問題
とする.1からの数字を個の空でない部分に分割する方法の数をで表す.たとえば,のとき分割は,,となるのでである.次の問に答えよ.
(1) を求めよ.
(2) を求めよ.
(3) を求めよ.
(4) のときをとを用いて表せ.
方針
空でない部分への分割では,部分の名前を区別しないことに注意する。(1)は1組だけが2個組になり,残りが1個組になる。(2)は,3個組が1つできる場合と,2個組が2つできる場合に分ける。(3)は2つの部分の入れ替えを同一視するため,全割り当てから空の場合を除いて2で割る。最後の漸化式は,新しい数字 が単独の部分を作る場合と,既にある 個の部分のどれかに入る場合を分けて数える。
解答
(1)
個の数字を 個の空でない部分に分けるには,ちょうど1つの部分だけが2個の数字を含み,残りの 個の部分は1個ずつでなければならない。したがって,2個組にする数字を選べば分割は一意に決まる。よって である。
(2)
個の数字を 個の空でない部分に分けるには, 個の単独部分から部分の個数を2だけ減らす必要がある。可能性は次の2通りである。
1つ目は,3個の数字が同じ部分に入る場合である。この場合は3個を選べばよいので 通りである。
2つ目は,2個組が2つできる場合である。この場合は,まず4個の数字を選び,その4個を2組に分ける。4個を2組に分ける方法は 通りであるから, 通りである。
以上より である。
(3)
2つの部分を一時的に区別して,各数字をどちらか一方に入れると考えると,割り当て方は 通りある。このうち片方が空になる割り当てが2通りあるので,両方が空でない割り当ては 通りである。
ただし,本問では2つの部分の名前を区別しない。同じ分割は,2つの部分の入れ替えにより2回数えられている。したがって である。
別解。部分の名前を区別しないことを初めから処理するなら,数字1を含む部分を一方として固定する。残りの 個の数字について,数字1と同じ部分に入れるか,もう一方の部分に入れるかを選ぶと 通りある。このうち全員が数字1と同じ部分に入る場合だけは,もう一方が空になるので除く。よって である。
(4)
を 個の空でない部分に分けることを考える。
まず, が単独で1つの部分を作る場合がある。このとき残りの は 個の空でない部分に分かれるので, 通りである。
次に, が単独でない場合を考える。先に を 個の空でない部分に分け,その後で をその 個の部分のどれか1つに入れればよい。したがって 通りである。
この2つの場合は重ならないから, である。