer, but that it is even unless $n+2$ is a power of 2 and that it is divisible by 3 unless $n$ is congruent to 1 modulo 3 . However, we set off in a more combinatorial direction by generalizing (1).3. Super Ballot NumbersIt is straightforward to check that $$ 3\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n \end{array}\right)-4\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n+1 \end{array}\right)+\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n+2 \end{array}\right)=6 \frac{(2 n) !}{n !(n+2) !}\tag4 $$ and $$ 10\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n \end{array}\right)-15\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n+1 \end{array}\right)+6\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n+2 \end{array}\right)-\left(\begin{array}{c} 2 n \\ n+3 \end{array}\right)=60 \frac{(2 n) !}{n !(n+3) !}\tag5 $$ Thus (2) and (3) are integers. To find the pattern, it is useful to consider a generalization. It is well known that the Catalan numbers are special cases of the ballot numbers, which for now we normalize as $$ \frac{k-1}{n+1}\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n \end{array}\right)\tag6 $$ Note that (6) reduces to a Catalan number for $k=2$ and to the negative of a Catalan number for $k=0$. The ballot numbers are integers since $$ \left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+1 \end{array}\right)-\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n \end{array}\right)=\frac{k-1}{n+1}\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n \end{array}\right) $$To find ballot generalizations of $(4)$ and $(5)$, I used Maple to find coefficients $c_{i}$ (rational functions of $k$ which are independent of $n$ ) satisfying $$ \sum_{i=0}^{r} c_{i}\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+i \end{array}\right)=\frac{(2 n+k) !}{(n+k) !(n+r) !} $$ then multiplied through by the denominators to yield a polynomial identity in $k$. I found the following formulas: \begin{align*} (k-1)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+2 \end{array}\right)-2(k-2)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+1 \end{array}\right)+&(k-3)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n \end{array}\right) \\ &=\frac{(k-1)(k-2)(k-3)}{(n+1)(n+2)}\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n \end{array}\right)\tag7 \end{align*} \begin{align*} (k-1)(k-2)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+3 \end{array}\right)-3(k-1)(k-4)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+2 \end{array}\right) \\ +3(k-2)(k-5)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+1 \end{array}\right)-(k-4)(k-5)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n \end{array}\right) \\ = \frac{(k-1)(k-2)(k-4)(k-5)(k-3)}{(n+1)(n+2)(n+3)}\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n \end{array}\right)\tag{8} \end{align*}\begin{align*} (k-1)(k-2)(k-3)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+4 \end{array}\right)-4(k-1)(k-2)(k-6)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+3 \end{array}\right) \\ +6(k-1)(k-4)(k-7)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+2 \end{array}\right)-4(k-2)(k-6)(k-7)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+1 \end{array}\right) \\ +(k-5)(k-6)(k-7)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n \end{array}\right) \\ =\frac{(k-1)(k-2)(k-3)(k-4)(k-5)(k-6)(k-7)}{(n+1)(n+2)(n+3)(n+4)}\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n \end{array}\right)\tag9 \end{align*} and so on. It is not completely clear from these examples what the general formula is, but by working out a few more cases, we guess that $$ \sum_{i=0}^{r}(-1)^{r-i}\left(\begin{array}{l} r \\ i \end{array}\right) A_{r, i}(k)\left(\begin{array}{c} 2 n+k \\ n+i \end{array}\right)=\prod_{i=1}^{2 r-1}(k-i) \cdot \frac{(2 n+k) !}{(n+r) !(n+k) !}\tag{10} $$ where $$ A_{r, i}(k)=\prod_{j \in S_{r, i}}(k-j) $$

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GMT+8, 2025-3-4 15:43

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