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Eulerian

docs/math/combinatorics/eulerian.md

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???+ warning "注意" 下文中的欧拉数特指 Eulerian number.注意与 Euler number,以及 Euler's number(指与欧拉相关的数学常数例如 $\gamma$ 或 $\mathrm{e}$)作区分.

在计算组合中,欧拉数(Eulerian Number)是从 $1$ 到 $n$ 中正好满足 $m$ 个元素大于前一个元素(具有 $m$ 个「上升」的排列)条件的排列 个数.定义为:

$$ A(n, m) = \left\langle \begin{matrix} n\ m - 1 \end{matrix} \right\rangle $$

例如,从数字 $1$ 到 $3$ 一共有 $4$ 种排列使得恰好有一个元素比前一个元素大:

排列满足条件的相邻元素个数
1 2 31, 2 & 2, 32
1 3 21, 31
2 1 31, 31
2 3 12, 31
3 1 21, 21
3 2 10

所以按照 $A(n, m)$ 定义:如果 $n$ 等于 $3$,$m$ 等于 $1$,欧拉数值为 $4$,表示共有 $4$ 个有 $1$ 个元素大于前一个元素的排列.

对于 $n$ 和 $m$ 值比较小的欧拉数来说,我们可以直接得到结果:

$A(n, m)$满足要求的排列个数
$A(1, 0)$$(1)$1
$A(2, 0)$$(2, 1)$1
$A(2, 1)$$(1, 2)$1
$A(3, 0)$$(3, 2, 1)$1
$A(3, 1)$$(1, 3, 2), (2, 1, 3), (2, 3, 1), (3, 1, 2)$4
$A(3, 2)$$(1, 2, 3)$1

公式

可以通过递推或者递归的方法计算欧拉数.

首先,当 $m \ge n$ 或 $n = 0$ 时,没有满足条件的排列,即此时欧拉数为 $0$.

其次,当 $m = 0$ 时,只有降序的排列满足条件,即此时欧拉数为 $1$.

最后,考虑在 $n-1$ 的排列的基础上插入 $n$ 从而得到 $n$ 的排列,由于插入 $n$ 至多使欧拉数增加 $1$,所以 $A(n, m)$ 可以仅从 $A(n-1, m-1)$ 处和 $A(n-1, m)$ 处转移得到.

考虑 $n$ 插入的位置:当 $p_{i-1} < p_{i}$ 时,若将 $n$ 插到 $p_{i}$ 之前,即将 $n$ 插入到「上升」中,排列的欧拉数不变;此外,将 $n$ 插在排列之前,排列的欧拉数也不变;否则,若将 $n$ 插到其余位置,排列的欧拉数增加 $1$.

考虑从 $A(n-1, m-1)$ 转移到 $A(n, m)$,此时需要使欧拉数增加 $1$,此时不能将 $n$ 插在「上升」中或者排列开头,共有 $n - (m-1) - 1 = n-m$ 种方案.

考虑从 $A(n-1, m)$ 转移到 $A(n, m)$,此时需要欧拉数保持不变,只能将 $n$ 插在「上升」中或者排列开头,共 $m+1$ 种方案.

综上所述,有

$$ A(n, m) = \begin{cases} 0, & m > n \text{ or } n = 0, \ 1, & m = 0, \ (n-m) \cdot A(n-1, m-1) + (m+1) \cdot A(n-1, m), & \text{otherwise}. \end{cases} $$

实现

=== "C++" cpp int eulerianNumber(int n, int m) { if (m >= n || n == 0) return 0; if (m == 0) return 1; return (((n - m) * eulerianNumber(n - 1, m - 1)) + ((m + 1) * eulerianNumber(n - 1, m))); }

=== "Python" python def eulerianNumber(n, m): if m >= n or n == 0: return 0 if m == 0: return 1 return ((n - m) * eulerianNumber(n - 1, m - 1)) + ( (m + 1) * eulerianNumber(n - 1, m) )

习题