“算了,先这样吧。刚才我已经算出推导公式了。”
从 0 加到 4,一共有 5 个数字。在这 5 个数字之间共有 4 个加号。仔细一想,因为现在要求的是有几种添加括号的方式,所以实际上是哪几个数字相加与题目没什么关系。
n表示什么呢? 0 + 1 + 2 + 3 + ... +n这个式子是从 0 开始计算的,所有加数的个数为n+ 1。我们可以把n考虑成 0 + 1 + 2 + 3 + ... +n这个式子中“加号的个数”。
是泰朵拉。
趁热打铁,这就来代入验算一下。
要求出表示各项间关系的推导公式,我们有必要清楚“添加括号”背后的结构,并找出其背后结构的规律性。这个式子有 4 个加号,我们把它整理成加号为 3 个以下时的情况看看。
泰朵拉是高中一年级的学生,是我的学妹。她像小松鼠小狗小猫那样跟我很亲近,有时候会来问我数学题。她问的不只是她不明白的数学题,有时候还会向我倾诉一些她内心的烦恼。
“是中午我去老师办公室的时候。你现在就在这里从零开始思考吧,我到那边去想,再见。”米尔嘉朝我挥挥手,优雅地移到窗边的座位上。我的目光紧紧地追随着米尔嘉。透过窗户,可以看到凋零的梧桐树,梧桐树的上面是广阔的冬季的蓝天。虽然是个晴天,但是外面看上去还是很冷。
我们先来看具体例子。题目中给了n为 1,2,3 时的结果,那我们来看一下n为 4 时的情况。让我想想……哇,想不到组合还真多啊。
也就是说,我们将 ((0 + 1) + (2 + (3 + 4))) 这个式子用 ((A + A) + (A + (A + A))) 来代替也可以。
(A+A+A+A)这个式子的括号还没有添加完,因为它包含了 3 项以上的和。但是,这样的式子还可以整理成加号个数更少的情况。嗯,这样一来就能求出推导公式了。
总而言之,C4 可以写成以下形式。
Cn的推导公式
“什么题呀?”我问。
据此可以写出一般形式。
在写这些式子的过程中,我也逐渐找到了规律。能找出规律就意味着离求出推导公式不远了。
好了,还是回到计算有几种添加括号的方式的推导公式上来吧。
分别与(A 模式)相对的(A + A + A + A 模式)分别与(A + A 模式)相对的(A + A + A 模式)分别与(A + A + A 模式)相对的(A + A 模式)分别与(A + A + A + A 模式)相对的(A 模式)
那是高中二年级时的冬天。
1, 1, 2, 5, 14,这几个数字都和例题中计算的个数吻合。
“分别与……相对的”这个说法相当于“各种情况的乘积”。比如n为 4 的时候,我们用式子来表示C4。C4 是以下 4 项的和。
我喜欢听米尔嘉热情地说话,也喜欢远远地观望米尔嘉闭着眼睛思考的样子,她那金边眼镜和她很相配,脸的轮廓线条很清晰……
“放学时间到了。”图书管理员瑞谷老师来催我了。瑞谷老师一直穿着紧身裙,戴着一副看上去像太阳镜那样的深色镜片的眼镜。平时她待在图书室里屋的管理员办公室,一到放学时间,她就会悄然无声地走到图书室中央,然后催大家回家。瑞谷老师就像个准时的闹钟。
如果假设有n个加号时,有Cn种添加括号的方式的话,这里我们应该能求出关于Cn的推导公式。
啊。这么说来,米尔嘉去哪里了?
C5 一定会变得还要大吧。那么接下来一步就是“求出关于Cn的推导公式”,这才是真正要思考的问题。最终目标为“将Cn用含有n的有限项代数式来表示”。
我环视了一周,米尔嘉已经不在图书室了。
添加加号时有什么规律可循吗?加号两边的式子称为项,两边各有一项。也就是说,诸如 (0 + 1) 或者 (0 + (1 + 2)) 这样的两项之和的结构(以及其加法组合)是可以的,但是诸如 (0 + 1 + 2) 这样的三项之和的结构则不在考虑范围内。
那么,这就来求推导公式吧。我正准备计算时,有一个女孩从图书室门口快步走了进来。
“嗯……你是说内容要直接,式子要按照一定的格式来写,专业术语要先给出定义,用词不能模棱两可,要严肃,要……对吧?”
我是高中二年级的学生,米尔嘉和我同一个年级。我们有时会让数学老师村木给我们出题。村木老师很奇怪,但他却很喜欢我们。
“村木老师布置的题。”她答道。
放学后,我在图书室自己最喜欢的座位上坐着,正准备做计算题。这时,米尔嘉走过来问我:“这个问题你看过了吗?”她把一张纸放在我面前,两手撑着桌子站在那里。
我来整理一下要解的题目吧。
“嗯,你急吗?”我问。
米尔嘉擅长数学,我的数学虽然不算差,但是比不上米尔嘉。当我在图书室里沉浸在数学公式的展开时,米尔嘉有时候也会来,拿起自动铅笔,自说自话地在我的笔记本上边写边开始给我讲课。虽然听她讲课的时间也不是不快乐……
“是啊。我想我会计算到管理员催我回家。一起回家吗?”我问。
接下来,我们将具体的例子进行一般化演变。在刚才的题目中,有n个加号时,有Cn种添加括号的方式。刚才计算的是加号有 4 个的情况,也就是说C4 = 14。到现在为止,我们知道C1 = 1,C2 = 2,C3 = 5,C4 = 14。啊,对了,我们还可以算上加号为 0 个时的情况,即C0 = 1。 我们可以用表格表示。
n01234...Cn112 514...
由此我们便可得出表示各项间关系的推导公式。
嗯,好像能看出些什么了。我们来关注最后一个加号,这里所说的“最后一个加号”不是位置上最靠后的加号,而是最后一次进行加法运算的加号。以上式为例,左数第二个加号就是最后一个加号,将这个加号的位置按照从左到右的顺序挪动的话,就形成了排他性的网状分类。也就是说可以进行分类。当加号有 4 个时,可以归类为 4 种形式。我们把最后一个加号都用圆圈标记出来,如下所示。
有 4 个加号时,也就是说 (A + A + A + A + A) 这个形式,可以进行以下分类。
米尔嘉还说推导公式很快就能做出来呢!做到这步真是花了我不少时间。
“等下,米尔嘉,你是什么时候拿到这道题的啊?”我问道。
“啊!学长您在啊。”泰朵拉走到了我的身边,很紧张地问我,“学长您已经开始学习了吗?我是不是来晚了?”
问题 7-1
0 + 1 = (0 + 1)
如果有 1 个加号的话,只有 1 种加法组合(C1 = 1)。
如果有 2 个加号的话,有 2 种加法组合(C2 = 2)。
如果有 3 个加号的话,有 5 种加法组合(C5 = 5)。
那么 0 + 1 + 2 + 3 + ... +n= ?
也就是说,如果有n个加号的话,有几种加法组合呢(Cn= ?)呢?
不,与其想这些还不如先做题。她已经在我对面开始思考了,她刚才说已经算到推导公式了是吗?我都不记得了。米尔嘉一定很快就能算出来吧。
“好的,一定一定。那么我先走了。”泰朵拉脚跟靠拢,朝我小心翼翼地敬了个礼,然后向右转,她的动作很夸张,就这样径直走出了图书室,她在走出图书室的那一刻朝米尔嘉的方向瞟了一眼。
这真是个漂亮的式子啊!然后再用来表示,就更容易看清这个式子的结构了。
“嗯,正是如此。”我说。
竟然一共有 14 种组合啊!也就是说“如果题中有 4 个加号的话,共有 14 种加法组合”。
有 0 + 1, 0 + 1 + 2, 0 + 1 + 2 + 3, ... 这样的式子,给它们加上括号进行加法组合计算。题目上写着:如果有 1 个加号的话,只有 1 种加法组合;如果有 2 个加号的话,有 2 种加法组合;如果有 3 个加号的话,就有 5 种加法组合。这是在计算有几种加括号的方法的问题。我们要求的是 0 + 1 + 2 + 3 + ... +n这个式子有几种添加括号的方法。
我们用下面这种方法来理解。
“不急不急,没关系,您忙您忙。我问题很少。”泰朵拉边朝我摆手边往后退了几步说,“打扰您了真不好意思,那我还是等您回去的时候再问您吧……今天放学之前您都在图书室吧?”
“不知怎么的,我总觉得这个式子太长了,如果能直接点就好了。”我抬起头说。
我朝窗边瞄了一眼,米尔嘉端坐在桌边,好像一直在盯着纸看。因为她背对着我,我看不到她的表情如何。她一动不动地坐着。