§D2.6分割と写像の数え上げ

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写像の逆像は、もとの集合を分割へと導きます。単射性や全射性の違いは、この分割がどのような形になるかという違いに対応します。しかし、区別するかどうかや課す条件を変えるたびに個数を一から数え直したのでは、これらの数え上げに共通する構造は見えてきません。集合をちょうど何個かのブロックへ分ける分け方の個数が第二種 Stirling 数、その総数が Bell 数であり、例えば 4 元集合を 2 個のブロックに分ける仕方は 7 通りです。球や箱をそれぞれ区別するかどうかと、写像に課す条件を組み合わせて生じる十二通りの数え上げは、十二相と呼ばれる代表的な枠組みへ一つの表としてまとめられます。関係や順序を扱った前の記事に続き、本記事では基本的な性質と代表的な例について解説します。

1 分割の数え上げ:Stirling 数と Bell 数

定義 1.1. 非負整数nnに対し[n]={1,2,…,n}[n]=\{1,2,\dots,n\}と書く([0]=∅[0]=\varnothing)。非負整数n,kn,kに対し、[n][n]の分割のうちちょうどkk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)と書く。

AAをnn元集合とし、全単射u ⁣:A→[n]u\colon A\to[n]をとると、P↦{u(B)∣B∈P}\mathcal{P}\mapsto\{u(B)\mid B\in\mathcal{P}\}はAAの分割全体から[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nn元集合の分割のうちちょうどkk個のブロックからなるものの個数は、どのnn元集合をとっても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)=1S(0,0)=1である。n≥1n\ge 1のとき空族の合併は[n][n]にならないからS(n,0)=0S(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]がkk個のブロックからなる分割をもてばk≤nk\le nであり、k>nk>nのときS(n,k)=0S(n,k)=0である。

命題 1.2.n≥1n\ge 1かつ1≤k≤n1\le k\le nを満たす整数n,kn,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)が成り立つ。

証明.S\mathcal{S}を[n][n]のちょうどkk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]であるから、P∈S\mathcal{P}\in\mathcal{S}に対してnnを含むP\mathcal{P}のブロックはただ一つ定まる。そこでS1\mathcal{S}_1を{n}\{n\}をブロックにもつP∈S\mathcal{P}\in\mathcal{S}の全体、S2\mathcal{S}_2をnnを含むブロックが二元以上であるP∈S\mathcal{P}\in\mathcal{S}の全体とすると、S=S1∪S2\mathcal{S}=\mathcal{S}_1\cup\mathcal{S}_2かつS1∩S2=∅\mathcal{S}_1\cap\mathcal{S}_2=\varnothingである。

P∈S1\mathcal{P}\in\mathcal{S}_1にP∖{{n}}\mathcal{P}\setminus\{\{n\}\}を対応させる写像は、S1\mathcal{S}_1から[n−1][n-1]のちょうどk−1k-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\}\}で与えられる。ゆえに∣S1∣=S(n−1,k−1)|\mathcal{S}_1|=S(n-1,k-1)である。

[n−1][n-1]のちょうどkk個のブロックからなる分割Q\mathcal{Q}と、Q\mathcal{Q}のブロックBBの組(Q,B)(\mathcal{Q},B)に、Q\mathcal{Q}のBBをB∪{n}B\cup\{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S2\mathcal{S}_2への全単射である。逆写像は、P∈S2\mathcal{P}\in\mathcal{S}_2のnnを含むブロックCCをC∖{n}C\setminus\{n\}で置き換えたものをQ\mathcal{Q}、C∖{n}C\setminus\{n\}をBBとすることで与えられる。Q\mathcal{Q}の選び方はS(n−1,k)S(n-1,k)通り、Q\mathcal{Q}ごとにBBの選び方はkk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)であり、∣S2∣=k S(n−1,k)|\mathcal{S}_2|=k\,S(n-1,k)である。

S1\mathcal{S}_1とS2\mathcal{S}_2は互いに素であるから、§D2.2 定理 2.1によりS(n,k)=∣S1∣+∣S2∣=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)である。▨

命題 1.3.nnを非負整数、kkを正整数とし、00=10^0=1と読む。このとき

S(n,k)=1k!∑j=0k(−1)j(kj)(k−j)nS(n,k)=\frac{1}{k!}\sum_{j=0}^{k}(-1)^j\binom{k}{j}(k-j)^n

が成り立つ。

証明.EEを[n][n]から[k][k]への全射全体、T\mathcal{T}を[n][n]のちょうどkk個のブロックからなる分割全体とする。f∈Ef\in Eに対して

π(f)={f−1(i):i∈[k]}\pi(f)=\{f^{-1}(i):i\in[k]\}

とおく。ffは全射であるから、π(f)\pi(f)はT\mathcal{T}の元である。任意のP∈T\mathcal{P}\in\mathcal{T}と全単射h:P→[k]h:\mathcal{P}\to[k]に対し、a∈[n]a\in[n]を含むP\mathcal{P}のブロックをBaB_aとしてfh(a)=h(Ba)f_h(a)=h(B_a)と定めると、fh∈Ef_h\in Eかつπ(fh)=P\pi(f_h)=\mathcal{P}である。逆に、π(f)=P\pi(f)=\mathcal{P}を満たすf∈Ef\in Eは、B∈PB\in\mathcal{P}上で一定であるffの値をh(B)h(B)とする全単射h:P→[k]h:\mathcal{P}\to[k]を定める。したがってπ:E→T\pi:E\to\mathcal{T}は全射であり、各P∈T\mathcal{P}\in\mathcal{T}の逆像はP\mathcal{P}から[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!個の元をもつ。

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)である。一方、§D2.3 命題 2.1により

∣E∣=∑j=0k(−1)j(kj)(k−j)n|E|=\sum_{j=0}^{k}(-1)^j\binom{k}{j}(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nnに対し、[n][n]の分割の総数を Bell 数 (Bell number) といい、BnB_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00以上nn以下であるから、§D2.2 定理 2.1によりBn=∑k=0nS(n,k)B_n=\sum_{k=0}^{n}S(n,k)であり、とくにB0=S(0,0)=1B_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、nn元集合の分割の総数は、どのnn元集合をとってもBnB_nに等しい。

系 1.5. 非負整数nnに対し、[n][n]上の同値関係の個数はBnB_nである。

証明.§D2.5 系 2.6により[n][n]上の同値関係全体と[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BnB_nである。▨

命題 1.6. 非負整数nnに対しBn+1=∑k=0n(nk)BkB_{n+1}=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}B_kが成り立つ。

証明.B\mathcal{B}を[n+1][n+1]の分割全体の集合とする。P∈B\mathcal{P}\in\mathcal{B}に対してn+1n+1を含むP\mathcal{P}のブロックをC(P)C(\mathcal{P})と書き、e(P)=[n+1]∖C(P)e(\mathcal{P})=[n+1]\setminus C(\mathcal{P})とおく。n+1∈C(P)n+1\in C(\mathcal{P})であるからe(P)⊆[n]e(\mathcal{P})\subseteq[n]であり、∣e(P)∣|e(\mathcal{P})|は00以上nn以下の整数である。0≤k≤n0\le k\le nに対しBk={P∈B∣∣e(P)∣=k}\mathcal{B}_k=\{\mathcal{P}\in\mathcal{B}\mid |e(\mathcal{P})|=k\}とおくと、B\mathcal{B}はB0,…,Bn\mathcal{B}_0,\dots,\mathcal{B}_nの互いに素な合併である。

kkを固定する。P∈Bk\mathcal{P}\in\mathcal{B}_kに対し、A=e(P)A=e(\mathcal{P})とQ=P∖{C(P)}\mathcal{Q}=\mathcal{P}\setminus\{C(\mathcal{P})\}を対応させる。Q\mathcal{Q}のブロックはC(P)C(\mathcal{P})と交わらず、その合併はAAであるから、Q\mathcal{Q}はAAの分割である。逆に、[n][n]のkk元部分集合AAとAAの分割Q\mathcal{Q}に対しQ∪{[n+1]∖A}\mathcal{Q}\cup\{[n+1]\setminus A\}とおくと、[n+1]∖A[n+1]\setminus Aはn+1n+1を含むので空でなく、これはBk\mathcal{B}_kの元であって、二つの対応は互いに逆である。ゆえにBk\mathcal{B}_kは、[n][n]のkk元部分集合AAとAAの分割Q\mathcal{Q}の組(A,Q)(A,\mathcal{Q})全体と一対一に対応する。

AAの選び方は§D2.2 命題 3.1により(nk)\binom{n}{k}通りであり、AAごとにQ\mathcal{Q}の選び方は、AAがkk元集合であることと定義 1.4によりBkB_k通りである。§D2.2 定理 2.3により∣Bk∣=(nk)Bk|\mathcal{B}_k|=\binom{n}{k}B_kである。B0,…,Bn\mathcal{B}_0,\dots,\mathcal{B}_nは互いに素であるから、§D2.2 定理 2.1によりBn+1=∣B∣=∑k=0n(nk)BkB_{n+1}=|\mathcal{B}|=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}B_kである。▨

注意 1.7. 指数型母関数は∑n≥0Bnxnn!=e ex−1\sum_{n\ge 0}B_n\frac{x^n}{n!}=e^{\,e^x-1}であり、ラベル付き構造(区別のつく要素の分割)の数え上げに現れる典型例である。

例 1.8 (S(4,2)S(4,2)・B4B_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)である。ここでS(3,2)=2 S(2,2)+S(2,1)=2⋅1+1=3S(3,2)=2\,S(2,2)+S(2,1)=2\cdot 1+1=3、S(3,1)=1⋅S(2,1)+S(2,0)=1+0=1S(3,1)=1\cdot 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.直接列挙しても、[4]={1,2,3,4}[4]=\{1,2,3,4\}を22ブロックに分ける仕方は、11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\}\mid\{3,4\}、{1,3}∣{2,4}\{1,3\}\mid\{2,4\}、{1,4}∣{2,3}\{1,4\}\mid\{2,3\}、{1,2,3}∣{4}\{1,2,3\}\mid\{4\}、{1,2,4}∣{3}\{1,2,4\}\mid\{3\}、{1,3,4}∣{2}\{1,3,4\}\mid\{2\}の77通りで一致する。

次に、S(4,1)=1⋅S(3,1)+S(3,0)=1S(4,1)=1\cdot S(3,1)+S(3,0)=1、S(4,3)=3 S(3,3)+S(3,2)=3+3=6S(4,3)=3\,S(3,3)+S(3,2)=3+3=6、S(4,4)=4 S(3,4)+S(3,3)=0+1=1S(4,4)=4\,S(3,4)+S(3,3)=0+1=1であるから、定義 1.4によりB4=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B0=1B_0=1、B1=S(1,1)=1B_1=S(1,1)=1、B2=S(2,1)+S(2,2)=2B_2=S(2,1)+S(2,2)=2、B3=S(3,1)+S(3,2)+S(3,3)=1+3+1=5B_3=S(3,1)+S(3,2)+S(3,3)=1+3+1=5であるからB4=(30)B0+(31)B1+(32)B2+(33)B3=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,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]から[2][2]への全射の個数は2! S(4,2)=2⋅7=142!\,S(4,2)=2\cdot 7=14である。一方§D2.3 命題 2.1によれば同じ個数は∑j=02(−1)j(2j)(2−j)4\sum_{j=0}^{2}(-1)^j\binom{2}{j}(2-j)^4とも書け、(20)24−(21)14+(22)04=16−2+0=14\binom{2}{0}2^4-\binom{2}{1}1^4+\binom{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]から[2][2]への写像は全部で24=162^4=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22個の定値写像に限るから、16−2=1416-2=14が三度目の一致を与える。

2 写像の数え上げ:十二相

NNからXXへの写像を数えるとき、NNの元どうし、XX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、NNの全単射またはXX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2×22\times 2通りと、写像へ課す条件(任意・単射・全射)の33通りとの組合せで1212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。NNの元を球、XX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\}、X={0,1}X=\{0,1\}とし、写像f,g ⁣:N→Xf,g\colon N\to 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)

で定めます。aaとbbを入れ替えてccを固定する全単射をσ ⁣:N→N\sigma\colon N\to Nとするとg=f∘σg=f\circ\sigmaです。したがってffとggは写像としては異なりますが、定義域NNの元を区別しない∼N\sim_Nによる数え上げでは同じ同値類に属します。

定義 2.2.nnを非負整数とする。λ1≥λ2≥⋯≥λm≥1\lambda_1\ge\lambda_2\ge\cdots\ge\lambda_m\ge 1とλ1+λ2+⋯+λm=n\lambda_1+\lambda_2+\cdots+\lambda_m=nを満たす整数の有限列λ=(λ1,…,λm)\lambda=(\lambda_1,\dots,\lambda_m)をnnの 整数の分割 (partition of an integer) といい、各λi\lambda_iをその 部分 (part)、mmを部分の個数という。m=0m=0の空列は00の整数の分割であり、n≥1n\ge 1のときはnnの整数の分割ではない。

非負整数kkに対し、部分の個数がちょうどkkであるnnの整数の分割の個数をpk(n)p_k(n)と書き、部分の個数がkk以下であるnnの整数の分割の個数をp≤k(n)p_{\le k}(n)と書く。

命題 2.3 (十二相).n,kn,kを非負整数、NNをnn元集合、XXをkk元集合とする。条件PPに対して[ P ][\,P\,]はPPが真のとき11、偽のとき00を表すものとし、00=10^0=1と読む。また整数mmと非負整数jjに対して(mj)=m(m−1)⋯(m−j+1)j!\binom{m}{j}=\dfrac{m(m-1)\cdots(m-j+1)}{j!}(j=0j=0のときは空積により(m0)=1\binom{m}{0}=1)と読む。

NNからXXへの写像f,gf,gに対し、g=f∘σg=f\circ\sigmaを満たす全単射σ ⁣:N→N\sigma\colon N\to Nが存在するときf∼Ngf\sim_N gと書き、g=τ∘fg=\tau\circ fを満たす全単射τ ⁣:X→X\tau\colon X\to Xが存在するときf∼Xgf\sim_X gと書き、g=τ∘f∘σg=\tau\circ f\circ\sigmaを満たす全単射σ ⁣:N→N\sigma\colon N\to Nとτ ⁣:X→X\tau\colon X\to Xが存在するときf∼N,Xgf\sim_{N,X} gと書く。∼N\sim_N、∼X\sim_X、∼N,X\sim_{N,X}はNNからXX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。

  1. 写像N→XN\to Xの個数はknk^{n}である。
  2. 単射N→XN\to Xの個数は、n≤kn\le kのときk!(k−n)!\dfrac{k!}{(k-n)!}、n>kn>kのとき00である。
  3. 全射N→XN\to Xの個数はk! S(n,k)k!\,S(n,k)である。
  4. 写像N→XN\to Xの∼N\sim_Nによる同値類の個数は(n+k−1n)\dbinom{n+k-1}{n}である。
  5. 単射N→XN\to Xの∼N\sim_Nによる同値類の個数は(kn)\dbinom{k}{n}である。
  6. 全射N→XN\to Xの∼N\sim_Nによる同値類の個数は、n≥1n\ge 1かつk≥1k\ge 1のとき(n−1k−1)\dbinom{n-1}{k-1}、n=k=0n=k=0のとき11、それ以外のとき00である。
  7. 写像N→XN\to Xの∼X\sim_Xによる同値類の個数は∑j=0kS(n,j)\sum_{j=0}^{k}S(n,j)である。
  8. 単射N→XN\to Xの∼X\sim_Xによる同値類の個数は[ n≤k ][\,n\le k\,]である。
  9. 全射N→XN\to Xの∼X\sim_Xによる同値類の個数はS(n,k)S(n,k)である。
  10. 写像N→XN\to Xの∼N,X\sim_{N,X}による同値類の個数はp≤k(n)p_{\le k}(n)である。
  11. 単射N→XN\to Xの∼N,X\sim_{N,X}による同値類の個数は[ n≤k ][\,n\le k\,]である。
  12. 全射N→XN\to Xの∼N,X\sim_{N,X}による同値類の個数はpk(n)p_{k}(n)である。

証明. 全単射u ⁣:N→[n]u\colon N\to[n]とv ⁣:X→[k]v\colon X\to[k]をとる。Θ(f)=v∘f∘u−1\Theta(f)=v\circ f\circ u^{-1}はNNからXXへの写像全体から[n][n]から[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は単射を単射へ、全射を全射へ写す。またg=τ∘f∘σg=\tau\circ f\circ\sigmaとΘ(g)=(vτv−1)∘Θ(f)∘(uσu−1)\Theta(g)=(v\tau v^{-1})\circ\Theta(f)\circ(u\sigma u^{-1})は同値であり、σ↦uσu−1\sigma\mapsto u\sigma u^{-1}はNNの全単射全体から[n][n]の全単射全体への全単射、τ↦vτv−1\tau\mapsto v\tau v^{-1}はXXの全単射全体から[k][k]の全単射全体への全単射であるから、Θ\Theta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nnとkkだけで定まる。以下N=[n]N=[n]、X=[k]X=[k]とする。

∼N,X\sim_{N,X}について、σ\sigmaとτ\tauを恒等写像にとれば反射律が、σ\sigmaとτ\tau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はτ\tauを恒等写像に限った場合、∼X\sim_Xはσ\sigma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=0n=0のときN→XN\to Xの写像は空写像ただ一つであり、k0=1k^{0}=1である。n≥1n\ge 1かつk=0k=0のとき、1∈N1\in Nの行き先がX=∅X=\varnothingに存在しないので写像はなく、0n=00^{n}=0である。n≥1n\ge 1かつk≥1k\ge 1のとき、1,2,…,n1,2,\dots,nの行き先を順に選ぶnn段階の手続きは各段階でXXのkk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))と写像ffは一対一に対応する。§D2.2 定理 2.3により写像の個数はknk^{n}である。

(2)を示す。ffが単射ならばffはNNからf(N)f(N)への全単射を与えるので∣f(N)∣=n|f(N)|=nであり、f(N)⊆Xf(N)\subseteq Xからn≤kn\le kが従う。ゆえにn>kn>kのとき単射は存在せず、その個数は00である。n≤kn\le kのとき、単射ffに列(f(1),…,f(n))(f(1),\dots,f(n))を対応させると、これはXXのkk個の元からnn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)!}である。

(3)を示す。EEを全射N→XN\to X全体、T\mathcal{T}を[n][n]のちょうどkk個のブロックからなる分割全体とする。f∈Ef\in Eに対しΦ(f)={f−1(x)∣x∈X}\Phi(f)=\{f^{-1}(x)\mid x\in X\}とおくと、ffが全射であることから各f−1(x)f^{-1}(x)は空でなく、相異なるxxの逆像は交わらず、その合併はNNであり、また相異なるxxの逆像は互いに異なるから、Φ(f)\Phi(f)はちょうどkk個のブロックからなる[n][n]の分割である。P∈T\mathcal{P}\in\mathcal{T}を固定すると、Φ(f)=P\Phi(f)=\mathcal{P}を満たすf∈Ef\in Eは、a∈Na\in Nの属するブロックをBaB_aとしてf(a)=h(Ba)f(a)=h(B_a)と書くことにより、P\mathcal{P}からXXへの全単射hhと一対一に対応する。P\mathcal{P}の元を並べてB1,…,BkB_1,\dots,B_kとすると、そのようなhhはXXのkk個の元すべてを重複なく並べた列(h(B1),…,h(Bk))(h(B_1),\dots,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!である。とくにΦ ⁣:E→T\Phi\colon E\to\mathcal{T}は全射であり、各P∈T\mathcal{P}\in\mathcal{T}の逆像はちょうどk!k!個の元をもつ。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)である。

∼N\sim_Nによる同値類を数えるために、写像f ⁣:N→Xf\colon N\to Xに対して各x∈Xx\in Xにmf(x)=∣f−1(x)∣m_f(x)=|f^{-1}(x)|を対応させる族mfm_fを考える。NNは逆像f−1(x)f^{-1}(x)(x∈Xx\in X)の互いに素な合併であるから、§D2.2 定理 2.1により∑x∈Xmf(x)=n\sum_{x\in X}m_f(x)=nである。g=f∘σg=f\circ\sigmaならばg−1(x)=σ−1(f−1(x))g^{-1}(x)=\sigma^{-1}(f^{-1}(x))でありσ\sigmaは全単射であるからmg=mfm_g=m_fである。逆にmf=mgm_f=m_gとすると、各x∈Xx\in Xについて全単射σx ⁣:g−1(x)→f−1(x)\sigma_x\colon g^{-1}(x)\to f^{-1}(x)がとれ、NNがg−1(x)g^{-1}(x)(x∈Xx\in 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は全単射であり、a∈g−1(x)a\in g^{-1}(x)に対しf(σ(a))=x=g(a)f(\sigma(a))=x=g(a)となるのでg=f∘σg=f\circ\sigmaである。さらに、非負整数の族(mx)x∈X(m_x)_{x\in X}で∑x∈Xmx=n\sum_{x\in X}m_x=nを満たすものが与えられたとき、NNを∣Ax∣=mx|A_x|=m_xを満たす互いに素な部分集合AxA_x(x∈Xx\in X)の合併に分け、a∈Axa\in A_xに対しf(a)=xf(a)=xと定めればmf=(mx)x∈Xm_f=(m_x)_{x\in X}である。ゆえにf↦mff\mapsto m_fは、∼N\sim_Nによる同値類全体から、和がnnである非負整数の族(mx)x∈X(m_x)_{x\in X}全体への全単射を与える。またffが単射であることは各mf(x)m_f(x)が11以下であることと同値であり、ffが全射であることは各mf(x)m_f(x)が11以上であることと同値である。

(4)を示す。k≥1k\ge 1のとき、和がnnである非負整数の族(mx)x∈X(m_x)_{x\in X}は、XXのkk種類の元から重複を許してnn個を選ぶ選び方(元xxをmxm_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−1n)\binom{k+n-1}{n}である。k=0k=0のときは族が空族に限り、その和は00であるから、n=0n=0のとき個数は11、n≥1n\ge 1のとき個数は00である。他方(n−1n)\binom{n-1}{n}は、n=0n=0のとき空積により11であり、n≥1n\ge 1のときは分子の積(n−1)(n−2)⋯0(n-1)(n-2)\cdots 0が因子00を含むので00である。いずれの場合も個数は(n+k−1n)\binom{n+k-1}{n}に等しい。

(5)を示す。各mxm_xが11以下で和がnnである族(mx)x∈X(m_x)_{x\in X}は、{x∈X∣mx=1}\{x\in X\mid m_x=1\}によりXXのnn元部分集合と一対一に対応する。n≤kn\le kのとき、§D2.2 命題 3.1によりその個数は(kn)\binom{k}{n}である。n>kn>kのときXXはnn元部分集合をもたないので個数は00であり、(kn)\binom{k}{n}の分子の積k(k−1)⋯(k−n+1)k(k-1)\cdots(k-n+1)は因子00を含むので(kn)=0\binom{k}{n}=0である。

(6)を示す。数える対象は、各mxm_xが11以上で和がnnである族(mx)x∈X(m_x)_{x\in X}である。k=0k=0のとき族は空族に限り、その和は00であるから、個数はn=0n=0のとき11、n≥1n\ge 1のとき00である。k≥1k\ge 1かつn=0n=0のときは、11以上のkk個の値の和はk≥1k\ge 1となって00にならないので個数は00である。k≥1k\ge 1かつn≥1n\ge 1のとき、mx′=mx−1m'_x=m_x-1とおくと、対象は和がn−kn-kである非負整数の族(mx′)x∈X(m'_x)_{x\in X}と一対一に対応する。n<kn<kならばn−k<0n-k<0であるからそのような族はなく個数は00であり、このとき(n−1k−1)\binom{n-1}{k-1}の分子の積(n−1)(n−2)⋯(n−k+1)(n-1)(n-2)\cdots(n-k+1)はn−k+1≤0≤n−1n-k+1\le 0\le n-1より因子00を含むので(n−1k−1)=0\binom{n-1}{k-1}=0である。n≥kn\ge kならば、§D2.2 命題 4.1によりその個数は(k+(n−k)−1n−k)=(n−1n−k)\binom{k+(n-k)-1}{n-k}=\binom{n-1}{n-k}であり、§D2.2 命題 3.1の階乗による表示から(n−1n−k)=(n−1k−1)\binom{n-1}{n-k}=\binom{n-1}{k-1}である。

∼X\sim_Xによる同値類を数えるために、写像f ⁣:N→Xf\colon N\to 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\}とおく。Ψ(f)\Psi(f)の元は空でなく互いに交わらず、その合併はNNであるから、Ψ(f)\Psi(f)はNNの分割であり、そのブロックの個数は∣X∣=k|X|=k以下である。g=τ∘fg=\tau\circ fならばg−1(x)=f−1(τ−1(x))g^{-1}(x)=f^{-1}(\tau^{-1}(x))でありτ\tauは全単射であるからΨ(g)=Ψ(f)\Psi(g)=\Psi(f)である。逆にΨ(f)=Ψ(g)\Psi(f)=\Psi(g)とする。a,b∈Na,b\in Nに対し、f(a)=f(b)f(a)=f(b)であることとa,ba,bがΨ(f)\Psi(f)の同じブロックに属することは同値であり、ggについても同様であるから、τ0(f(a))=g(a)\tau_0(f(a))=g(a)という対応はf(N)f(N)上の写像として矛盾なく定まり、f(N)f(N)から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)|であるから、X∖f(N)X\setminus f(N)からX∖g(N)X\setminus g(N)への全単射をとってτ0\tau_0と合わせれば全単射τ ⁣:X→X\tau\colon X\to Xが得られ、g=τ∘fg=\tau\circ fである。さらに、ブロックの個数がkk以下のNNの分割P\mathcal{P}が与えられたとき、単射h ⁣:P→Xh\colon\mathcal{P}\to Xをとりaaの属するブロックをBaB_aとしてf(a)=h(Ba)f(a)=h(B_a)と定めればΨ(f)=P\Psi(f)=\mathcal{P}である。ゆえにf↦Ψ(f)f\mapsto\Psi(f)は、∼X\sim_Xによる同値類全体から、ブロックの個数がkk以下であるNNの分割全体への全単射を与える。またffが単射であることはΨ(f)\Psi(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、ffが全射であることはΨ(f)\Psi(f)のブロックの個数がkkであることと同値である。

(7)を示す。ブロックの個数がkk以下である[n][n]の分割をブロックの個数jj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=0kS(n,j)\sum_{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]の分割は、一元集合の全体{{a}∣a∈[n]}\{\{a\}\mid a\in[n]\}に限り、そのブロックの個数はnnである。これがブロックの個数kk以下という条件を満たすこととn≤kn\le kは同値であるから、求める個数は[ n≤k ][\,n\le k\,]である。

(9)を示す。ブロックの個数がちょうどkkである[n][n]の分割の個数は、定義によりS(n,k)S(n,k)である。

∼N,X\sim_{N,X}による同値類を数えるために、写像f ⁣:N→Xf\colon N\to Xに対してΨ(f)\Psi(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)とおく。Ψ(f)\Psi(f)のブロックは互いに素で合併がNNであるから、§D2.2 定理 2.1により大きさの総和はnnであり、λ(f)\lambda(f)は部分の個数がkk以下であるnnの整数の分割である。g=τ∘f∘σg=\tau\circ f\circ\sigmaとすると、Ψ(g)={σ−1(B)∣B∈Ψ(f)}\Psi(g)=\{\sigma^{-1}(B)\mid B\in\Psi(f)\}であってσ\sigmaは全単射であるから、Ψ(g)\Psi(g)とΨ(f)\Psi(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)である。逆にλ(f)=λ(g)=(λ1,…,λr)\lambda(f)=\lambda(g)=(\lambda_1,\dots,\lambda_r)とする。Ψ(f)\Psi(f)のブロックを大きさの大きい順にF1,…,FrF_1,\dots,F_r、Ψ(g)\Psi(g)のブロックを同様にG1,…,GrG_1,\dots,G_rと並べると∣Fi∣=∣Gi∣=λi|F_i|=|G_i|=\lambda_iである。各iiについて全単射Gi→FiG_i\to F_iをとり、Ψ(g)\Psi(g)がNN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を得る。Fi=f−1(xi)F_i=f^{-1}(x_i)、Gi=g−1(yi)G_i=g^{-1}(y_i)を満たすXXの相異なる元x1,…,xrx_1,\dots,x_rと相異なる元y1,…,yry_1,\dots,y_rをとると、f∘σf\circ\sigmaはGiG_iの各元をxix_iへ写す。xi↦yix_i\mapsto y_iをXXの全単射τ\tauへ延長すれば、τ∘f∘σ\tau\circ f\circ\sigmaはGiG_iの各元をyiy_iへ写すのでg=τ∘f∘σg=\tau\circ f\circ\sigmaである。さらに、部分の個数がkk以下であるnnの整数の分割(λ1,…,λr)(\lambda_1,\dots,\lambda_r)が与えられたとき、NNを大きさλ1,…,λr\lambda_1,\dots,\lambda_rの互いに素な部分集合に分け、XXの相異なる元x1,…,xrx_1,\dots,x_rをとってii番目の部分集合の元をxix_iへ写す写像ffを定めればλ(f)=(λ1,…,λr)\lambda(f)=(\lambda_1,\dots,\lambda_r)である。ゆえにf↦λ(f)f\mapsto\lambda(f)は、∼N,X\sim_{N,X}による同値類全体から、部分の個数がkk以下であるnnの整数の分割全体への全単射を与える。またffが単射であることはλ(f)\lambda(f)のすべての部分が11であることと同値であり、ffが全射であることはλ(f)\lambda(f)の部分の個数がkkであることと同値である。

(10)を示す。部分の個数がkk以下であるnnの整数の分割の個数は、定義によりp≤k(n)p_{\le k}(n)である。

(11)を示す。すべての部分が11であるnnの整数の分割は、11をnn個並べた列に限り、その部分の個数はnnである。これが部分の個数kk以下という条件を満たすこととn≤kn\le kは同値であるから、求める個数は[ n≤k ][\,n\le k\,]である。

(12)を示す。部分の個数がちょうどkkであるnnの整数の分割の個数は、定義によりpk(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>kn>kやk=0k=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 NN区別・XX区別 NN非区別・XX区別 NN区別・XX非区別 NN非区別・XX非区別
任意 knk^{n} (n+k−1n)\dbinom{n+k-1}{n} ∑j=0kS(n,j)\displaystyle\sum_{j=0}^{k}S(n,j) p≤k(n)p_{\le k}(n)
単射 k!(k−n)!\dfrac{k!}{(k-n)!} (kn)\dbinom{k}{n} [ n≤k ][\,n\le k\,] [ n≤k ][\,n\le k\,]
全射 k! S(n,k)k!\,S(n,k) (n−1k−1)\dbinom{n-1}{k-1} S(n,k)S(n,k) pk(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)を適用する。例 1.8によりS(4,1)=1S(4,1)=1、S(4,2)=7S(4,2)=7である。また、部分の個数が22以下である44の整数の分割は

(4),(3,1),(2,2)(4),\qquad(3,1),\qquad(2,2)

であるからp≤2(4)=3p_{\le2}(4)=3であり、そのうち部分の個数がちょうど22であるものは後二つなのでp2(4)=2p_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 NN区別・XX区別 NN非区別・XX区別 NN区別・XX非区別 NN非区別・XX非区別
任意 1616 55 88 33
単射 00 00 00 00
全射 1414 33 77 22

命題 2.3に(n,k)=(2,3)(n,k)=(2,3)を適用する。[2][2]の一ブロックの分割は{{1,2}}\{\{1,2\}\}、二ブロックの分割は{{1},{2}}\{\{1\},\{2\}\}に限るから、S(2,1)=S(2,2)=1S(2,1)=S(2,2)=1である。部分の個数が33以下である22の整数の分割は(2)(2)と(1,1)(1,1)であるから、p≤3(2)=2p_{\le3}(2)=2かつp3(2)=0p_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 NN区別・XX区別 NN非区別・XX区別 NN区別・XX非区別 NN非区別・XX非区別
任意 99 66 22 22
単射 66 33 11 11
全射 00 00 00 00

参考文献

  1. Richard P. Stanley, Enumerative Combinatorics, 2nd ed., Cambridge Studies in Advanced Mathematics 49, vol. 1, Cambridge University Press, Cambridge, 2011.

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