1 分割の数え上げ:Stirling 数と Bell 数
定義 1.1. 非負整数n n n に対し[ n ] = { 1 , 2 , … , n } [n]=\{1,2,\dots,n\} [ n ] = { 1 , 2 , … , n } と書く([ 0 ] = ∅ [0]=\varnothing [ 0 ] = ∅ )。非負整数n , k n,k n , k に対し、[ n ] [n] [ n ] の分割のうちちょうどk k k 個のブロックからなるものの個数を 第二種 Stirling 数 (Stirling number of the second kind ) といい、S ( n , k ) S(n,k) S ( n , k ) と書く。
A A A をn n n 元集合とし、全単射u : A → [ n ] u\colon A\to[n] u : A → [ n ] をとると、P ↦ { u ( B ) ∣ B ∈ P } \mathcal{P}\mapsto\{u(B)\mid B\in\mathcal{P}\} P ↦ { u ( B ) ∣ B ∈ P } はA A A の分割全体から[ n ] [n] [ n ] の分割全体への全単射であり、ブロックの個数を変えない。したがってn n n 元集合の分割のうちちょうどk k k 個のブロックからなるものの個数は、どのn n n 元集合をとってもS ( n , k ) S(n,k) S ( n , k ) に等しい。
∅ \varnothing ∅ の分割はブロックを一つももたない空族に限るからS ( 0 , 0 ) = 1 S(0,0)=1 S ( 0 , 0 ) = 1 である。n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 のとき空族の合併は[ n ] [n] [ n ] にならないからS ( n , 0 ) = 0 S(n,0)=0 S ( n , 0 ) = 0 である。分割のブロックは空でなく互いに交わらないから、[ n ] [n] [ n ] がk k k 個のブロックからなる分割をもてばk ≤ n k\le n k ≤ n であり、k > n k>n k > n のときS ( n , k ) = 0 S(n,k)=0 S ( n , k ) = 0 である。
命題 1.2. n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 かつ1 ≤ k ≤ n 1\le k\le n 1 ≤ k ≤ n を満たす整数n , k n,k n , k に対しS ( n , k ) = k S ( n − 1 , k ) + S ( n − 1 , k − 1 ) S(n,k)=k\,S(n-1,k)+S(n-1,k-1) S ( n , k ) = k S ( n − 1 , k ) + S ( n − 1 , k − 1 ) が成り立つ。
証明. S \mathcal{S} S を[ n ] [n] [ n ] のちょうどk k k 個のブロックからなる分割全体の集合とする。分割のブロックは互いに交わらず合併が[ n ] [n] [ n ] であるから、P ∈ S \mathcal{P}\in\mathcal{S} P ∈ S に対してn n n を含むP \mathcal{P} P のブロックはただ一つ定まる。そこでS 1 \mathcal{S}_1 S 1 を{ n } \{n\} { n } をブロックにもつP ∈ S \mathcal{P}\in\mathcal{S} P ∈ S の全体、S 2 \mathcal{S}_2 S 2 をn n n を含むブロックが二元以上であるP ∈ S \mathcal{P}\in\mathcal{S} P ∈ S の全体とすると、S = S 1 ∪ S 2 \mathcal{S}=\mathcal{S}_1\cup\mathcal{S}_2 S = S 1 ∪ S 2 かつS 1 ∩ S 2 = ∅ \mathcal{S}_1\cap\mathcal{S}_2=\varnothing S 1 ∩ S 2 = ∅ である。
P ∈ S 1 \mathcal{P}\in\mathcal{S}_1 P ∈ S 1 にP ∖ { { n } } \mathcal{P}\setminus\{\{n\}\} P ∖ {{ n }} を対応させる写像は、S 1 \mathcal{S}_1 S 1 から[ n − 1 ] [n-1] [ n − 1 ] のちょうどk − 1 k-1 k − 1 個のブロックからなる分割全体への全単射である。逆写像はQ ↦ Q ∪ { { n } } \mathcal{Q}\mapsto\mathcal{Q}\cup\{\{n\}\} Q ↦ Q ∪ {{ n }} で与えられる。ゆえに∣ S 1 ∣ = S ( n − 1 , k − 1 ) |\mathcal{S}_1|=S(n-1,k-1) ∣ S 1 ∣ = S ( n − 1 , k − 1 ) である。
[ n − 1 ] [n-1] [ n − 1 ] のちょうどk k k 個のブロックからなる分割Q \mathcal{Q} Q と、Q \mathcal{Q} Q のブロックB B B の組( Q , B ) (\mathcal{Q},B) ( Q , B ) に、Q \mathcal{Q} Q のB B B をB ∪ { n } B\cup\{n\} B ∪ { n } で置き換えて得られる分割を対応させる写像は、そのような組の全体からS 2 \mathcal{S}_2 S 2 への全単射である。逆写像は、P ∈ S 2 \mathcal{P}\in\mathcal{S}_2 P ∈ S 2 のn n n を含むブロックC C C をC ∖ { n } C\setminus\{n\} C ∖ { n } で置き換えたものをQ \mathcal{Q} Q 、C ∖ { n } C\setminus\{n\} C ∖ { n } をB B B とすることで与えられる。Q \mathcal{Q} Q の選び方はS ( n − 1 , k ) S(n-1,k) S ( n − 1 , k ) 通り、Q \mathcal{Q} Q ごとにB B B の選び方はk k k 通りであるから、§D2.2 定理 2.3 により組の個数はk S ( n − 1 , k ) k\,S(n-1,k) k S ( n − 1 , k ) であり、∣ S 2 ∣ = k S ( n − 1 , k ) |\mathcal{S}_2|=k\,S(n-1,k) ∣ S 2 ∣ = k S ( n − 1 , k ) である。
S 1 \mathcal{S}_1 S 1 とS 2 \mathcal{S}_2 S 2 は互いに素であるから、§D2.2 定理 2.1 によりS ( n , k ) = ∣ S 1 ∣ + ∣ S 2 ∣ = S ( n − 1 , k − 1 ) + k S ( n − 1 , k ) S(n,k)=|\mathcal{S}_1|+|\mathcal{S}_2|=S(n-1,k-1)+k\,S(n-1,k) S ( n , k ) = ∣ S 1 ∣ + ∣ S 2 ∣ = S ( n − 1 , k − 1 ) + k S ( n − 1 , k ) である。▨
証明. E E E を[ n ] [n] [ n ] から[ k ] [k] [ k ] への全射全体、T \mathcal{T} T を[ n ] [n] [ n ] のちょうどk k k 個のブロックからなる分割全体とする。f ∈ E f\in E f ∈ E に対して
π ( f ) = { f − 1 ( i ) : i ∈ [ k ] } \pi(f)=\{f^{-1}(i):i\in[k]\} π ( f ) = { f − 1 ( i ) : i ∈ [ k ]} とおく。f f f は全射であるから、π ( f ) \pi(f) π ( f ) はT \mathcal{T} T の元である。任意のP ∈ T \mathcal{P}\in\mathcal{T} P ∈ T と全単射h : P → [ k ] h:\mathcal{P}\to[k] h : P → [ k ] に対し、a ∈ [ n ] a\in[n] a ∈ [ n ] を含むP \mathcal{P} P のブロックをB a B_a B a としてf h ( a ) = h ( B a ) f_h(a)=h(B_a) f h ( a ) = h ( B a ) と定めると、f h ∈ E f_h\in E f h ∈ E かつπ ( f h ) = P \pi(f_h)=\mathcal{P} π ( f h ) = P である。逆に、π ( f ) = P \pi(f)=\mathcal{P} π ( f ) = P を満たすf ∈ E f\in E f ∈ E は、B ∈ P B\in\mathcal{P} B ∈ P 上で一定であるf f f の値をh ( B ) h(B) h ( B ) とする全単射h : P → [ k ] h:\mathcal{P}\to[k] h : P → [ k ] を定める。したがってπ : E → T \pi:E\to\mathcal{T} π : E → T は全射であり、各P ∈ T \mathcal{P}\in\mathcal{T} P ∈ T の逆像はP \mathcal{P} P から[ k ] [k] [ k ] への全単射全体と一対一に対応するので、ちょうどk ! k! k ! 個の元をもつ。
k ! k! k ! は正整数であるから、§D2.2 命題 2.2 により∣ E ∣ = k ! ∣ T ∣ = k ! S ( n , k ) |E|=k!|\mathcal{T}|=k!S(n,k) ∣ E ∣ = k ! ∣ T ∣ = k ! S ( n , k ) である。一方、§D2.3 命題 2.1 により
∣ E ∣ = ∑ j = 0 k ( − 1 ) j ( k j ) ( k − j ) n |E|=\sum_{j=0}^{k}(-1)^j\binom{k}{j}(k-j)^n ∣ E ∣ = j = 0 ∑ k ( − 1 ) j ( j k ) ( k − j ) n である。二つの等式から結論を得る。▨
定義 1.4. 非負整数n n n に対し、[ n ] [n] [ n ] の分割の総数を Bell 数 (Bell number ) といい、B n B_n B n と書く。分割をブロックの個数で類別すると、ブロックの個数は0 0 0 以上n n n 以下であるから、§D2.2 定理 2.1 によりB n = ∑ k = 0 n S ( n , k ) B_n=\sum_{k=0}^{n}S(n,k) B n = ∑ k = 0 n S ( n , k ) であり、とくにB 0 = S ( 0 , 0 ) = 1 B_0=S(0,0)=1 B 0 = S ( 0 , 0 ) = 1 である。定義 1.1 で述べた全単射による対応から、n n n 元集合の分割の総数は、どのn n n 元集合をとってもB n B_n B n に等しい。
系 1.5. 非負整数n n n に対し、[ n ] [n] [ n ] 上の同値関係の個数はB n B_n B n である。
証明. §D2.5 系 2.6 により[ n ] [n] [ n ] 上の同値関係全体と[ n ] [n] [ n ] の分割全体は同じ元の個数をもち、定義 1.4 により後者の個数はB n B_n B n である。▨
命題 1.6. 非負整数n n n に対しB n + 1 = ∑ k = 0 n ( n k ) B k B_{n+1}=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}B_k B n + 1 = ∑ k = 0 n ( k n ) B k が成り立つ。
証明. B \mathcal{B} B を[ n + 1 ] [n+1] [ n + 1 ] の分割全体の集合とする。P ∈ B \mathcal{P}\in\mathcal{B} P ∈ B に対してn + 1 n+1 n + 1 を含むP \mathcal{P} P のブロックをC ( P ) C(\mathcal{P}) C ( P ) と書き、e ( P ) = [ n + 1 ] ∖ C ( P ) e(\mathcal{P})=[n+1]\setminus C(\mathcal{P}) e ( P ) = [ n + 1 ] ∖ C ( P ) とおく。n + 1 ∈ C ( P ) n+1\in C(\mathcal{P}) n + 1 ∈ C ( P ) であるからe ( P ) ⊆ [ n ] e(\mathcal{P})\subseteq[n] e ( P ) ⊆ [ n ] であり、∣ e ( P ) ∣ |e(\mathcal{P})| ∣ e ( P ) ∣ は0 0 0 以上n n n 以下の整数である。0 ≤ k ≤ n 0\le k\le n 0 ≤ k ≤ n に対しB k = { P ∈ B ∣ ∣ e ( P ) ∣ = k } \mathcal{B}_k=\{\mathcal{P}\in\mathcal{B}\mid |e(\mathcal{P})|=k\} B k = { P ∈ B ∣ ∣ e ( P ) ∣ = k } とおくと、B \mathcal{B} B はB 0 , … , B n \mathcal{B}_0,\dots,\mathcal{B}_n B 0 , … , B n の互いに素な合併である。
k k k を固定する。P ∈ B k \mathcal{P}\in\mathcal{B}_k P ∈ B k に対し、A = e ( P ) A=e(\mathcal{P}) A = e ( P ) とQ = P ∖ { C ( P ) } \mathcal{Q}=\mathcal{P}\setminus\{C(\mathcal{P})\} Q = P ∖ { C ( P )} を対応させる。Q \mathcal{Q} Q のブロックはC ( P ) C(\mathcal{P}) C ( P ) と交わらず、その合併はA A A であるから、Q \mathcal{Q} Q はA A A の分割である。逆に、[ n ] [n] [ n ] のk k k 元部分集合A A A とA A A の分割Q \mathcal{Q} Q に対しQ ∪ { [ n + 1 ] ∖ A } \mathcal{Q}\cup\{[n+1]\setminus A\} Q ∪ {[ n + 1 ] ∖ A } とおくと、[ n + 1 ] ∖ A [n+1]\setminus A [ n + 1 ] ∖ A はn + 1 n+1 n + 1 を含むので空でなく、これはB k \mathcal{B}_k B k の元であって、二つの対応は互いに逆である。ゆえにB k \mathcal{B}_k B k は、[ n ] [n] [ n ] のk k k 元部分集合A A A とA A A の分割Q \mathcal{Q} Q の組( A , Q ) (A,\mathcal{Q}) ( A , Q ) 全体と一対一に対応する。
A A A の選び方は§D2.2 命題 3.1 により( n k ) \binom{n}{k} ( k n ) 通りであり、A A A ごとにQ \mathcal{Q} Q の選び方は、A A A がk k k 元集合であることと定義 1.4 によりB k B_k B k 通りである。§D2.2 定理 2.3 により∣ B k ∣ = ( n k ) B k |\mathcal{B}_k|=\binom{n}{k}B_k ∣ B k ∣ = ( k n ) B k である。B 0 , … , B n \mathcal{B}_0,\dots,\mathcal{B}_n B 0 , … , B n は互いに素であるから、§D2.2 定理 2.1 によりB n + 1 = ∣ B ∣ = ∑ k = 0 n ( n k ) B k B_{n+1}=|\mathcal{B}|=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}B_k B n + 1 = ∣ B ∣ = ∑ k = 0 n ( k n ) B k である。▨
例 1.8 (S ( 4 , 2 ) S(4,2) S ( 4 , 2 ) ・B 4 B_4 B 4 と全射の個数の検算). 漸化式を実際に回して値を求め、独立な数え方で二重に確かめる。
まず命題 1.2 によりS ( 4 , 2 ) = 2 S ( 3 , 2 ) + S ( 3 , 1 ) S(4,2)=2\,S(3,2)+S(3,1) S ( 4 , 2 ) = 2 S ( 3 , 2 ) + S ( 3 , 1 ) である。ここでS ( 3 , 2 ) = 2 S ( 2 , 2 ) + S ( 2 , 1 ) = 2 ⋅ 1 + 1 = 3 S(3,2)=2\,S(2,2)+S(2,1)=2\cdot 1+1=3 S ( 3 , 2 ) = 2 S ( 2 , 2 ) + S ( 2 , 1 ) = 2 ⋅ 1 + 1 = 3 、S ( 3 , 1 ) = 1 ⋅ S ( 2 , 1 ) + S ( 2 , 0 ) = 1 + 0 = 1 S(3,1)=1\cdot S(2,1)+S(2,0)=1+0=1 S ( 3 , 1 ) = 1 ⋅ S ( 2 , 1 ) + S ( 2 , 0 ) = 1 + 0 = 1 であるからS ( 4 , 2 ) = 2 ⋅ 3 + 1 = 7. S(4,2)=2\cdot 3+1=7. S ( 4 , 2 ) = 2 ⋅ 3 + 1 = 7. 直接列挙しても、[ 4 ] = { 1 , 2 , 3 , 4 } [4]=\{1,2,3,4\} [ 4 ] = { 1 , 2 , 3 , 4 } を2 2 2 ブロックに分ける仕方は、1 1 1 を含むブロックで分割が定まることから{ 1 } ∣ { 2 , 3 , 4 } \{1\}\mid\{2,3,4\} { 1 } ∣ { 2 , 3 , 4 } 、{ 1 , 2 } ∣ { 3 , 4 } \{1,2\}\mid\{3,4\} { 1 , 2 } ∣ { 3 , 4 } 、{ 1 , 3 } ∣ { 2 , 4 } \{1,3\}\mid\{2,4\} { 1 , 3 } ∣ { 2 , 4 } 、{ 1 , 4 } ∣ { 2 , 3 } \{1,4\}\mid\{2,3\} { 1 , 4 } ∣ { 2 , 3 } 、{ 1 , 2 , 3 } ∣ { 4 } \{1,2,3\}\mid\{4\} { 1 , 2 , 3 } ∣ { 4 } 、{ 1 , 2 , 4 } ∣ { 3 } \{1,2,4\}\mid\{3\} { 1 , 2 , 4 } ∣ { 3 } 、{ 1 , 3 , 4 } ∣ { 2 } \{1,3,4\}\mid\{2\} { 1 , 3 , 4 } ∣ { 2 } の7 7 7 通りで一致する。
次に、S ( 4 , 1 ) = 1 ⋅ S ( 3 , 1 ) + S ( 3 , 0 ) = 1 S(4,1)=1\cdot S(3,1)+S(3,0)=1 S ( 4 , 1 ) = 1 ⋅ S ( 3 , 1 ) + S ( 3 , 0 ) = 1 、S ( 4 , 3 ) = 3 S ( 3 , 3 ) + S ( 3 , 2 ) = 3 + 3 = 6 S(4,3)=3\,S(3,3)+S(3,2)=3+3=6 S ( 4 , 3 ) = 3 S ( 3 , 3 ) + S ( 3 , 2 ) = 3 + 3 = 6 、S ( 4 , 4 ) = 4 S ( 3 , 4 ) + S ( 3 , 3 ) = 0 + 1 = 1 S(4,4)=4\,S(3,4)+S(3,3)=0+1=1 S ( 4 , 4 ) = 4 S ( 3 , 4 ) + S ( 3 , 3 ) = 0 + 1 = 1 であるから、定義 1.4 によりB 4 = S ( 4 , 1 ) + S ( 4 , 2 ) + S ( 4 , 3 ) + S ( 4 , 4 ) = 1 + 7 + 6 + 1 = 15. B_4=S(4,1)+S(4,2)+S(4,3)+S(4,4)=1+7+6+1=15. B 4 = S ( 4 , 1 ) + S ( 4 , 2 ) + S ( 4 , 3 ) + S ( 4 , 4 ) = 1 + 7 + 6 + 1 = 15. これを命題 1.6 でも確かめる。同じ計算によりB 0 = 1 B_0=1 B 0 = 1 、B 1 = S ( 1 , 1 ) = 1 B_1=S(1,1)=1 B 1 = S ( 1 , 1 ) = 1 、B 2 = S ( 2 , 1 ) + S ( 2 , 2 ) = 2 B_2=S(2,1)+S(2,2)=2 B 2 = S ( 2 , 1 ) + S ( 2 , 2 ) = 2 、B 3 = S ( 3 , 1 ) + S ( 3 , 2 ) + S ( 3 , 3 ) = 1 + 3 + 1 = 5 B_3=S(3,1)+S(3,2)+S(3,3)=1+3+1=5 B 3 = S ( 3 , 1 ) + S ( 3 , 2 ) + S ( 3 , 3 ) = 1 + 3 + 1 = 5 であるからB 4 = ( 3 0 ) B 0 + ( 3 1 ) B 1 + ( 3 2 ) B 2 + ( 3 3 ) B 3 = 1 ⋅ 1 + 3 ⋅ 1 + 3 ⋅ 2 + 1 ⋅ 5 = 15 , B_4=\binom{3}{0}B_0+\binom{3}{1}B_1+\binom{3}{2}B_2+\binom{3}{3}B_3=1\cdot 1+3\cdot 1+3\cdot 2+1\cdot 5=15, B 4 = ( 0 3 ) B 0 + ( 1 3 ) B 1 + ( 2 3 ) B 2 + ( 3 3 ) B 3 = 1 ⋅ 1 + 3 ⋅ 1 + 3 ⋅ 2 + 1 ⋅ 5 = 15 , 確かに一致する。
最後に、Stirling 数と写像の数え上げの橋渡しを確かめる。命題 2.3 (3) により[ 4 ] [4] [ 4 ] から[ 2 ] [2] [ 2 ] への全射の個数は2 ! S ( 4 , 2 ) = 2 ⋅ 7 = 14 2!\,S(4,2)=2\cdot 7=14 2 ! S ( 4 , 2 ) = 2 ⋅ 7 = 14 である。一方§D2.3 命題 2.1 によれば同じ個数は∑ j = 0 2 ( − 1 ) j ( 2 j ) ( 2 − j ) 4 \sum_{j=0}^{2}(-1)^j\binom{2}{j}(2-j)^4 ∑ j = 0 2 ( − 1 ) j ( j 2 ) ( 2 − j ) 4 とも書け、( 2 0 ) 2 4 − ( 2 1 ) 1 4 + ( 2 2 ) 0 4 = 16 − 2 + 0 = 14 \binom{2}{0}2^4-\binom{2}{1}1^4+\binom{2}{2}0^4=16-2+0=14 ( 0 2 ) 2 4 − ( 1 2 ) 1 4 + ( 2 2 ) 0 4 = 16 − 2 + 0 = 14 となって一致する。さらに命題 2.3 (1) により[ 4 ] [4] [ 4 ] から[ 2 ] [2] [ 2 ] への写像は全部で2 4 = 16 2^4=16 2 4 = 16 個であり、全射でないものは像が一点である写像すなわち2 2 2 個の定値写像に限るから、16 − 2 = 14 16-2=14 16 − 2 = 14 が三度目の一致を与える。
2 写像の数え上げ:十二相
N N N からX X X への写像を数えるとき、N N N の元どうし、X X X の元どうしを区別するかどうかによって、何を同じ写像とみなすかが変わります。区別しないことは、N N N の全単射またはX X X の全単射で移り合う写像を同一視することとして定式化されます。区別の有無の2 × 2 2\times 2 2 × 2 通りと、写像へ課す条件(任意・単射・全射)の3 3 3 通りとの組合せで12 12 12 通りの数え上げが得られ、これらをまとめて十二相(twelvefold way)と呼びます。N N N の元を球、X X X の元を箱とみなして、球を箱へ入れる入れ方を数える問題としても同じものが述べられます。
例 2.1 (定義域の元を区別しない同一視). N = { a , b , c } N=\{a,b,c\} N = { a , b , c } 、X = { 0 , 1 } X=\{0,1\} X = { 0 , 1 } とし、写像f , g : N → X f,g\colon N\to X f , g : N → X を
( f ( a ) , f ( b ) , f ( c ) ) = ( 0 , 1 , 1 ) , ( g ( a ) , g ( b ) , g ( c ) ) = ( 1 , 0 , 1 ) (f(a),f(b),f(c))=(0,1,1),\qquad (g(a),g(b),g(c))=(1,0,1) ( f ( a ) , f ( b ) , f ( c )) = ( 0 , 1 , 1 ) , ( g ( a ) , g ( b ) , g ( c )) = ( 1 , 0 , 1 ) で定めます。a a a とb b b を入れ替えてc c c を固定する全単射をσ : N → N \sigma\colon N\to N σ : N → N とするとg = f ∘ σ g=f\circ\sigma g = f ∘ σ です。したがってf f f とg g g は写像としては異なりますが、定義域N N N の元を区別しない∼ N \sim_N ∼ N による数え上げでは同じ同値類に属します。
定義 2.2. n n n を非負整数とする。λ 1 ≥ λ 2 ≥ ⋯ ≥ λ m ≥ 1 \lambda_1\ge\lambda_2\ge\cdots\ge\lambda_m\ge 1 λ 1 ≥ λ 2 ≥ ⋯ ≥ λ m ≥ 1 とλ 1 + λ 2 + ⋯ + λ m = n \lambda_1+\lambda_2+\cdots+\lambda_m=n λ 1 + λ 2 + ⋯ + λ m = n を満たす整数の有限列λ = ( λ 1 , … , λ m ) \lambda=(\lambda_1,\dots,\lambda_m) λ = ( λ 1 , … , λ m ) をn n n の 整数の分割 (partition of an integer ) といい、各λ i \lambda_i λ i をその 部分 (part ) 、m m m を部分の個数という。m = 0 m=0 m = 0 の空列は0 0 0 の整数の分割であり、n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 のときはn n n の整数の分割ではない。
非負整数k k k に対し、部分の個数がちょうどk k k であるn n n の整数の分割の個数をp k ( n ) p_k(n) p k ( n ) と書き、部分の個数がk k k 以下であるn n n の整数の分割の個数をp ≤ k ( n ) p_{\le k}(n) p ≤ k ( n ) と書く。
命題 2.3 (十二相). n , k n,k n , k を非負整数、N N N をn n n 元集合、X X X をk k k 元集合とする。条件P P P に対して[ P ] [\,P\,] [ P ] はP P P が真のとき1 1 1 、偽のとき0 0 0 を表すものとし、0 0 = 1 0^0=1 0 0 = 1 と読む。また整数m m m と非負整数j j j に対して( m j ) = m ( m − 1 ) ⋯ ( m − j + 1 ) j ! \binom{m}{j}=\dfrac{m(m-1)\cdots(m-j+1)}{j!} ( j m ) = j ! m ( m − 1 ) ⋯ ( m − j + 1 ) (j = 0 j=0 j = 0 のときは空積により( m 0 ) = 1 \binom{m}{0}=1 ( 0 m ) = 1 )と読む。
N N N からX X X への写像f , g f,g f , g に対し、g = f ∘ σ g=f\circ\sigma g = f ∘ σ を満たす全単射σ : N → N \sigma\colon N\to N σ : N → N が存在するときf ∼ N g f\sim_N g f ∼ N g と書き、g = τ ∘ f g=\tau\circ f g = τ ∘ f を満たす全単射τ : X → X \tau\colon X\to X τ : X → X が存在するときf ∼ X g f\sim_X g f ∼ X g と書き、g = τ ∘ f ∘ σ g=\tau\circ f\circ\sigma g = τ ∘ f ∘ σ を満たす全単射σ : N → N \sigma\colon N\to N σ : N → N とτ : X → X \tau\colon X\to X τ : X → X が存在するときf ∼ N , X g f\sim_{N,X} g f ∼ N , X g と書く。∼ N \sim_N ∼ N 、∼ X \sim_X ∼ X 、∼ N , X \sim_{N,X} ∼ N , X はN N N からX X X への写像全体の上の同値関係であり、単射全体と全射全体はそれぞれこの三つの同値関係で閉じている。その同値類について次が成り立つ。
写像N → X N\to X N → X の個数はk n k^{n} k n である。
単射N → X N\to X N → X の個数は、n ≤ k n\le k n ≤ k のときk ! ( k − n ) ! \dfrac{k!}{(k-n)!} ( k − n )! k ! 、n > k n>k n > k のとき0 0 0 である。
全射N → X N\to X N → X の個数はk ! S ( n , k ) k!\,S(n,k) k ! S ( n , k ) である。
写像N → X N\to X N → X の∼ N \sim_N ∼ N による同値類の個数は( n + k − 1 n ) \dbinom{n+k-1}{n} ( n n + k − 1 ) である。
単射N → X N\to X N → X の∼ N \sim_N ∼ N による同値類の個数は( k n ) \dbinom{k}{n} ( n k ) である。
全射N → X N\to X N → X の∼ N \sim_N ∼ N による同値類の個数は、n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 かつk ≥ 1 k\ge 1 k ≥ 1 のとき( n − 1 k − 1 ) \dbinom{n-1}{k-1} ( k − 1 n − 1 ) 、n = k = 0 n=k=0 n = k = 0 のとき1 1 1 、それ以外のとき0 0 0 である。
写像N → X N\to X N → X の∼ X \sim_X ∼ X による同値類の個数は∑ j = 0 k S ( n , j ) \sum_{j=0}^{k}S(n,j) ∑ j = 0 k S ( n , j ) である。
単射N → X N\to X N → X の∼ X \sim_X ∼ X による同値類の個数は[ n ≤ k ] [\,n\le k\,] [ n ≤ k ] である。
全射N → X N\to X N → X の∼ X \sim_X ∼ X による同値類の個数はS ( n , k ) S(n,k) S ( n , k ) である。
写像N → X N\to X N → X の∼ N , X \sim_{N,X} ∼ N , X による同値類の個数はp ≤ k ( n ) p_{\le k}(n) p ≤ k ( n ) である。
単射N → X N\to X N → X の∼ N , X \sim_{N,X} ∼ N , X による同値類の個数は[ n ≤ k ] [\,n\le k\,] [ n ≤ k ] である。
全射N → X N\to X N → X の∼ N , X \sim_{N,X} ∼ N , X による同値類の個数はp k ( n ) p_{k}(n) p k ( n ) である。
証明. 全単射u : N → [ n ] u\colon N\to[n] u : N → [ n ] とv : X → [ k ] v\colon X\to[k] v : X → [ k ] をとる。Θ ( f ) = v ∘ f ∘ u − 1 \Theta(f)=v\circ f\circ u^{-1} Θ ( f ) = v ∘ f ∘ u − 1 はN N N からX X X への写像全体から[ n ] [n] [ n ] から[ k ] [k] [ k ] への写像全体への全単射であり、全単射との合成は単射性と全射性を変えないから、Θ \Theta Θ は単射を単射へ、全射を全射へ写す。またg = τ ∘ f ∘ σ g=\tau\circ f\circ\sigma g = τ ∘ f ∘ σ とΘ ( g ) = ( v τ v − 1 ) ∘ Θ ( f ) ∘ ( u σ u − 1 ) \Theta(g)=(v\tau v^{-1})\circ\Theta(f)\circ(u\sigma u^{-1}) Θ ( g ) = ( v τ v − 1 ) ∘ Θ ( f ) ∘ ( u σ u − 1 ) は同値であり、σ ↦ u σ u − 1 \sigma\mapsto u\sigma u^{-1} σ ↦ u σ u − 1 はN N N の全単射全体から[ n ] [n] [ n ] の全単射全体への全単射、τ ↦ v τ v − 1 \tau\mapsto v\tau v^{-1} τ ↦ v τ v − 1 はX X X の全単射全体から[ k ] [k] [ k ] の全単射全体への全単射であるから、Θ \Theta Θ は三つの関係を両向きに保つ。よって主張の 12 個の個数はn n n とk k k だけで定まる。以下N = [ n ] N=[n] N = [ n ] 、X = [ k ] X=[k] X = [ k ] とする。
∼ N , X \sim_{N,X} ∼ N , X について、σ \sigma σ とτ \tau τ を恒等写像にとれば反射律が、σ \sigma σ とτ \tau τ を逆写像に取り替えれば対称律が、二組の全単射を合成すれば推移律が得られる。∼ N \sim_N ∼ N はτ \tau τ を恒等写像に限った場合、∼ X \sim_X ∼ X はσ \sigma σ を恒等写像に限った場合であり、同じ議論が通る。全単射との合成は単射性と全射性を変えないから、単射全体と全射全体はこの三つの同値関係で閉じている。
(1) を示す。n = 0 n=0 n = 0 のときN → X N\to X N → X の写像は空写像ただ一つであり、k 0 = 1 k^{0}=1 k 0 = 1 である。n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 かつk = 0 k=0 k = 0 のとき、1 ∈ N 1\in N 1 ∈ N の行き先がX = ∅ X=\varnothing X = ∅ に存在しないので写像はなく、0 n = 0 0^{n}=0 0 n = 0 である。n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 かつk ≥ 1 k\ge 1 k ≥ 1 のとき、1 , 2 , … , n 1,2,\dots,n 1 , 2 , … , n の行き先を順に選ぶn n n 段階の手続きは各段階でX X X のk k k 個の元から一つを選ぶものであり、選択列( f ( 1 ) , … , f ( n ) ) (f(1),\dots,f(n)) ( f ( 1 ) , … , f ( n )) と写像f f f は一対一に対応する。§D2.2 定理 2.3 により写像の個数はk n k^{n} k n である。
(2) を示す。f f f が単射ならばf f f はN N N からf ( N ) f(N) f ( N ) への全単射を与えるので∣ f ( N ) ∣ = n |f(N)|=n ∣ f ( N ) ∣ = n であり、f ( N ) ⊆ X f(N)\subseteq X f ( N ) ⊆ X からn ≤ k n\le k n ≤ k が従う。ゆえにn > k n>k n > k のとき単射は存在せず、その個数は0 0 0 である。n ≤ k n\le k n ≤ k のとき、単射f f f に列( f ( 1 ) , … , f ( n ) ) (f(1),\dots,f(n)) ( f ( 1 ) , … , f ( n )) を対応させると、これはX X X のk k k 個の元からn n n 個を選んで並べる順列と一対一に対応するから、§D2.2 命題 3.1 により単射の個数はk ! ( k − n ) ! \dfrac{k!}{(k-n)!} ( k − n )! k ! である。
(3) を示す。E E E を全射N → X N\to X N → X 全体、T \mathcal{T} T を[ n ] [n] [ n ] のちょうどk k k 個のブロックからなる分割全体とする。f ∈ E f\in E f ∈ E に対しΦ ( f ) = { f − 1 ( x ) ∣ x ∈ X } \Phi(f)=\{f^{-1}(x)\mid x\in X\} Φ ( f ) = { f − 1 ( x ) ∣ x ∈ X } とおくと、f f f が全射であることから各f − 1 ( x ) f^{-1}(x) f − 1 ( x ) は空でなく、相異なるx x x の逆像は交わらず、その合併はN N N であり、また相異なるx x x の逆像は互いに異なるから、Φ ( f ) \Phi(f) Φ ( f ) はちょうどk k k 個のブロックからなる[ n ] [n] [ n ] の分割である。P ∈ T \mathcal{P}\in\mathcal{T} P ∈ T を固定すると、Φ ( f ) = P \Phi(f)=\mathcal{P} Φ ( f ) = P を満たすf ∈ E f\in E f ∈ E は、a ∈ N a\in N a ∈ N の属するブロックをB a B_a B a としてf ( a ) = h ( B a ) f(a)=h(B_a) f ( a ) = h ( B a ) と書くことにより、P \mathcal{P} P からX X X への全単射h h h と一対一に対応する。P \mathcal{P} P の元を並べてB 1 , … , B k B_1,\dots,B_k B 1 , … , B k とすると、そのようなh h h はX X X のk k k 個の元すべてを重複なく並べた列( h ( B 1 ) , … , h ( B k ) ) (h(B_1),\dots,h(B_k)) ( h ( B 1 ) , … , h ( B k )) と一対一に対応するから、§D2.2 命題 3.1 によりその個数はk ! k! k ! である。とくにΦ : E → T \Phi\colon E\to\mathcal{T} Φ : E → T は全射であり、各P ∈ T \mathcal{P}\in\mathcal{T} P ∈ T の逆像はちょうどk ! k! k ! 個の元をもつ。k ! k! k ! は正整数であるから、§D2.2 命題 2.2 により∣ E ∣ = k ! ∣ T ∣ = k ! S ( n , k ) |E|=k!\,|\mathcal{T}|=k!\,S(n,k) ∣ E ∣ = k ! ∣ T ∣ = k ! S ( n , k ) である。
∼ N \sim_N ∼ N による同値類を数えるために、写像f : N → X f\colon N\to X f : N → X に対して各x ∈ X x\in X x ∈ X にm f ( x ) = ∣ f − 1 ( x ) ∣ m_f(x)=|f^{-1}(x)| m f ( x ) = ∣ f − 1 ( x ) ∣ を対応させる族m f m_f m f を考える。N N N は逆像f − 1 ( x ) f^{-1}(x) f − 1 ( x ) (x ∈ X x\in X x ∈ X )の互いに素な合併であるから、§D2.2 定理 2.1 により∑ x ∈ X m f ( x ) = n \sum_{x\in X}m_f(x)=n ∑ x ∈ X m f ( x ) = n である。g = f ∘ σ g=f\circ\sigma g = f ∘ σ ならばg − 1 ( x ) = σ − 1 ( f − 1 ( x ) ) g^{-1}(x)=\sigma^{-1}(f^{-1}(x)) g − 1 ( x ) = σ − 1 ( f − 1 ( x )) でありσ \sigma σ は全単射であるからm g = m f m_g=m_f m g = m f である。逆にm f = m g m_f=m_g m f = m g とすると、各x ∈ X x\in X x ∈ X について全単射σ x : g − 1 ( x ) → f − 1 ( x ) \sigma_x\colon g^{-1}(x)\to f^{-1}(x) σ x : g − 1 ( x ) → f − 1 ( x ) がとれ、N N N がg − 1 ( x ) g^{-1}(x) g − 1 ( x ) (x ∈ X x\in X x ∈ X )の互いに素な合併であることからこれらを合わせたσ : N → N \sigma\colon N\to N σ : N → N は全単射であり、a ∈ g − 1 ( x ) a\in g^{-1}(x) a ∈ g − 1 ( x ) に対しf ( σ ( a ) ) = x = g ( a ) f(\sigma(a))=x=g(a) f ( σ ( a )) = x = g ( a ) となるのでg = f ∘ σ g=f\circ\sigma g = f ∘ σ である。さらに、非負整数の族( m x ) x ∈ X (m_x)_{x\in X} ( m x ) x ∈ X で∑ x ∈ X m x = n \sum_{x\in X}m_x=n ∑ x ∈ X m x = n を満たすものが与えられたとき、N N N を∣ A x ∣ = m x |A_x|=m_x ∣ A x ∣ = m x を満たす互いに素な部分集合A x A_x A x (x ∈ X x\in X x ∈ X )の合併に分け、a ∈ A x a\in A_x a ∈ A x に対しf ( a ) = x f(a)=x f ( a ) = x と定めればm f = ( m x ) x ∈ X m_f=(m_x)_{x\in X} m f = ( m x ) x ∈ X である。ゆえにf ↦ m f f\mapsto m_f f ↦ m f は、∼ N \sim_N ∼ N による同値類全体から、和がn n n である非負整数の族( m x ) x ∈ X (m_x)_{x\in X} ( m x ) x ∈ X 全体への全単射を与える。またf f f が単射であることは各m f ( x ) m_f(x) m f ( x ) が1 1 1 以下であることと同値であり、f f f が全射であることは各m f ( x ) m_f(x) m f ( x ) が1 1 1 以上であることと同値である。
(4) を示す。k ≥ 1 k\ge 1 k ≥ 1 のとき、和がn n n である非負整数の族( m x ) x ∈ X (m_x)_{x\in X} ( m x ) x ∈ X は、X X X のk k k 種類の元から重複を許してn n n 個を選ぶ選び方(元x x x をm x m_x m x 回選ぶ)と一対一に対応するから、§D2.2 命題 4.1 によりその個数は( k + n − 1 n ) \binom{k+n-1}{n} ( n k + n − 1 ) である。k = 0 k=0 k = 0 のときは族が空族に限り、その和は0 0 0 であるから、n = 0 n=0 n = 0 のとき個数は1 1 1 、n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 のとき個数は0 0 0 である。他方( n − 1 n ) \binom{n-1}{n} ( n n − 1 ) は、n = 0 n=0 n = 0 のとき空積により1 1 1 であり、n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 のときは分子の積( n − 1 ) ( n − 2 ) ⋯ 0 (n-1)(n-2)\cdots 0 ( n − 1 ) ( n − 2 ) ⋯ 0 が因子0 0 0 を含むので0 0 0 である。いずれの場合も個数は( n + k − 1 n ) \binom{n+k-1}{n} ( n n + k − 1 ) に等しい。
(5) を示す。各m x m_x m x が1 1 1 以下で和がn n n である族( m x ) x ∈ X (m_x)_{x\in X} ( m x ) x ∈ X は、{ x ∈ X ∣ m x = 1 } \{x\in X\mid m_x=1\} { x ∈ X ∣ m x = 1 } によりX X X のn n n 元部分集合と一対一に対応する。n ≤ k n\le k n ≤ k のとき、§D2.2 命題 3.1 によりその個数は( k n ) \binom{k}{n} ( n k ) である。n > k n>k n > k のときX X X はn n n 元部分集合をもたないので個数は0 0 0 であり、( k n ) \binom{k}{n} ( n k ) の分子の積k ( k − 1 ) ⋯ ( k − n + 1 ) k(k-1)\cdots(k-n+1) k ( k − 1 ) ⋯ ( k − n + 1 ) は因子0 0 0 を含むので( k n ) = 0 \binom{k}{n}=0 ( n k ) = 0 である。
(6) を示す。数える対象は、各m x m_x m x が1 1 1 以上で和がn n n である族( m x ) x ∈ X (m_x)_{x\in X} ( m x ) x ∈ X である。k = 0 k=0 k = 0 のとき族は空族に限り、その和は0 0 0 であるから、個数はn = 0 n=0 n = 0 のとき1 1 1 、n ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 のとき0 0 0 である。k ≥ 1 k\ge 1 k ≥ 1 かつn = 0 n=0 n = 0 のときは、1 1 1 以上のk k k 個の値の和はk ≥ 1 k\ge 1 k ≥ 1 となって0 0 0 にならないので個数は0 0 0 である。k ≥ 1 k\ge 1 k ≥ 1 かつn ≥ 1 n\ge 1 n ≥ 1 のとき、m x ′ = m x − 1 m'_x=m_x-1 m x ′ = m x − 1 とおくと、対象は和がn − k n-k n − k である非負整数の族( m x ′ ) x ∈ X (m'_x)_{x\in X} ( m x ′ ) x ∈ X と一対一に対応する。n < k n<k n < k ならばn − k < 0 n-k<0 n − k < 0 であるからそのような族はなく個数は0 0 0 であり、このとき( n − 1 k − 1 ) \binom{n-1}{k-1} ( k − 1 n − 1 ) の分子の積( n − 1 ) ( n − 2 ) ⋯ ( n − k + 1 ) (n-1)(n-2)\cdots(n-k+1) ( n − 1 ) ( n − 2 ) ⋯ ( n − k + 1 ) はn − k + 1 ≤ 0 ≤ n − 1 n-k+1\le 0\le n-1 n − k + 1 ≤ 0 ≤ n − 1 より因子0 0 0 を含むので( n − 1 k − 1 ) = 0 \binom{n-1}{k-1}=0 ( k − 1 n − 1 ) = 0 である。n ≥ k n\ge k n ≥ k ならば、§D2.2 命題 4.1 によりその個数は( k + ( n − k ) − 1 n − k ) = ( n − 1 n − k ) \binom{k+(n-k)-1}{n-k}=\binom{n-1}{n-k} ( n − k k + ( n − k ) − 1 ) = ( n − k n − 1 ) であり、§D2.2 命題 3.1 の階乗による表示から( n − 1 n − k ) = ( n − 1 k − 1 ) \binom{n-1}{n-k}=\binom{n-1}{k-1} ( n − k n − 1 ) = ( k − 1 n − 1 ) である。
∼ X \sim_X ∼ X による同値類を数えるために、写像f : N → X f\colon N\to X f : N → X に対してΨ ( f ) = { f − 1 ( x ) ∣ x ∈ X , f − 1 ( x ) ≠ ∅ } \Psi(f)=\{f^{-1}(x)\mid x\in X,\ f^{-1}(x)\ne\varnothing\} Ψ ( f ) = { f − 1 ( x ) ∣ x ∈ X , f − 1 ( x ) = ∅ } とおく。Ψ ( f ) \Psi(f) Ψ ( f ) の元は空でなく互いに交わらず、その合併はN N N であるから、Ψ ( f ) \Psi(f) Ψ ( f ) はN N N の分割であり、そのブロックの個数は∣ X ∣ = k |X|=k ∣ X ∣ = k 以下である。g = τ ∘ f g=\tau\circ f g = τ ∘ f ならばg − 1 ( x ) = f − 1 ( τ − 1 ( x ) ) g^{-1}(x)=f^{-1}(\tau^{-1}(x)) g − 1 ( x ) = f − 1 ( τ − 1 ( x )) でありτ \tau τ は全単射であるからΨ ( g ) = Ψ ( f ) \Psi(g)=\Psi(f) Ψ ( g ) = Ψ ( f ) である。逆にΨ ( f ) = Ψ ( g ) \Psi(f)=\Psi(g) Ψ ( f ) = Ψ ( g ) とする。a , b ∈ N a,b\in N a , b ∈ N に対し、f ( a ) = f ( b ) f(a)=f(b) f ( a ) = f ( b ) であることとa , b a,b a , b がΨ ( f ) \Psi(f) Ψ ( f ) の同じブロックに属することは同値であり、g g g についても同様であるから、τ 0 ( f ( a ) ) = g ( a ) \tau_0(f(a))=g(a) τ 0 ( f ( a )) = g ( a ) という対応はf ( N ) f(N) f ( N ) 上の写像として矛盾なく定まり、f ( N ) f(N) f ( N ) からg ( N ) g(N) g ( N ) への全単射である。∣ X ∖ f ( N ) ∣ = k − ∣ Ψ ( f ) ∣ = ∣ X ∖ g ( N ) ∣ |X\setminus f(N)|=k-|\Psi(f)|=|X\setminus g(N)| ∣ X ∖ f ( N ) ∣ = k − ∣Ψ ( f ) ∣ = ∣ X ∖ g ( N ) ∣ であるから、X ∖ f ( N ) X\setminus f(N) X ∖ f ( N ) からX ∖ g ( N ) X\setminus g(N) X ∖ g ( N ) への全単射をとってτ 0 \tau_0 τ 0 と合わせれば全単射τ : X → X \tau\colon X\to X τ : X → X が得られ、g = τ ∘ f g=\tau\circ f g = τ ∘ f である。さらに、ブロックの個数がk k k 以下のN N N の分割P \mathcal{P} P が与えられたとき、単射h : P → X h\colon\mathcal{P}\to X h : P → X をとりa a a の属するブロックをB a B_a B a としてf ( a ) = h ( B a ) f(a)=h(B_a) f ( a ) = h ( B a ) と定めればΨ ( f ) = P \Psi(f)=\mathcal{P} Ψ ( f ) = P である。ゆえにf ↦ Ψ ( f ) f\mapsto\Psi(f) f ↦ Ψ ( f ) は、∼ X \sim_X ∼ X による同値類全体から、ブロックの個数がk k k 以下であるN N N の分割全体への全単射を与える。またf f f が単射であることはΨ ( f ) \Psi(f) Ψ ( f ) のすべてのブロックが一元集合であることと同値であり、f f f が全射であることはΨ ( f ) \Psi(f) Ψ ( f ) のブロックの個数がk k k であることと同値である。
(7) を示す。ブロックの個数がk k k 以下である[ n ] [n] [ n ] の分割をブロックの個数j j j で類別すると、§D2.2 定理 2.1 とその個数の定義により、総数は∑ j = 0 k S ( n , j ) \sum_{j=0}^{k}S(n,j) ∑ j = 0 k S ( n , j ) である。
(8) を示す。すべてのブロックが一元集合である[ n ] [n] [ n ] の分割は、一元集合の全体{ { a } ∣ a ∈ [ n ] } \{\{a\}\mid a\in[n]\} {{ a } ∣ a ∈ [ n ]} に限り、そのブロックの個数はn n n である。これがブロックの個数k k k 以下という条件を満たすこととn ≤ k n\le k n ≤ k は同値であるから、求める個数は[ n ≤ k ] [\,n\le k\,] [ n ≤ k ] である。
(9) を示す。ブロックの個数がちょうどk k k である[ n ] [n] [ n ] の分割の個数は、定義によりS ( n , k ) S(n,k) S ( n , k ) である。
∼ N , X \sim_{N,X} ∼ N , X による同値類を数えるために、写像f : N → X f\colon N\to X f : N → X に対してΨ ( f ) \Psi(f) Ψ ( f ) のブロックの大きさを大きい順に並べた列をλ ( f ) \lambda(f) λ ( f ) とおく。Ψ ( f ) \Psi(f) Ψ ( f ) のブロックは互いに素で合併がN N N であるから、§D2.2 定理 2.1 により大きさの総和はn n n であり、λ ( f ) \lambda(f) λ ( f ) は部分の個数がk k k 以下であるn n n の整数の分割である。g = τ ∘ f ∘ σ g=\tau\circ f\circ\sigma g = τ ∘ f ∘ σ とすると、Ψ ( g ) = { σ − 1 ( B ) ∣ B ∈ Ψ ( f ) } \Psi(g)=\{\sigma^{-1}(B)\mid B\in\Psi(f)\} Ψ ( g ) = { σ − 1 ( B ) ∣ B ∈ Ψ ( f )} であってσ \sigma σ は全単射であるから、Ψ ( g ) \Psi(g) Ψ ( g ) とΨ ( f ) \Psi(f) Ψ ( f ) のブロックの大きさは重複を込めて一致し、λ ( g ) = λ ( f ) \lambda(g)=\lambda(f) λ ( g ) = λ ( f ) である。逆にλ ( f ) = λ ( g ) = ( λ 1 , … , λ r ) \lambda(f)=\lambda(g)=(\lambda_1,\dots,\lambda_r) λ ( f ) = λ ( g ) = ( λ 1 , … , λ r ) とする。Ψ ( f ) \Psi(f) Ψ ( f ) のブロックを大きさの大きい順にF 1 , … , F r F_1,\dots,F_r F 1 , … , F r 、Ψ ( g ) \Psi(g) Ψ ( g ) のブロックを同様にG 1 , … , G r G_1,\dots,G_r G 1 , … , G r と並べると∣ F i ∣ = ∣ G i ∣ = λ i |F_i|=|G_i|=\lambda_i ∣ F i ∣ = ∣ G i ∣ = λ i である。各i i i について全単射G i → F i G_i\to F_i G i → F i をとり、Ψ ( g ) \Psi(g) Ψ ( g ) がN N N の分割であることからこれらを合わせて全単射σ : N → N \sigma\colon N\to N σ : N → N を得る。F i = f − 1 ( x i ) F_i=f^{-1}(x_i) F i = f − 1 ( x i ) 、G i = g − 1 ( y i ) G_i=g^{-1}(y_i) G i = g − 1 ( y i ) を満たすX X X の相異なる元x 1 , … , x r x_1,\dots,x_r x 1 , … , x r と相異なる元y 1 , … , y r y_1,\dots,y_r y 1 , … , y r をとると、f ∘ σ f\circ\sigma f ∘ σ はG i G_i G i の各元をx i x_i x i へ写す。x i ↦ y i x_i\mapsto y_i x i ↦ y i をX X X の全単射τ \tau τ へ延長すれば、τ ∘ f ∘ σ \tau\circ f\circ\sigma τ ∘ f ∘ σ はG i G_i G i の各元をy i y_i y i へ写すのでg = τ ∘ f ∘ σ g=\tau\circ f\circ\sigma g = τ ∘ f ∘ σ である。さらに、部分の個数がk k k 以下であるn n n の整数の分割( λ 1 , … , λ r ) (\lambda_1,\dots,\lambda_r) ( λ 1 , … , λ r ) が与えられたとき、N N N を大きさλ 1 , … , λ r \lambda_1,\dots,\lambda_r λ 1 , … , λ r の互いに素な部分集合に分け、X X X の相異なる元x 1 , … , x r x_1,\dots,x_r x 1 , … , x r をとってi i i 番目の部分集合の元をx i x_i x i へ写す写像f f f を定めればλ ( f ) = ( λ 1 , … , λ r ) \lambda(f)=(\lambda_1,\dots,\lambda_r) λ ( f ) = ( λ 1 , … , λ r ) である。ゆえにf ↦ λ ( f ) f\mapsto\lambda(f) f ↦ λ ( f ) は、∼ N , X \sim_{N,X} ∼ N , X による同値類全体から、部分の個数がk k k 以下であるn n n の整数の分割全体への全単射を与える。またf f f が単射であることはλ ( f ) \lambda(f) λ ( f ) のすべての部分が1 1 1 であることと同値であり、f f f が全射であることはλ ( f ) \lambda(f) λ ( f ) の部分の個数がk k k であることと同値である。
(10) を示す。部分の個数がk k k 以下であるn n n の整数の分割の個数は、定義によりp ≤ k ( n ) p_{\le k}(n) p ≤ k ( n ) である。
(11) を示す。すべての部分が1 1 1 であるn n n の整数の分割は、1 1 1 をn n n 個並べた列に限り、その部分の個数はn n n である。これが部分の個数k k k 以下という条件を満たすこととn ≤ k n\le k n ≤ k は同値であるから、求める個数は[ n ≤ k ] [\,n\le k\,] [ n ≤ k ] である。
(12) を示す。部分の個数がちょうどk k k であるn n n の整数の分割の個数は、定義によりp k ( n ) p_k(n) p k ( n ) である。▨
12 個の個数を表にまとめます。各欄は命題 2.3 の対応する項が与える値であり、n > k n>k n > k やk = 0 k=0 k = 0 のように式が退化する場合の値は同項が個別に与えます。
写像の型
N N N 区別・X X X 区別
N N N 非区別・X X X 区別
N N N 区別・X X X 非区別
N N N 非区別・X X X 非区別
任意
k n k^{n} k n
( n + k − 1 n ) \dbinom{n+k-1}{n} ( n n + k − 1 )
∑ j = 0 k S ( n , j ) \displaystyle\sum_{j=0}^{k}S(n,j) j = 0 ∑ k S ( n , j )
p ≤ k ( n ) p_{\le k}(n) p ≤ k ( n )
単射
k ! ( k − n ) ! \dfrac{k!}{(k-n)!} ( k − n )! k !
( k n ) \dbinom{k}{n} ( n k )
[ n ≤ k ] [\,n\le k\,] [ n ≤ k ]
[ n ≤ k ] [\,n\le k\,] [ n ≤ k ]
全射
k ! S ( n , k ) k!\,S(n,k) k ! S ( n , k )
( n − 1 k − 1 ) \dbinom{n-1}{k-1} ( k − 1 n − 1 )
S ( n , k ) S(n,k) S ( n , k )
p k ( n ) p_k(n) p k ( n )
例 2.4 (十二相の小さい場合). 命題 2.3 に( n , k ) = ( 4 , 2 ) (n,k)=(4,2) ( n , k ) = ( 4 , 2 ) を適用する。例 1.8 によりS ( 4 , 1 ) = 1 S(4,1)=1 S ( 4 , 1 ) = 1 、S ( 4 , 2 ) = 7 S(4,2)=7 S ( 4 , 2 ) = 7 である。また、部分の個数が2 2 2 以下である4 4 4 の整数の分割は
( 4 ) , ( 3 , 1 ) , ( 2 , 2 ) (4),\qquad(3,1),\qquad(2,2) ( 4 ) , ( 3 , 1 ) , ( 2 , 2 ) であるからp ≤ 2 ( 4 ) = 3 p_{\le2}(4)=3 p ≤ 2 ( 4 ) = 3 であり、そのうち部分の個数がちょうど2 2 2 であるものは後二つなのでp 2 ( 4 ) = 2 p_2(4)=2 p 2 ( 4 ) = 2 である。したがって十二相の各欄は次の値をもつ。
写像の型
N N N 区別・X X X 区別
N N N 非区別・X X X 区別
N N N 区別・X X X 非区別
N N N 非区別・X X X 非区別
任意
16 16 16
5 5 5
8 8 8
3 3 3
単射
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
全射
14 14 14
3 3 3
7 7 7
2 2 2
命題 2.3 に( n , k ) = ( 2 , 3 ) (n,k)=(2,3) ( n , k ) = ( 2 , 3 ) を適用する。[ 2 ] [2] [ 2 ] の一ブロックの分割は{ { 1 , 2 } } \{\{1,2\}\} {{ 1 , 2 }} 、二ブロックの分割は{ { 1 } , { 2 } } \{\{1\},\{2\}\} {{ 1 } , { 2 }} に限るから、S ( 2 , 1 ) = S ( 2 , 2 ) = 1 S(2,1)=S(2,2)=1 S ( 2 , 1 ) = S ( 2 , 2 ) = 1 である。部分の個数が3 3 3 以下である2 2 2 の整数の分割は( 2 ) (2) ( 2 ) と( 1 , 1 ) (1,1) ( 1 , 1 ) であるから、p ≤ 3 ( 2 ) = 2 p_{\le3}(2)=2 p ≤ 3 ( 2 ) = 2 かつp 3 ( 2 ) = 0 p_3(2)=0 p 3 ( 2 ) = 0 である。したがって十二相の各欄は次の値をもつ。
写像の型
N N N 区別・X X X 区別
N N N 非区別・X X X 区別
N N N 区別・X X X 非区別
N N N 非区別・X X X 非区別
任意
9 9 9
6 6 6
2 2 2
2 2 2
単射
6 6 6
3 3 3
1 1 1
1 1 1
全射
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
3 つまずいたら
Stirling 数の漸化式の係数k k k :n n n を加える先の既存のブロックの選び方がk k k 通りあるため、命題 1.2 ではS ( n − 1 , k ) S(n-1,k) S ( n − 1 , k ) に係数k k k が付きます。
十二相の欄の決まり方 :欄は、N N N とX X X のそれぞれを区別するかどうかと、任意・単射・全射のどれを課すかの二つで決まります。
集合の分割と整数の分割 :前者はN N N の元を区別してブロックへ分け、後者はブロックの大きさだけを大きい順に並べます。十二相では、前者がX X X 非区別の列に、後者がN N N もX X X も非区別の列に現れます。