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bell fubini numbers O(n) 求法

众所周知,第二类斯特林数通过二项式反演可以得到通项公式。

应用它可以得到线性计算 bell 与 fubini numbers 的方法。

先来看贝尔数。

\[\begin{aligned} Bell(n)&=\sum_{k=0}^n{n\brace k}\\ &=\sum_{k=0}^n\sum_{j=0}^k\frac{(-1)^{k-j}j^n}{j!(k-j)!}\\ &=\sum_{j=0}^n\frac{j^n}{j!}\sum_{k=0}^{n-j}\frac{(-1)^k}{k!} \end{aligned} \]

显然和式的后部分可以前缀和,幂次可以通过线性筛递推。

再来看 fubini numbers。

\[\begin{aligned} Fubini(n)&=\sum_{k=0}^nk!{n\brace k}\\ &=\sum_{k=0}^n\sum_{j=0}^k{k\choose j}(-1)^{k-j}j^n\\ &=\sum_{j=0}^n{j^n}\sum_{k=j}^n{k\choose j}(-1)^{k-j} \end{aligned} \]

\(S(j)=\sum_{k=j}^n(-1)^{k-j}{k\choose j}\)

\[Fubini(n)=\sum_{j=0}^nj^nS(j) \]

\[\begin{aligned} S(j)&=\sum_{k=j}^n{k-1\choose j-1}(-1)^{k-j}+{k-1\choose j}(-1)^{k-j}\\ &=S(j-1)-{n\choose j-1}(-1)^{n-(j-1)}-(S(j)-{n\choose j}(-1)^{n-j})\\ &=S(j-1)-S(j)+(-1)^{n-j}\left[{n\choose j}+{n\choose j-1}\right]\\ &=S(j-1)-S(j)+(-1)^{n-j}{n+1\choose j} \end{aligned} \]

因此有:

\[S(j-1)=2S(j)+(-1)^{n+1-j}{n+1\choose j} \]

\(S(n)=1\),故有:

\[S(j)=\sum_{k=j}^n{n+1\choose k+1}(-1)^{n-k}2^{k-j} \]

带入原式有:

\[Fubini(n)=\sum_{j=0}^n\left(\frac{j}{2}\right)^n\sum_{k=j}^n{n+1\choose k+1}(-1)^{n-k}2^k \]

http://www.jsqmd.com/news/171702/

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