二項式反演/minmax容斥初探

世界是物質的，物質是運動的，運動是有規律的，規律是能夠被認識的

二項式反演

\[ g_n=\sum_{i=0}^n \binom{n}if_i\Rightarrow f_n=\sum_{i=0}^n(-1)^{n-i}\binom{n}ig_i \]

證實以下

\[ \begin{aligned} \sum_{i=0}^n(-1)^{n-i}\binom{n}ig_i &=\sum_{i=0}^n(-1)^{n-i}\binom{n}i\sum_{j=0}^i\binom{i}jf_i\\ &=\sum_{j=0}^nf_i \sum_{i=j}^n(-1)^{n-i}\binom{n}i\binom{i}j\\ &=\sum_{j=0}^nf_i \sum_{i=j}^n(-1)^{n-i}\binom{n}j\binom{n-j}{i-j}\\ &=\sum_{j=0}^n\binom{n}jf_j \sum_{i=j}^n(-1)^{n-i}\binom{n-j}{i-j}\\ &=\sum_{j=0}^n\binom{n}jf_j \sum_{i=0}^{n-j}(-1)^{n-j-i}\binom{n-j}i\\ &=\sum_{j=0}^n\binom{n}jf_j\times (1-1)^{n-j} \end{aligned} \]

在默認\(0^0=1\)的狀況下，顯然

\[ \sum_{j=0}^n\binom{n}jf_j\times (1-1)^{n-j}=f_n\\ f_n=f_n \]

最值反演

\[ \max(S)=\sum_{T\subseteq S} (-1)^{|T|-1}\min(T)\\ E_\forall(S)=\sum_{T\subseteq S} (-1)^{|T|-1}E_\exists(T)\\ \text{lcm}(S)=\prod_{T\subseteq S} (-1)^{|T|-1}\gcd(T)\\ \]

其中，\(S,T\not=\varnothing\)。

推導第一類

設係數函數\(f\)知足
\[ \max(S)=\sum_{T\subseteq S} f(|T|)\min(T) \]

考慮\(S\)中第\(x+1\)大元素做爲子集的最小值的狀況數，顯然
\[ \sum_{i=0}^x\binom{x}if(i+1) = [x=0]\\ f(x+1)=\sum_{i=0}^x(-1)^{x-i}\binom{x}i[i=0]=(-1)^x \]
因而\(f(x)=(-1)^{x-1}\)。

擴展
\[ \text{maxk}(S)=\sum_{T\subseteq S} f(|T|)\min(T) \]
此時須要知足
\[ \sum_{i=0}^x\binom{x}if(i+1) = [x=k-1]\\ f(x+1)=\sum_{i=0}^x(-1)^{x-i}\binom{x}i[i=k-1]=(-1)^{x-k+1}\binom{x}{k-1} \]
即\(f(x)=(-1)^{x-k}\binom{x-1}{k-1}\)。
\[ \text{maxk}(S)=\sum_{T\subseteq S}(-1)^{|T|-k}\binom{|T|-1}{k-1}\min(T) \]