解決済み

この総和ってどうやって計算するのですか?

2005京大後期です。

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幾何学のことばを借りて問題を言い換えます。

f(x,y):=nCxn+1Cyf(x,y) := {}_n\mathrm{C}_x \cdot {}_{n + 1}\mathrm{C}_y

xyxy 平面上の領域 0xn, x+1yn+10 \leqq x \leqq n,\ x + 1 \leqq y \leqq n + 1 内の格子点全体を AA

とおけば,求めるべき和は

S1=(x,y)Af(x,y) S_1 = \sum_{(x,y) \in A} f(x,y)。

この S1S_1 を直接計算することは出来そうにないので,別の未知数を導入して連立方程式を立てることを考えます。


【立式 11

領域 0xn, 0yx0 \leqq x \leqq n,\ 0 \leqq y \leqq x 内の格子点全体を BB として,

S2=(x,y)Bf(x,y) S_2 = \sum_{(x,y) \in B} f(x,y)

とおけば,

S1+S2=0xn0yn+1f(x,y)=22n+1 S_1 + S_2 = \sum_{0 \leqq x \leqq n} \sum_{0 \leqq y \leqq n + 1} f(x,y) = 2^{2n + 1}。


【立式 22

f(x,y)f(x,y) がもつ次の性質に注目。

f(x,y)=f(nx,y),f(x,y)=f(x,n+1y) f(x,y) = f(n - x, y), \quad f(x,y) = f(x, n + 1 - y)

これは ff の値が鏡映変換 (x,y)(nx,y)(x,y) \mapsto (n - x, y) および (x,y)(x,n+1y)(x,y) \mapsto (x, n + 1 - y) の前後で変わらないことを意味する。だから,22 つの鏡映をたて続けにおこなう変換

T(x,y)=(nx,n+1y) T(x,y) = (n - x, n + 1 - y)

の前後でも ff の値は変わらない。つまり,f(x,y)=f(T(x,y))f(x,y) = f(T(x,y))

 図を描いて TT の振る舞いをイメージしてみると察しがつくように,TTAA の点を BB の点へ移す。実際,

T(x,y)B    (nx,n+1y)B    0nxn かつ 0n+1ynx    0xn かつ x+1yn+1    (x,y)A\begin{aligned}& T(x,y) \in B \\&\quad\iff (n - x, n + 1 - y) \in B \\&\quad\iff 0 \leqq n - x \leqq n\ かつ\ 0 \leqq n + 1 - y \leqq n - x \\&\quad\iff 0 \leqq x \leqq n\ かつ\ x + 1 \leqq y \leqq n + 1 \\&\quad\iff (x,y) \in A\end{aligned}

だから,xAx \in A ならば T(x,y)BT(x,y) \in B

 鏡映変換は一対一の変換だから,それを立て続けにおこなう TT もまた一対一の変換である(※平行でない 22 直線に対する鏡映変換の積だから実は回転変換。)つまり,TTA,BA,B の元を一対一に対応づけるので,

S1=(x,y)Af(x,y)=(x,y)Af(T(x,y))=(x,y)Bf(x,y)=S2\begin{aligned} S_1&= \sum_{(x,y) \in A} f(x,y) = \sum_{(x,y) \in A} f(T(x,y)) \\&= \sum_{(x,y) \in B} f(x,y) = S_2。\end{aligned}


以上で得た 22 式から,

2S1=22n+1 S1=4n\begin{aligned}2S_1 &= 2^{2n + 1} \\\therefore\ S_1 &= 4^n。\end{aligned}

を得ます。


返信(3件)

ご丁寧に回答ありがとうございます。

読んでみて手を動かしてみて、うーむ、難しい、と言った感想です。(写像用語にほとんど慣れていない!)

もう少し、高校生が試験時間内に思いつくレベルのものはないですか?

例えばこの問題は、 nCi=2n\sum \ {n}C_{i}=2^nみたいな感じとかです。

補足

鏡映変換、、からgive upでした。すみません。

(1) axbf(x)=0xbaf(x+a)\sum_{a \leqq x \leqq b} f(x) = \sum_{0 \leqq x \leqq b-a} f(x+a) (添字の置換)

(2) axbf(x)=axbf(a+bx)\sum_{a \leqq x \leqq b} f(x) = \sum_{a \leqq x \leqq b} f(a+b-x) (離散版の King Property)

(3) f(x,y)=f(nx,y)f(x,y)=f(n-x,y) (ff の性質)

(4) f(x,y)=f(x,n+1y)f(x,y)=f(x,n+1-y) (ff の性質)

を 1,4,2,3,2 の順に使えば,上の「立式 22」のパートは下のような機械的な計算に置き換えられますが,これでどうでしょうか?

(文字数制限に引っかかったので投稿を分割します)

0xnx+1yn+1f(x,y)=0xn0ynxf(x,y+x+1)=0xn0ynxf(x,nxy)=0xn0ynxf(x,y)=0xn0ynxf(nx,y)=0xn0yxf(x,y)\begin{aligned} &\sum_{0 \leqq x \leqq n} \sum_{x + 1 \leqq y \leqq n+1} f(x,y) \\= &\sum_{0 \leqq x \leqq n} \sum_{0 \leqq y \leqq n-x} f(x,y+x+1) \\= &\sum_{0 \leqq x \leqq n} \sum_{0 \leqq y \leqq n-x} f(x,n-x-y) \\= &\sum_{0 \leqq x \leqq n} \sum_{0 \leqq y \leqq n-x} f(x,y) \\= &\sum_{0 \leqq x \leqq n} \sum_{0 \leqq y \leqq n-x} f(n-x,y) \\= &\sum_{0 \leqq x \leqq n} \sum_{0 \leqq y \leqq x} f(x,y)\end{aligned}

質問者からのお礼コメント

質問者からのお礼コメント

理解できました、ありがとうございます。いかんせん思いつくには難しいですが(笑)。

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