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第2题

设 nn 和 rr 是满足 1≤r≤n1 \le r \le n 的整数,考虑集合 {1,2,…,n}\{1,2,\dots,n\} 的所有 rr 元子集(共 (nr)\binom{n}{r} 个)。每个这样的子集都有一个最小元素。设 F(n,r)F(n,r) 为这些最小元素的算术平均值。证明 F(n,r)=n+1r+1.F(n,r) = \frac{n+1}{r+1}.
第 3/5 步:比对两种计数方式
∑k=1nk(n−kr−1)=∑k=1n(k1)(n−kr−1)=(n+1r+1)\sum_{k=1}^{n} k\binom{n-k}{r-1} = \sum_{k=1}^{n}\binom{k}{1}\binom{n-k}{r-1} = \binom{n+1}{r+1}
详细分析

将第 2 步中按第二个 11 的位置 k+1k+1 得到的计数求和,长度为 (n+1)(n+1) 且含有 r+1r+1 个数字 1 的每个字符串都会恰好被计数一次,因此总数为 (n+1r+1)\binom{n+1}{r+1}。另一方面,逐项看这个和,由于 (k1)=k\binom{k}{1}=k,它正是第 1 步中的 ∑kk(n−kr−1)\sum_k k\binom{n-k}{r-1}。