组合学史若干问题研究_刘建军.docx
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1、 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 .据 我所知,除了文中特別加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果,也不包含为获得 一或其他教育机构的学位或证 V使用过的材料 与我 一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名: 签字 曰 月 / 姐 组合学史若干问题研究 摘要 组合学是现代数学学科中发展较快的一个分支,它虽然在 20世纪 60年代才独立成为数 学的一个分支,但其发展历史却是悠久的 本文分六个部分论述了它的历史发展。 一、 从三个方面论述了组合学思想的东方起源。出
2、现于中国的 3阶幻方是组合设计的 最早特例,在印度、阿拉伯等国家对幻方也有较早的研究 组合学中最基本的排 列、组合形式的事例在东方历史上大量出现。那些古老的富有益智性的数学游戏 为组合学早期的发展提供了大量的研究素材。古代东方世界在这些方面的研究事 例远远多于当时的西方世界,这充分说明了组合思想根源于东方世界的沃土中。 二、 考察了中世纪数学家对组合学相关内容的研究,主要体现在排列、组合公式的探 求,确立算术三角形和构作幻方三个专题。对这些专题的研究,东西方各有贡献。 三、 用现代组合符号解释了中国朱世杰的四元玉鉴中垛积招差部分和帕斯卡的论 算术三角形内容,指出这两部著作是东、西方对组合恒等式
3、研究的较早的系统 论著 *同时从二项式公式、反演公式及分拆公式三个角度论述了近现代对组合恒 等式的寻求和证明。 四、 以专题的形式讨论了经典计数问题中一些最基本内容的产生历史及其发展过程。 (1) 早期对一些计数函数的研究是引入组合学研究方法的重要内容,如 Fibonacci 数、 Cata丨 an数和 Stirling数等经典计数函数: ( 2)对东西方历史上对幂和问题的 研究作了较详细的考察,指出了形数法和燦积术在求幂和公式中的作用,特别地 给出了费马、帕斯卡和福尔哈勃计算幂和的方法: ( 3)对整数分拆的历史发展过 程作了较详细的论述,包括从莱布尼兹到欧拉、以及欧拉之后研究整数分拆的进
4、展等; ( 4)讨论了在组合学中引入容斥原理和递推方法的 “ 错位排问题 ”的发展 ; (5)分析了组合计数理论中重耍的定理 波利亚计数定理产生的历史,讨论 了波利亚得出这一定理的方法。 五、 阐述了组合设计理论中几个重耍内容的产生和发展。 ( 1)详述了丨 8世纪中期提 出的区组设计问题以及这些问题出现的多 种形式及解决方法 :( 2)对组合设计中 正交拉丁方的历史予以阐述,分析了拉丁方问题的研究中欧拉猜想和麦克奈希猜 想的作用: ( 3)简述了有限射影儿何及有限域在组合设计中的意义及其对组合设 计理论发展的推动作用。 . 六、 对现代组合学中较抽象化的内容 一一组合集论予以讨论,主要论述了
5、拉姆齐理论 及相异代表系发展历史的主耍脉络。 11 * ABSTRACT Combinatorics, formed as a branch of mathematics in 1960s, has a long history. It holds a rapid speed of development in recent years. Its history will be stated in six parts as following: 1. It9s developed by three aspects that the origin of combinatorial idea is
6、 traced to the ancient east. The order 3 magic square appeared in ancient China is the oldest instance for combinatorial design. There also were a large number of examples on magic square in ancient India and Arab. Some mathematical games and recreations acted as an essential role in the development
7、 of earlier combinatorics. 2. This part gives a study on the some objects in combinatorics researched in the middle ages. Those researches are substantially composed by search for the formulae of permutation and combination, the arithmetical triangle and the magic square. Both the east and west gave
8、 a contribution to those subjects. 3. Interpret the contents both on the pile and difference in Precious Mirror of the Four Elements (Si Yuan Yu Jian) and the arithmetical triangle in Treat on the Arithmetical triangle Traite du Triangle Arithmetique). Both works are the much earlier books study the
9、 combinatorial identities in system. Furthermore, the modem researches on the identities are investigated which are derived from the binomial coefficients, inversion relations and partition polynomials. 4. The history of primary problems in enumerative combinatorics is explored in some special subje
10、cts. (1) Discuss earlier researches on such counting functions, as Fibonacci numbers, Catalan numbers and Stirling numbers. (2) Interpret in detail the contributions that the west and east countries had given to the subject sum of powers, especially P. Fermat, B. Pascal and J. Faulhabes methods to t
11、his subject. (3) Expound the outline of the development of partition of integer. (4) Analyze the evolution of problem of derangement and the principle of inclusion-exclusion. (5) Relate the arisen history of P61ya theorem and explore the method that P6 -lya gave this theorem. 5. The evolution of fou
12、r fundamental components in design theory is delivered. (!) State the appearance of block design and its resolution. (2) Formulate the history of OZ5 (orthogonal Latin squares) and show the role that Eulers conjecture and MacNeish conjecture on OLS played in the progress of study on Latin square. (3
13、) State briefly the motivation that finite projective plan and finite field offer to the development of combinatorial design. 6. The history of Ramsey theory and SDR in combinatorial set theory is briefly discussed. In short, I hope to present a concise history of Combinatorics through above discuss
14、ion. So the development of this mathematical branch can be distinctly acquainted. 引 言 . 1 0.1组合学的研究对象和特点 . 1 0.2组合学史的分期 . 2 0.3组合学史的研究现状 . : . 3 0.4本文的研究范围及意义 . . 5 第一章组合学思想的东方起源 . : . 7 1.1幻方 . 7 1.2排列组合 . 8 1.3组合游戏 . 10 第二章中世纪的组合学知识 . 14 2.1排列数和组合数公式的寻求 . 14 2.2算术三角形的相关运算 . 18 2.3中世纪幻方研究的发展 . 21 第
15、三章组合恒等式的早期产生及近现代推导 . 27 3.1早期得出组合恒等式的两种主要方法 . 27 3.2组合恒等式的近现代推导和证明 . 37 第四章计数理论中几个经典问题的发展 . 42 4.1早期的三种重要计数函数 . 42 4.2幂和公式的研究历程 . 47 4.3整数 分拆问题 . 55 4.4错位排问题研究及容斥原理的应用 . 59 4.5 P61ya计数定理 . 62 第五章组合设计的早期发展 . 65 5.1区组设计的提出与发展 . 65 5.2正交拉丁方问题 . 70 5.3有限射影平面与有限域的引入 . 73 第六章组合集论的诞生 . . . 75 6.1鸽洞原理到拉姆齐理论
16、 . 75 6.2相异代表系与拟阵理论的建立 . 77 结 胃 . . . 8 主要参考文献 . 82 m . 85 组合学正式源起于莱布尼兹 ( Gottfried Wilhelm Leibniz 1646-17丨 6)的研究工作,它是 门既古老又新颖的数学分支 莱布尼兹在论组合的艺术 ( Z)出 ertarfo rfe drte 1666)中首次在近代数学的意义下使用 “ 组合 ” 一词, “ 组合分析 ( combinatorial analysis)” 一词最早出现在尼古拉斯 (P. Nicholson)1818 年的论文 *Essays on the Combinatorial an
17、alysis” 中, “ 组合学(或组合学 combinatorics)” 一词则较早地出现在列维 ( F. W. Levi) 1940 年发表的 “On a method of finite combinatorics which applies to the theory of infinite groups” 文中 , “ Combinatorics” 即是 “combinatorial mathematics” 的缩写。从 20 世纪 60年代后,组合学逐渐发展成为一个独立的数学分支。 组合学最早是粕数论及概率计算交叉在一起的,一些著名的数论函数如欧拉函数 麦比乌斯函数分拆函数 p()
18、等 .至今仍是组合学讨论的对象;而概率的方法一直是 求解组合问题的一种重要方法。 20世纪 90年代以来,由于计算机科学的巨大发展,己经促 使组合学改变了旧有面貌,形成了富有生命力的新兴数学分支。 0.1组合学的研究对象和特点 由于组合学与其他学科交叉很大,所以不易给出一个精确定义。大致来说,它是研究任 意一组离散性事物按照一定规则安排或配置方法的数学。特别当指定的规则较简单时,主要 问题就是要计算一切可能的安排或配置的方法数。如果指定规则隐含有对象安排的技巧性, 则安排或配置的存在性问题便成为主耍问题 举例来说,图论中的计数问题,各种条件下的 排列、组合、复合、划分、分类、检索、区组设计、递
19、归、生成函数、数列变换等方面的许 多问题,都是组合学研究的具体对象。 图论属于组合学,近些年已有独立的趋向 I本文不涉及 。 现代组合学主要研究离散事物间的关系结构 美国代数学家伯克霍夫 ( G.Birkhoff)已 经明确地指出过,因为现代数学都以 “ 量化模式 ” ( 理想化的形式结构 )为对象 .所以组合学 也是要研究离散事物关系结构的模式问题,而且采用的方法力求模式化 。作为现代数学分 支的现代组合学,主要是研究离散对象的 “ 关系结构 ” ,不像经典抽象代数那样专门研究代 数系统的本身结构。同时,伯克霍夫认为,代数发展的一个趋势是 “ 系统结构 ” 的研究正让 位给 “ 关系 ” 的
20、研究。 F. W. Levi, On a method of finite combinatorics which applies to the theory of infinite groups, Bulletin of the Calcutta Mathematical Society, (32) 1940: .65-68. 图论的历史参见: N. Biggs, E. Lloyd, and & W丨 Ison, OopA TTieo/y /73dW9J(5, Clarendon Oxford Press, 1976, 徐利治 , 组合学的发展趋势及关于发展研究的建议 曲阜师范大学学报 _】
21、列 4年第 20卷第 3期 M-8 现代组合学同 20世纪 初麦克马洪 ( P. A. MacMahon, 1854-1929)研究的组合分析学很 不一样,现代组合学的主要特点是 大量应用了抽象代数学工具和矩阵工具,使问题的提法 和处理方法表现出极大的一般性。从罗塔 ( Gian-Car丨 Rota, 1932-1999),霍尔 ( Marshall Hall, 1910-1990)等人的 一系列工作中可以明显地肴到这一点。其另一重耍特点是:适应着计算 机科学发展的现状、趋势和耍求,组合学很注重方法的可行性和程序化的研究 这样,又由 此派生出 “ 算法组合学 ” 等新颖的小分支。 0.2组合学
22、史的分期 结合组合学的研究方法和内容,并根据作者现己苹捱的资料,我们可以按照历史上对组 合学这门学科作出奠基性工作的论文,把组合学发展的历史分为以下几个时期: (1) 古代, 17世纪 60年代以前 这是以帕斯卡论箅术三角形(丨 665)及莱布尼兹论组合的艺术(丨 666)为标志。 此期间组合学主耍研究的内 W是排列数和组合数(不重和可重 ) 计算公式 .排列数或组合数 之间的关系 ( 即一些恒等式 ); 以及整数分拆等一些问题。 论算术三角形主要论述了关于算术三角形的构成和性质及其应用。该书的第一部分 根据加法 公式定义了算术三角形并由算术三角形得出丨 9个推论,这些推论可以说成是有系 统的
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