Asymptotiquement, combien de permutations de


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Considérons une permutation σ de [1..n] . Une inversion est définie comme une paire (i,j) d'indices tels que i<j et σ(i)>σ(j) .

Définissez Ak comme le nombre de permutations de [1..n] avec au plus k inversions.

Question: Quelle est la limite asymptotique étroite pour Ak ?

Une question connexe a été posée auparavant: nombre de permutations qui ont la même distance Kendall-Tau

Mais la question ci-dessus concernait le calcul de . Il peut être calculé à l'aide de la programmation dynamique, car il satisfait la relation de récurrence indiquée ici: /programming/948341/dynamic-programming-number-of-ways-to-get-at-least-n-bubble -sort-swapsAk

Le nombre de permutations avec exactement inversions a également été étudié et il peut être exprimé comme une fonction génératrice: http://en.wikipedia.org/wiki/Permutation#Inversionsk

Mais je ne trouve pas de formule de forme fermée ou de borne asymptotique.


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Si vous avez un polynôme générateur pour une séquence, vous pouvez dériver le polynôme générateur pour les sommes de préfixe simplement en multipliant le polynôme par . Dans votre cas, vous utiliseriez le polynôme auquel vous avez lié qui calcule les inversions exactement-k. 1/(1−x)
— Suresh Venkat


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@SureshVenkat Merci pour l'astuce. Mais je serai toujours coincé à trouver le coefficient de dans ce polynôme vraiment compliqué en termes de n et k et je ne vois pas comment faire cela. xknk
— Vinayak Pathak

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pour obtenir le coefficient de , prendre la dérivée k -ième du polynôme générateur et l'évaluer à x = 0 . xkkx=0
— Sasho Nikolov

Réponses:


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Selon Wikipedia, le nombre de permutations dans avec exactement k inversions est le coefficient de X k dans 1 ( 1 + X ) ( 1 + X + X 2 ) ⋯ ( 1 + X + ⋯ + X n - 1 ) . Notons c ( n , k ) . Cela montre que c ( n + 1 ,SnkXk

1(1+X)(1+X+X2)⋯(1+X+⋯+Xn−1).
c(n,k) Ainsi, le nombre de permutations dans S n avec au plus k inversions est égal au nombre de permutations dans S n + 1 avec exactement k inversions. Cela a aussi une preuve combinatoire nette (indice: prenez π ∈ S n + 1 et supprimez n + 1 ).
c(n+1,k)=∑l=0kc(n,k−l).
SnkSn+1kπ∈Sn+1n+1

Si nous ne nous intéressons qu'au coefficient de , alors les facteurs X m pour m > k ne font aucune différence. Donc pour n > k , c ( n , k ) est le coefficient de X k dans XkXmm>kn>kc(n,k)Xk

1(1+X)⋯(1+X+⋯+Xk−1)(1+X+⋯+Xk+⋯)n−k=1(1+X)⋯(1+X+⋯+Xk−1)1(1−X)n−k=1(1+X)⋯(1+X+⋯+Xk−1)∑t=0∞(t+n−k−1t)Xt.
c(n,k)=∑t=0k(n+t−k−1t)c(k,k−t),n>k.

k est constant, le terme asymptotiquement le plus important est celui correspondant à t=k, et nous avons

c(n,k)=(n−1k)+Ok(nk−1)=1k!nk+Ok(nk−1).
The same asymptotics work for c(n+1,k), which is what you were after.

For non-constant k, using the fact that (n+t−k−1t)=(n+t−k−1n−k−1) is increasing in t and ∑t=0kc(k,t)≤k!, we get the bounds

(n−1k)≤c(n,k)≤k!(n−1k).
Better bounds are surely possible, but I'll leave that to you.

Using Stirling's Approximation and the binomial bounds we can simplify the last expression to c(n,k)≤k!(n−1k)≤ekk+1/2e−k(e(n−1)/k)k so c(n,k)≤ek(n−1)k. This is not tight of course but it's a more elegant bound than I would expect from those approximations.
— SamM
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