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第2問

nn と rr を 1≤r≤n1 \le r \le n を満たす整数とし、集合 {1,2,…,n}\{1,2,\dots,n\} の rr 個の要素からなるすべての部分集合、すなわち (nr)\binom{n}{r} 個の部分集合を考える。それぞれの部分集合には最小の要素がある。これらの最小要素の相加平均を F(n,r)F(n,r) とする。F(n,r)=n+1r+1.F(n,r) = \frac{n+1}{r+1}. を証明せよ。
ステップ 1/5: 最小値の総和を書き下す
ざっくり言うと

直接平均を求める代わりに、部分集合を最小値ごとにグループ分けし、各最小値を共有する部分集合の個数を数える。

∑Smin⁡(S)=∑k=1nk(n−kr−1)\sum_{S} \min(S) = \sum_{k=1}^{n} k\binom{n-k}{r-1}
詳しい解説

kk を固定すると、最小値が kk である {1,…,n}\{1,\dots,n\} の rr 元部分集合の個数は (n−kr−1)\binom{n-k}{r-1} である。これは残り r−1r-1 個の要素を kk より大きい n−kn-k 個の数から選ぶためである。kk を掛けて可能な最小値すべてで和をとると、すべての rr 元部分集合にわたる最小値の総和が得られる。