¿Cuáles son las mejores pruebas de doble conteo en combinatoria?

(Esto es descaradamente robado en su totalidad de otra de mis respuestas).

Una vez me dijeron acerca de una deliciosa prueba de doble conteo (que siempre son deliciosas) por el hecho de que

[matemáticas] \ sum_ {k = 1} ^ nk ^ 2 = \ dfrac {n (n + 1) (2n + 1)} {6} [/ matemáticas]

eso va de la siguiente manera:

Digamos que tengo un grupo de [matemáticas] n + 1 [/ matemáticas] que quieren ver un espectáculo. Tengo tres entradas para el teatro: un pase detrás del escenario y dos entradas regulares (pero distinguibles). Tengo que entregar los boletos de acuerdo con las siguientes dos reglas:

1. El pase de backstage debe ir a la persona de más edad que obtenga un boleto. (Todas las personas en la fila son de diferentes edades).
2. La persona que obtiene el pase detrás del escenario no puede obtener ninguno de los otros dos boletos, pero los dos boletos normales pueden ir a la misma persona.

¿De cuántas maneras puedo regalar los boletos? Hay dos formas de contarlo. El primero es decidir qué boleto regalar, luego decidir qué persona lo recibe: el segundo es decidir a quién dar los boletos y luego decidir qué boleto se lleva.

Para la primera forma, puedo darle el pase de backstage a la persona más joven y luego dar las otras dos entradas en un total de [matemáticas] 0 * 0 [/ matemáticas] cada una. O puedo dárselo al segundo más joven y darle los otros dos boletos en un total de [matemática] 1 * 1 [/ matemática] formas … o puedo dárselo a la persona más vieja y darle los otros dos boletos en total de [matemáticas] n * n [/ matemáticas] formas. Entonces, la primera forma de contar da

[matemáticas] \ displaystyle {\ sum_1 ^ ni ^ 2} [/ matemáticas]

Para la segunda forma, o le doy boletos a tres personas o le doy boletos a dos personas. Si se los doy a tres personas, la persona mayor debe obtener el pase detrás del escenario, pero hay dos formas de distribuir los boletos restantes (recuerde, son distinguibles). Si se los doy a dos personas, entonces no hay grados de libertad: el mayor obtiene el pase detrás del escenario y el más joven obtiene los otros dos. Entonces esta forma de contar da

[matemáticas] 2 {{n + 1} \ elegir 3} + {{n + 1} \ elegir 2} = [/ matemáticas]

[matemáticas] 2 \ dfrac {(n + 1) (n) (n-1)} {6} + \ dfrac {(n + 1) (n)} {2} = [/ matemáticas]

[matemáticas] n (n + 1) \ left (\ dfrac {2n – 2} {6} + \ dfrac {3} {6} \ right) = \ dfrac {n (n + 1) (2n + 1)} {6} [/ matemáticas]

que ha sido conocido por otros medios durante cientos de años. Lo maravilloso de este método es que encontrar las formas cerradas siempre es fácil, aunque un poco laborioso, para valores mayores que [math] 2 [/ math] y es fácil de recordar (¡o automatizar!).

Estos son algunos de mis favoritos: ¡Cuenta dos veces!

Realmente me gusta este libro que se basa principalmente en el conteo doble, las pruebas que realmente cuentan: el arte de la prueba combinatoria. Definitivamente puedes encontrar algunos de los “mejores” allí.

Mi prueba favorita que usa el conteo doble es definitivamente la prueba del Lema de Burnside de la teoría del grupo combinatorio. El Lema dice que el número [math] t [/ math] de órbitas de un grupo de permutación [math] G [/ math] en un conjunto [math] \ Omega [/ math] es el número promedio de puntos fijos de los elementos en [matemáticas] G [/ matemáticas].

[matemáticas] t = \ frac1 {| G |} \ sum_ {g \ en G} | corregir (g) | [/matemáticas]

Prueba. Formemos un gráfico auxiliar (bipartito) cuyo conjunto de vértices sea [matemático] G \ cup \ Omega [/ matemático] y los bordes unan un elemento [matemático] \ alfa \ en \ Omega [/ matemático] con un elemento [matemático ] g \ en G [/ math] si y solo si [math] g [/ math] corrige [math] \ alpha [/ math].

¿Cuál es el número de aristas en este gráfico?

1. Claramente, es

[matemáticas] E = \ sum_ {g \ en G} | corregir (g) |, [/ matemáticas]
cuando estamos contando bordes incidentes con los elementos del grupo.

2. Por otro lado, si lo estamos contando desde la vista de los elementos fijos, entonces es

[matemáticas] E = \ sum _ {\ alpha \ in \ Omega} | G _ {\ alpha} | [/matemáticas],

donde [math] G _ {\ alpha} [/ math] es el estabilizador de [math] \ alpha [/ math] en [math] G [/ math], en otras palabras, el número de elementos de [math] G [ / math] que están arreglando [math] \ alpha [/ math]. Ahora, sabemos que si [matemática] \ alpha [/ matemática] y [matemática] \ beta [/ matemática] pertenecen a la misma órbita, entonces [matemática] | G _ {\ alpha} | = | G _ {\ beta} | [/matemáticas]. Además, el número de bordes incidentes en una órbita, digamos [math] \ alpha ^ G [/ math], es

[matemáticas] \ sum _ {\ beta \ in \ alpha ^ G} | G _ {\ beta} | [/matemáticas],

y usando la propiedad de estabilizador de órbita tenemos que

[matemáticas] \ sum _ {\ beta \ in \ alpha ^ G} | G _ {\ beta} | = | \ alpha ^ G | \ cdot | G _ {\ beta} | = | G |. [/matemáticas]

Esto significa que la contribución de una órbita a la suma final es [matemática] | G | [/ math] y el número de aristas es [math] t \ cdot | G |. [/matemáticas]

Entonces, de este doble conteo tenemos que

[matemáticas] \ sum_ {g \ en G} | corregir (g) | = t \ cdot | G | [/matemáticas]

por lo tanto, el número de órbitas es

[matemáticas] t = \ frac1 {| G |} \ sum_ {g \ en G} | corregir (g) |, [/ matemáticas]

Y la prueba está hecha.

Observación. Esta prueba está contenida en todos los buenos libros sobre grupos de permutación. El Lemma también se conoce con los nombres de Cauchy – Frobenius – Burnside, y combinaciones de sus subconjuntos.