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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 2/5: 総和を文字列の計数問題として符号化する
ざっくり言うと

うまく選んだ全単射により、扱いにくい加重和が組合せ的対象のすっきりした計数に変わる。

Consider binary strings of length n+1 with exactly r+1 ones.\text{Consider binary strings of length } n+1 \text{ with exactly } r+1 \text{ ones.}
詳しい解説

長さ n+1n+1 で r+1r+1 個の 1 をちょうど含む二進文字列を考える。1≤k≤n1 \le k \le n とし、2番目の 11 が位置 k+1k+1 にあるとする。前にある1個目の 11 を最初の kk 位置のいずれかに置く方法は (k1)\binom{k}{1} 通りで、位置 k+1k+1 より後ろに残りの r−1r-1 個の 1 を置く方法は (n−kr−1)\binom{n-k}{r-1} 通りである。