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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 1/6: 最小値を固定した部分集合を数える
ざっくり言うと

これは解法1のステップ1と同じ数え上げだが、その後では別の方法で和を計算する。

#{S:min⁡S=j}=(n−jr−1),j=1,…,n−r+1\#\{S : \min S = j\} = \binom{n-j}{r-1}, \quad j=1,\dots,n-r+1
詳しい解説

jj が rr 元部分集合の最小要素なら、残りの r−1r-1 個の要素は jj より大きい n−jn-j 個の数から選ばれるので、その選び方は (n−jr−1)\binom{n-j}{r-1} 通りである。