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[组合] 组合数求余

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tommywong 发表于 2013-11-7 19:20 |阅读模式
本帖最后由 tommywong 于 2022-9-14 12:10 编辑 求$C_{1234}^{2008}$除以7的余数



後記:

根據Lucas定理

$\binom{2008}{1234}\equiv\binom{5}{3}\binom{5}{4}\binom{6}{1}\binom{6}{2}
\equiv 10\times 5\times 6\times 15\equiv 6\pmod{7}$
现充已死,エロ当立。
维基用户页:https://zh.wikipedia.org/wiki/User:Tttfffkkk
Notable algebra methods:https://artofproblemsolving.com/community/c728438
《方幂和及其推广和式》 数学学习与研究2016.

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睡神 发表于 2013-11-7 19:35
回复 1# tommywong
$C_{1234}^{2008}$结果木系为0了么?怎么我看木懂的…

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realnumber 发表于 2013-11-7 20:25
本帖最后由 realnumber 于 2013-11-8 07:35 编辑 就当$C^{1234}_{2008}=7k+m$,k,m为整数,$0\le m\le 6$
定理:$n!$中含质数p的次数为[$\frac{n}{p}$]+[$\frac{n}{p^2}$]+[$\frac{n}{p^3}$]+.....
证明:$n!=1\times 2\times 3 \times  ....\times n$含p的倍数有[$\frac{n}{p}$]个,含$p^2$的倍数有[$\frac{n}{p^2}$]个,.....见《数论导引》第16页.
所以[$\frac{2008}{7}$]+[$\frac{2008}{7^2}$]+[$\frac{2008}{7^3}$]=286+40+5=331
[$\frac{1234}{7}$]+[$\frac{1234}{7^2}$]+[$\frac{1234}{7^3}$]=176+25+3=204,
[$\frac{774}{7}$]+[$\frac{774}{7^2}$]+[$\frac{774}{7^3}$]=110+15+2=127,127+204=331


$6!=-1 \mod7$,                     
$2008=6   \mod7$                    $2008!=(-1)^{287}=-1   \mod 7$
$1234=2   \mod7$                     $1234!=(-1)^{176}\times 1 \times 2=2  \mod7$
$774=4   \mod7$                     $774!=(-1)^{110}\times 1 \times 2 \times 3 \times 4=3  \mod7$
可见等式$2008!=1234! \times 774! \times (7k+m)$---------两边约去$7^{331}$后,考虑被7除的余数,即$-1=2\times 3 \times m   \mod7$,得到$m=1$.----------此楼红色有问题,修正见12楼.

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 楼主| tommywong 发表于 2013-11-7 21:51
回复 3# realnumber

对2008!、1234!、774!取余时错了
他们都含因数7,被7整除

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realnumber 发表于 2013-11-7 22:24
回复 4# tommywong

有这句
    两边约去$7^{331}$后,考虑被7除的余数

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 楼主| tommywong 发表于 2013-11-7 22:44
本帖最后由 tommywong 于 2013-11-7 22:56 编辑 回复 5# realnumber

对不起,抓错了地方。麻烦再看看这里
$2008!=(-1)^{287}$这里的287好像是286

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realnumber 发表于 2013-11-7 23:01
回复 6# tommywong


    对,是286,但还得乘以1,2,3,4,5,6;
那么就是287了

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 楼主| tommywong 发表于 2013-11-7 23:12
回复 7# realnumber

噢,又看漏了......但他给的答案是6
mathchina.com/cgi-bin/topic.cgi?forum=5&topic=18888&show=0

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realnumber 发表于 2013-11-7 23:17
没看到,懒得注册~~~

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 楼主| tommywong 发表于 2013-11-7 23:31
回复 9# realnumber

例如C(14,7)=3432=2(mod7)
6!(1)6!(2)=6!6!(7k+m)(mod7)
感觉抽走了286,176,110个7后剩下了些东西还要处理
是不是应该把286,176,110换作331,204,127?

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realnumber 发表于 2013-11-7 23:35
回复 10# tommywong


    ---恩,是有问题

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realnumber 发表于 2013-11-7 23:49
本帖最后由 realnumber 于 2013-11-8 07:48 编辑 设$f(n)$表示$n!$抽走7后的余数,
比如$f(15)=6!\times8\times9\times10\times11\times12\times13\times2\times15=(6!)^2\times2=(-1)^2\times2\mod7$
例如2008含7的倍数的因数依次是$1\times7,2\times7,....,286\times7$,则有$f(2008)=(-1)^{286}f(286)\times 6!=-f(286)\mod7$
那么$f(2008)=-f(286)=-(-1)^{41}f(40)=f(40)=(-1)^5f(5)\times 5!=-1    \mod7$
$f(1234)=2f(176)=2(-1)^{25}f(25)\times 1=-2f(25)=-2(-1)^3f(3) \times 4!=1   \mod7$
$f(774)=3f(110)=3(-1)^{15}f(15)\times 5!=-3f(15)=1      \mod7$
这样有$f(2008)=f(1234)f(774)m,  m=6$.

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realnumber 发表于 2013-11-8 08:09
猜想:若素数$p\mid n,p\nmid m,n\ge m$,那么$p\mid C^m_n$

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tian27546西西 发表于 2013-11-8 13:07
此猜想是正确的.楼主的题如果知道一个定理是非常容易算到的.

设$$n=n_{k}p^k+n_{k-1}p^{k-1}+\cdots+n_{1}p+n_{0}$$
$$m=m_{l}p^l+m_{l-1}p^{l-1}+\cdots+m_{1}p+m_{0}$$
由于$p|n$,则有$n_{0}=0$,

由$p\nmid m$,则 $m_{0}>0$

$$\binom{n_{0}}{m_{0}}\equiv 0\pmod p$$

由Luca's Theorem 显然有
$$\binom{n}{m}\equiv 0\pmod  p$$

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realnumber 发表于 2013-11-8 13:24
本帖最后由 realnumber 于 2013-11-9 09:19 编辑 en.wikipedia.org/wiki/Lucas
搜索到了~~,或google"卢卡斯(Lucas)定理",---
omaths.com/bbs/dispbbs.asp?boardid=183&Id=2251
1234-1.jpg 1234-2.jpg

点评

第二个链接已过期 omaths.com/bbs/dispbbs.asp?boardid=183&Id=2251  发表于 2025-1-12 15:57

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tian27546西西 发表于 2013-11-9 11:00
额,不用此定理也可以:一步就是注意
$$m\binom{n}{m}=n\binom{n-1}{m-1}$$

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hbghlyj 发表于 2022-9-14 11:30
本帖最后由 hbghlyj 于 2023-4-28 20:30 编辑

Wikipedia 引用了下面这篇短文: Proof based on generating functions. This proof is due to Nathan Fine.[2]

Binomial Coefficients Modulo a Prime, N. J. Fine (JSTOR)

$type noTXT.pdf (355.26 KB, 下载次数: 0)
ghostscript把每页的页脚的“downloaded from...”文本去掉了.处理第3页时报错“Error: Ignoring spurious ET operator. Output may be incorrect.”但是我看了一下输出的文件应该没出什么问题
THEOREM 1. Let $p$ be a prime, and let \begin{array}{cl} M=M_{0}+M_{1} p+M_{2} p^{2}+\cdots+M_{k} p^{k} & \left(0 \leqq M_{r}< p\right) \\ N=N_{0}+N_{1} p+N_{2} p^{2}+\cdots+N_{k} p^{k} & \left(0 \leqq N_{r}< p\right) \end{array} Then $$ \left(\begin{array}{c} M \\ N \end{array}\right) \equiv\left(\begin{array}{c} M_{0} \\ N_{0} \end{array}\right)\left(\begin{array}{c} M_{1} \\ N_{1} \end{array}\right)\left(\begin{array}{c} M_{2} \\ N_{2} \end{array}\right) \cdots\left(\begin{array}{c} M_{k} \\ N_{k} \end{array}\right)(\bmod p) . $$
We offer a short proof of the above theorem: \begin{aligned} \sum_{N=0}^{M}\left(\begin{array}{c} M \\ N \end{array}\right) x^{N} &=(1+x)^{M}=\prod_{r=0}^{k}\left\{(1+x)^{p^r}\right\}^{M_r} \\ & \equiv \prod_{r=0}^{k}\left(1+x^{p^{r}}\right)^{M_{r}}(\bmod p) \\ &=\prod_{r=0}^{k}\left\{\sum_{s_{r}=0}^{M_{r}}\left(\begin{array}{c} M_{r} \\ s_{r} \end{array}\right) x^{s_r p^r}\right\} \\ &=\sum_{N=0}^{M}\left\{\prod_{r=0}^{k}\left(\begin{array}{c} M_{r} \\ s_{r} \end{array}\right)\right\} x^{N} \end{aligned} where the inner sum is taken over all sets $\left(s_{0}, s_{1}, \cdots, s_{k}\right)$ such that $\sum_{r=0}^{k} s_{r} p^{r}=N$. But $0 \leqq s_{r} \leqq M_{r}< p$, so there is at most one such set, given by $s_{r}=N_{r}(0 \leqq r \leqq k)$ if every $N_{r} \leqq M_{r}$; if not, the sum is zero. The theorem follows by equating coefficients of $x^{N}$, since $$ \left(\begin{array}{c} M_{r} \\ N_{r} \end{array}\right)=0 \quad \text { for } \quad N_{r}>M_{r} $$$\Box$
THEOREM 2. Let $T(M)$ be the number of integers $N$ not exceeding $M$ for which $$ \left(\begin{array}{c} M \\ N \end{array}\right) \not \equiv 0(\bmod p) . $$ Then $$ T(M)=\prod_{r=0}^{k}\left(M_{r}+1\right) $$
Proof: Since $M_{r}< p$, there are $M_{r}+1$ values of $N_{r}$, given by $0 \leqq N_{r} \leqq M$, for which $$ \left(\begin{array}{c} M_{r} \\ N_{r} \end{array}\right) \not \equiv 0(\bmod p) $$ and these are the only ones. $\Box$
THEOREM 3. A necessary and sufficient condition that all the binomial coefficients $$ \left(\begin{array}{l} M \\ N \end{array}\right), \quad 0< N< M $$ be divisible by $p$ is that $M$ be a power of $p$.
Proof: The function $T(M)$ takes the value 2 if and only if one of the $M_{r}$ is 1 and all the others are 0. $\Box$
In the opposite direction, we may ask for what values of $M$ none of the binomial coefficients $$ \left(\begin{array}{l} M \\ N \end{array}\right), \quad 0 \leqq N \leqq M, $$ are divisible by $p$.
THEOREM 4. A necessary and sufficient condition that none of the binomial coefficients of order $M$, with $$ M=M_{0}+M_{1} p+\cdots+M_{k} p^{k} \quad\left(0 \leqq M_{\tau}< p ; M_{k}>0\right) $$ be divisible by $p$ is that $M_{r}=p-1$ for $r< k$.
Proof: Let $M^{*}=M-M_{k} p^{k}$. Suppose first that $T(M)=M+1$. Then \begin{aligned} M_{k} p^{k}+M^{*}+1 &=M+1=T(M)=\left(M_{k}+1\right) T\left(M^{*}\right) \leqq\left(M_{k}+1\right)\left(M^{*}+1\right) \\ &=M_{k}\left(M^{*}+1\right)+M^{*}+1 \leqq M_{k} p^{k}+M^{*}+1 \end{aligned} From this chain of inequalities it follows that $M^{*}=p^{k}-1$. Conversely, if $M^{*}=p^{k}-1$, then $$ T(M)=\left(M_{k}+1\right) p^{k}=M_{k} p^{k}+M^{*}+1=M+1 . $$$\Box$ Our last theorem deals with the "probability" that a binomial coefficient chosen "at random" will be divisible by $p$. More precisely, consider the $\frac{1}{2}(m+1)(m+2)$ binomial coefficients $$ \left(\begin{array}{l} M \\ N \end{array}\right), \quad 0 \leqq N \leqq M \leqq m, $$ and let $Q(p ; m)$ be the fraction of these which are not divisible by $p$.
THEOREM 5. For every prime $p, \lim _{m \rightarrow \infty} Q(p ; m)=0$.
Proof: For $k \geqq 0$, let $$ G(k)=\frac{1}{2} p^{k}\left(p^{k}+1\right) Q\left(p ; p^{k}-1\right)=\sum_{M=0}^{p k-1} T(M) $$ Clearly $G(0)=1$. Using the notation introduced in the proof of the preceding theorem, we have $$ \begin{aligned} G(k+1) &=\sum_{M=0}^{p^{k+1}-1} T(M) \\ &=\sum_{M_{k}=0}^{p-1} \sum_{M^{*}=0}^{p k-1}\left(M_{k}+1\right) T\left(M^{*}\right)\\ &=\left\{\sum_{M_{k}=0}^{p-1}\left(M_{\dot{k}}+1\right)\right\}\left\{\sum_{M^{*}=0}^{p^{k}-1} T\left(M^{*}\right)\right\} \\ &=\frac{1}{2} p(p+1) G(k) \end{aligned} $$ It follows immediately that $G(k)=\left(\frac{1}{2} p(p+1)\right)^{k}$. Now suppose that $p^{k} \leqq m< p^{k+1}$. Then \begin{aligned} Q(p ; m) & \leqq \frac{2}{(m+1)(m+2)} G(k+1)<2 p^{-2 k} G(k+1)=2 p^{-2 k}\left(\frac{1}{2} p(p+1)\right)^{k+1} \\ &=p(p+1)\left(\frac{1+1 / p}{2}\right)^{k} \end{aligned} which tends to 0 with increasing $m$. By an obvious extension it follows that, given an arbitrary finite set of primes, it is "virtually certain" that a binomial coefficient chosen at random will be divisible by all the primes in the set. $\Box$

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hbghlyj 发表于 2022-9-14 11:45
realnumber 发表于 2013-11-8 06:24
en.wikipedia.org/wiki/Lucas
命题人讲座 初等数论 冯志刚
例 4 (卢卡斯(Lucas)定理)设 $p$ 为素数, $a, b \in \mathbf{N}^*$, 并且
\[
\begin{aligned}
a &=a_k p^k+a_{k-1} p^{k-1}+\cdots+a_1 p+a_0, \\
b &=b_k p^k+b_{k-1} p^{k-1}+\cdots+b_1 p+b_0,
\end{aligned}
\]
这里 $0 \leqslant a_i, b_i \leqslant p-1$ 都是整数, $i=0,1,2, \cdots, k$. 证明:
\[
\mathrm{C}_a^b \equiv \mathrm{C}_{a_k}^{b_k} \cdot \mathrm{C}_{a_{k-1}}^{b_{k-1}} \cdot\ \cdots\ \cdot \mathrm{C}_{a_0}^{b_0}\pmod p.
\]
证明
我们引入多项式同余的记号.
设 $f(x)=a_n x^n+a_{n-1} x^{n-1}+\cdots+a_0, g(x)=b_n x^n+b_{n-1} x^{n-1}+\cdots+b_0$ 是两个整系数多项式. 如果对 $0 \leqslant i \leqslant n$, 都有 $a_i \equiv b_i\pmod m$, 那么称 $f(x)$ 与 $g(x)$ 对模 $m$ 同余, 记作 $f(x) \equiv g(x)\pmod m$.(注意,若 $f(x)$ $\equiv g(x)\pmod m$, 则对任意 $a \in \mathbf{Z}$, 都有 $f(a) \equiv g(a)\pmod m$. 反过来的结论却是不对的,这一点在讨论费马小定理时就能了解到.)
由 $p$ 为素数, 可知对 $1 \leqslant j \leqslant p-1$, 都有 $\mathrm{C}_p^j=\frac{p}{j} \mathrm{C}_{p-1}^{j-1} \equiv 0\pmod p$.
于是,
\[
\begin{aligned}
(1+x)^p &=1+\mathrm{C}_p^1 x+\cdots+\mathrm{C}_p^{p-1} x^{p-1}+x^p \\
& \equiv 1+x^p\pmod p.
\end{aligned}
\]
利用上述结果, 可知
\[
\begin{aligned}
(1+x)^a &=(1+x)^{a_0}\left((1+x)^p\right)^{a_1} \cdot\ \cdots\ \cdot\left((1+x)^{p^k}\right)^{a_k} \\
& \equiv(1+x)^{a_0}\left(1+x^p\right)^{a_1} \cdot\ \cdots\ \cdot\left(1+x^{p^k}\right)^{a_k}\pmod p.
\end{aligned}
\]
对比两边 $x^b$ 项的系数(用二项式定理及 $p$ 进制数的性质)可得 $\mathrm{C}_a^b \equiv \mathrm{C}_{a_k}^{b_k} \cdot \mathrm{C}_{a_{k-1}}^{b_{k-1}} \cdot\ \cdots\ \cdot \mathrm{C}_{a_0}^{b_0}\pmod p$

其中, 反复利用$(1+x)^p\equiv 1+x^p\pmod p$得到
\[(1+x)^{p^k}\equiv1+x^{p^k}\pmod p\]又见freshman's dream








这个外链挂了.
引用外链时,记得到WayBack Machine存一下档
WayBack Machine有一个Chrome Extension,浏览网页时,只要顺手点一下就存档了.

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hbghlyj 发表于 2022-9-14 12:45
原书38页有一个“点评”,如下:
由此定理立即可得:当且仅当存在 $i \in\{0,1,2, \cdots, k\}$,
使得 $b_i>a_i$ 时, $\mathrm{C}_a^b \equiv 0\pmod p$.
一个直接的推论是: $\mathrm{C}_a^b$ 为奇数的充要条件是,
在二进制表示下 $a$ 的每一个数位上的数都不小于 $b$ 的相应数位上的数.
39407f41181.png

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hbghlyj 发表于 2023-5-10 02:50
hbghlyj 发表于 2022-9-14 04:30
Wikipedia 引用了下面这篇短文: Nathan Fine.[2]


How many binomial coefficients are even?
也引用了Binomial Coefficients Modulo a Prime, N. J. Fine  (JSTOR)这篇:
Is what you found in exercises 1 and 2 true for larger primes? Can you prove it? What does this say about Pascal's triangle? A rigorous treatment of the results explored here can be found in [1].


en.wikipedia.org/wiki/Sierpi%C5%84ski_triangle#Pascal
If one takes Pascal's triangle with $2^n$ rows and colors the even numbers white, and the odd numbers black, the result is an approximation to the Sierpinski triangle.  More precisely, the limit as $n$ approaches infinity of this parity-colored $2^n$-row Pascal triangle is the Sierpinski triangle.

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