Lecture 2. Double Counting


【定理 1】(握手定理)对 G=(V,E)G=(V,E),

∑v∈Vd(v)=2∣E∣\sum_{v\in V} d(v)=2|E|

推论:图中奇度点的个数一定是偶数。

【证明】可以考虑从关联矩阵考虑,分别对 ∣V∣×∣E∣|V|\times |E| 的关联矩阵的行列计数得到左右两边;也可以对集合 {(v,e)∣v∈e}\{(v,e)\mid v\in e\} 计数,即


【例 1】证明:

(nk)=nk(n−1k−1),∑k=1nk(nk)=n2n−1\binom{n}{k}=\frac{n}{k}\binom{n-1}{k-1},\quad \sum_{k=1}^nk\binom{n}{k}=n2^{n-1}

【证明】对第一个等式,即证

k(nk)=n(n−1k−1)k \binom{n}{k} = n\binom{n-1}{k-1}

考虑 nn 个元素的集合 U={1,2,⋯ ,n}U=\{1,2,\cdots,n\},令 A⊆UA\subseteq U 且 ∣A∣=k|A|=k,对 {(x,A)∣x∈A}\{(x,A)\mid x\in A\} 计数:

两边相等,即证明完毕。

对第二个等式。考虑去掉 ∣A∣=k|A|=k 限制的计数:


【例 2】令 0≤l≤k≤n0\leq l\leq k\leq n,证明:

(nk)(kl)=(nl)(n−lk−l)\binom{n}{k}\binom{k}{l}=\binom{n}{l}\binom{n-l}{k-l}

【证明】类似上题,考虑 nn 个元素的集合 UU,令 A⊆UA\subseteq U 且 ∣A∣=k|A|=k,令 B⊆UB\subseteq U 且 ∣B∣=l|B|=l,对 {(A,B)∣B⊆A}\{(A,B)\mid B\subseteq A\} 计数。

💡
对于每个双计数问题,都可以看成一个 0-1 矩阵分别对行/列的计数,这个 0-1 矩阵的行和列分别代表需要计数的两类元素,1 表示符合条件,而 0 表示不符合条件。

【定理 2】若 G=(V,E)G=(V,E) 有 nn 个顶点,且不含 4-圈,那么:

∣E∣≤⌊n4(1+4n−3)⌋|E|\leq \left\lfloor \frac{n}{4}(1+\sqrt{4n-3})\right\rfloor

【证明】对 {(u,(v,w))∣(u,v)∈E,(u,w)∈E}\{(u,(v,w))\mid (u,v)\in E,(u,w)\in E\} 计数:

于是,

∑u∈V(d(u)2)≤(n2)\sum_{u\in V} \binom{d(u)}{2}\leq \binom{n}{2}

化简得

∑u∈Vd2(u)−∑u∈Vd(u)≤n(n−1)\sum_{u\in V} d^2(u)- \sum_{u\in V}d(u) \leq n(n-1)
💡
平方和的处理用 Cauchy-Schwarz 不等式处理。
🔑
Cauchy-Schwarz 不等式. ∣(α,β)∣≤∥α∥⋅∥β∥\left|(\alpha,\beta)\right|\leq \left\|\alpha\right\|\cdot\left\|\beta\right\|.
∑u∈Vd2(u)≥1n(∑u∈Vd(u))2\sum_{u\in V}d^2(u) \geq \frac{1}{n}\left(\sum_{u\in V}d(u)\right)^2

于是,代入上述不等式与握手定理,有

1n(2∣E∣)2−2∣E∣≤n(n−1)\frac{1}{n}\left(2|E|\right)^2-2|E| \leq n(n-1)

即

4∣E∣2−2n∣E∣−n2(n−1)≤04|E|^2-2n|E| - n^2(n-1) \leq 0

解一元二次方程即可得到答案。


【例 3】证明在超图 (V,F)(V,F)(边不再是二元集合,可以是多元集合)中,有

∑x∈Xd2(x)=∑A∈F∑x∈Ad(x)=∑A∈F∑B∈F∣A∩B∣\sum_{x\in X}d^2(x)=\sum_{A\in F}\sum_{x\in A} d(x)=\sum_{A\in F}\sum_{B\in F} |A\cap B|

【证明】考虑对 {(x,A,B)∣x∈A,x∈B,x∈V,A∈F,B∈F}\{(x,A,B)\mid x\in A,x\in B, x\in V,A\in F,B\in F\} 计数:

上述求和应该相等,即证毕。


🔑
Turan Number T(n,k,l)T(n,k,l). 给定 nn 元集合 XX,选择最少数量的 ll 元子集合 Y1,Y2,⋯Y_1, Y_2, \cdots;使得每个 kk 元子集合至少包含一个 ll 元子集合。

【定理 3】

T(n,k,l)≥(nl)/(kl)T(n,k,l) \ge \binom{n}{l}/\binom{k}{l}

【证明】假设我们取出的最少个数的 ll 元子集合的集合为 FF,即 F={Y1,Y2,⋯ ,Y∣F∣}F=\{Y_1,Y_2,\cdots, Y_{|F|}\}。令 ZZ 是一个 kk 元子集合,Y∈FY\in F,对 {(Y,Z)∣Y⊆Z}\{(Y,Z)\mid Y\subseteq Z\} 计数。

于是,根据双计数有

∣F∣(n−lk−l)≥(nk)⋅1|F|\binom{n-l}{k-l} \ge \binom{n}{k}\cdot 1

由于 T(n,k,l)=∣F∣T(n,k,l)=|F| 且根据【例 2】的结论,有

T(n,k,l)≥(nk)/(n−lk−l)=(nl)/(kl)T(n,k,l)\ge \binom{n}{k}/\binom{n-l}{k-l}=\binom{n}{l}/\binom{k}{l}

【双计数的通用表述】给定两个有限集 R,CR,C 以及一个子集合 S⊆R×CS\subseteq R\times C,当 (p,q)∈S(p,q)\in S 我们说 (p,q)(p,q) 是关联的。令 rpr_p 表示有多少个 q∈Cq\in C 满足 (p,q)∈S(p,q)\in S;令 cqc_q 满足有多少个 p∈Rp\in R 满足 (p,q)∈S(p,q)\in S,那么双计数表示为:

∑p∈Rrp=∣S∣=∑q∈Ccq\sum_{p\in R}r_p=|S|=\sum_{q\in C}c_q

关联矩阵 A=(apq)∣R∣×∣C∣A=(a_{pq})_{|R|\times |C|} 定义为 apq=[(p,q)∈S]a_{pq}=[(p,q)\in S]。这样的双计数也可以转化为图论建模:对行列建点,(p,q)∈S(p,q)\in S 相当于连边,那么可以得到一个(二部)图。


【例 4】令 t(n)t(n) 表示 nn 的因子数目,那么考虑其算术平均的取值范围。

t(n‾)=1n∑j=1nt(j)\overline{t(n}) = \frac{1}{n}\sum_{j=1}^n t(j)

【解】令 R=C={1,2,⋯ ,n}R=C=\{1,2,\cdots,n\},关系为因子关系,那么双计数有

∑j=1nt(j)=∑i=1n⌊n/i⌋\sum_{j=1}^n t(j) = \sum_{i=1}^n \lfloor n/i\rfloor

于是,

t(n)‾=1n∑j=1nt(j)=1n∑i=1n⌊n/i⌋∈(−1+∑i=1n1i,∑i=1n1i]\overline{t(n)}=\frac{1}{n}\sum_{j=1}^n t(j)=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n\lfloor n/i\rfloor \in \left(-1+\sum_{i=1}^n\frac{1}{i},\sum_{i=1}^n\frac{1}{i}\right]

【例 5】(Zarankiewicz 问题). 在 n×nn\times n 的 0-1 矩阵中最多能有多少个 1,使其中没有 a×ba\times b 的全 1 子矩阵?

【解】考虑转化为图论建模,变为团的问题。行列建点,成为二分图 ((U,V),E)((U,V),E);若 Aij=1A_{ij}=1 则在行节点 uiu_i 和列节点 vjv_j 之间连边。那么问题转换为若该二分图没有一个 a×ba\times b 的团 (clique),最大的边数是多少。

下面考虑 a=ba=b 的情况,a≠ba \ne b 情况类似可以证明(但是更加复杂,因此在这略去)。下面的命题给出了 Zarankiewicz 问题的答案。

💡
【命题 1】若二分图 G=((U,V),E) (∣U∣=∣V∣=n)G=((U,V),E)\ (|U|=|V|=n) 中没有 a×aa\times a 的团,那么
∣E∣≤(a−1)1/an2−1/a+(a−1)n|E| \leq (a-1)^{1/a}n^{2-1/a}+(a-1)n

【命题 1 的证明】考虑对 (u,{v1,v2,⋯ ,va})(u, \{v_1,v_2,\cdots,v_a\}) 的结构,其中 (u,vi)∈E (i=1,2,⋯ ,a)(u,v_i)\in E \ (i=1,2,\cdots,a),这些结构的集合记为集合 SS。对集合 SS 进行双计数。

于是,

∑u∈U(d(u)a)≤(a−1)(na)\sum_{u\in U}\binom{d(u)}{a} \leq (a-1)\binom{n}{a}
🔑
Jensen 不等式. 若 ff 为下凸函数,则对于任意 λ,x\lambda,x,
∑iλif(xi)≥f(∑iλixi)\sum_i \lambda_if(x_i) \ge f\left(\sum_i\lambda_i x_i\right)

其中,∑iλi=1\sum_i \lambda_i=1.

使用 Jensen 不等式和握手定理,有

∑u∈U1n(d(u)a)≥(1n∑u∈Ud(u)a)=(∣E∣/na)\sum_{u\in U}\frac{1}{n}\binom{d(u)}{a} \ge \binom{\frac{1}{n} \sum_{u\in U} d(u)}{a} = \binom{|E|/n}{a}

于是我们有

(a−1)(na)≥∑u∈U(d(u)a)=n∑u∈U1n(d(u)a)≥n(∣E∣/na)(a-1)\binom{n}{a}\ge \sum_{u\in U}\binom{d(u)}{a} =n\sum_{u\in U}\frac{1}{n}\binom{d(u)}{a} \ge n\binom{|E|/n}{a}

考虑右边组合数分子中的的每一项,

(∣E∣/na)=(∣E∣/n)(∣E∣/n−1)⋯(∣E∣/n−a+1)a!≥(∣E∣/n−a+1)aa!\binom{|E|/n}{a}=\frac{(|E|/n)(|E|/n-1)\cdots(|E|/n-a+1)}{a!} \ge \frac{(|E|/n-a+1)^a}{a!}

同理,左边的组合数有

(na)=n(n−1)⋯(n−a+1)a!≤naa!\binom{n}{a} = \frac{n(n-1)\cdots(n-a+1)}{a!} \leq \frac{n^a}{a!}

于是,

(a−1)naa!≥(a−1)(na)≥n(∣E∣/na)≥n(∣E∣/n−a+1)aa!(a-1)\frac{n^a}{a!} \geq (a-1)\binom{n}{a} \ge n\binom{|E|/n}{a} \ge n \frac{(|E|/n-a+1)^a}{a!}

两边开 aa 次方,有

(a−1)1/an≥n1/a(∣E∣/n−a+1)(a-1)^{1/a}n \ge n^{1/a}(|E|/n-a+1)

化简即得,

∣E∣≤(a−1)1/an2−1/a+(a−1)n|E| \leq (a-1)^{1/a}n^{2-1/a} + (a-1)n

证毕。


【定理 4】(Sperner 引理)已知平面上的一个三角形 ABC,它被任意划分为若干小的不重叠的三角形。用 {1,2,3}\{1,2,3\} 依次对A、B、C三个顶点着色。对其余顶点:BC边上的点用 {2,3}\{2,3\} 着色;AB上的点用 {1,2}\{1,2\} 着色;AC边上的点用 {1,3}\{1,3\} 着色。其他内部顶点任意着色。那么,一定有奇数个三个顶点都不同色的三角形,即顶点染色为 {1,2,3}\{1,2,3\} 的三角形,即一定会出现这样的三角形。

【证明 1】每个区域(包括外部剩下的大区域)建立一个顶点;当两个区域公共边的两个顶点染色为 {1,2}\{1,2\} 时,连接这两个顶点;那么可以构造出出一个图 G=(V,E)G=(V,E)。假设外部剩下的大区域为点 x∗x^*,那么 x∗x^* 一定是一个奇度点(因为其只能与 AB 边上的三角形连边,而 A 和 B 的颜色分别为 1 和 2,且中间点颜色只能从 {1,2}\{1,2\} 中选择)。

那么,考虑所有染色情况的三角形。我们发现,只有 {1,2,3}\{1,2,3\} 三角形,其代表的顶点的度数也是奇数的,其余情况下度数都是偶数的。我们知道,图 GG 满足握手定理,即所有点的度数之和为偶数,因此必然有偶数个奇度点,而奇度点的来源只有 (1) 外部点 x∗x^*;(2) {1,2,3}\{1,2,3\} 三角形,因此必然有奇数个 {1,2,3}\{1,2,3\} 三角形,而最小的奇数为 1>01>0,因此一定会出现这样的三角形。

【证明 2】对异色边的数目进行双计数。


【例 6】证明

∑k=0nCnk2kCn−k[n−k2]=C2n+1n\sum_{k=0}^n C_n^k2^kC_{n-k}^{\left[\frac{n-k}{2}\right]} = C_{2n+1}^n

【分析】右边是从 2n+12n+1 个元素中选出 nn 个元素的集合的方案数。左边带有求和,与“分类”相关;且带有取整符号,和“奇偶性”相关;有一个 2k2^k 项,提示考虑“二元集合”。

【证明】考虑 2n+12n+1 个元素 x1,x2,⋯ ,x2n,x2n+1x_1,x_2,\cdots,x_{2n},x_{2n+1};两两分组为

{x1,x2},{x3,x4},⋯ ,{x2n−1,x2n},x2n+1\{x_1,x_2\},\{x_3,x_4\},\cdots,\{x_{2n-1},x_{2n}\},x_{2n+1}

共有 nn 个二元组和一个孤立项。那么从这 2n+12n+1 个元素中选出 nn 个元素(右边)也可以看成:

  1. 从 nn 个二元组中取出 kk 个二元组,方案数是 CnkC_n^k,这些二元组中只能取 1 个元素,其他二元组中必须取 2 个元素或不取元素。
  1. 从这 kk 个二元组中各取 1 个元素,得到 kk 个元素,方案数是 2k2^k;
  1. 还剩 n−kn-k 个元素,需要从剩下的 n−kn-k 个二元组和 x2n+1x_{2n+1} 中挑选;
    1. 考虑 n−kn-k 是偶数,那么一定不能取 x2n+1x_{2n+1},需要从剩下的 n−kn-k 个二元组中挑选出 (n−k)/2(n-k)/2 个二元组,取其中的所有元素;
    1. 考虑 n−kn-k 是奇数,那么一定需要取 x2n+1x_{2n+1},还需要从剩下的 n−kn-k 个二元组中挑选出 (n−k−1)/2(n-k-1)/2 个二元组,取其中的所有元素;
    1. 综上所述,方案数可以归纳为 Cn−k[n−k2]C_{n-k}^{\left[\frac{n-k}{2}\right]}。

因此,得证。

💡
另一种解释方法:C2n+1nC_{2n+1}^n 可以看成 (1+x)2n+1(1+x)^{2n+1} 二项式展开后的 xnx^n 项系数。
(1+x)2n+1=(1+x)2n(1+x)=(1+2x+x2)n(1+x)\begin{aligned}(1+x)^{2n+1}&=(1+x)^{2n}(1+x)\\&=(1+2x+x^2)^n(1+x)\end{aligned}

考虑左边那项中,取 2x2x 的次数 kk,也可以得到相同的结果。


【例 7】设 nn 和 kk 是正整数,SS 是平面内 nn 个点的集合,满足:

  1. SS 中任何三点不共线;
  1. 对 SS 中每一点 pp,至少有 kk 个 SS 中的点与 pp 距离相等。

证明:

k≤12+2nk\leq \frac{1}{2}+\sqrt{2n}

【证明】令 CjC_j 表示以点 xjx_j 为中心的圆,那么根据 2,必然有 kk 个点在 CjC_j 上。我们可以构造一个“每个点 xix_i 是否在 CjC_j 上”的一个 n×nn\times n 的 0/1 关联矩阵表示这个关系,令 d(xi)d(x_i) 表示点 xix_i 在多少个这样的圆上,也就是矩阵中第 ii 行的和,或者关联矩阵表示的图中 xix_i 的度数。

那么对考虑 (xi,{Cj,Ck})(x_i,\{C_j,C_k\}) 计数,其中 j≠kj\ne k,xix_i 在 CjC_j 和 CkC_k 上。

因此我们得到,

∑i(d(xi)2)≤2(n2)\sum_{i}\binom{d(x_i)}{2} \leq 2\binom{n}{2}

即

∑id2(xi)−∑xd(xi)≤2n(n−1)\sum_{i}d^2(x_i) - \sum_{x}d(x_i) \leq 2n(n-1)

根据 Cauchy-Schwarz 不等式,

∑id2(xi)≥(∑id(xi))2n\sum_{i}d^2(x_i) \ge \frac{\left(\sum_{i}d(x_i)\right)^2}{n}

因此,

(∑id(xi))(1n∑id(xi)−1)≤2n(n−1)\left(\sum_{i}d(x_i)\right)\left(\frac{1}{n}\sum_{i}d(x_i)-1\right)\leq 2n(n-1)

∑id(xi)\sum_{i}d(x_i) 本身是矩阵的按行计数,因此考虑按列计数,根据 2,每个圆至少有 kk 个点,因此

∑id(xi)≥nk\sum_{i}d(x_i) \ge nk

于是,代入原式,转化为

k(k−1)≤2(n−1)k(k-1)\leq 2(n-1)

即

k2−k−2(n−1)≤0k^2-k-2(n-1) \leq 0

于是解得

k≤1+8n−72≤12+8n2=12+2nk \leq \frac{1+\sqrt{8n-7}}{2} \leq \frac{1}{2}+\frac{\sqrt{8n}}{2}=\frac{1}{2}+\sqrt{2n}

【例 8】已知集合 M=(x1,x2,⋯ ,x4n+3)M=(x_1,x_2,\cdots,x_{4n+3}),它的 4n+34n+3 个子集 A1,A2,⋯ ,A4n+3A_1,A_2,\cdots,A_{4n+3} 具有如下性质:

  1. MM 中任意 n+1n+1 个元素恰属于唯一一个子集 AjA_j;
  1. ∣Ai∣≥2n+1,i=1,2,⋯ ,4n+3|A_i| \ge 2n+1, \quad i=1,2,\cdots,4n+3。

证明:任意两个子集 AiA_i 和 AjA_j 恰有 nn 个公共元。

【证明】考虑构造一个 “每个元素 xix_i 是否在集合 AjA_j 中“ 的一个矩阵;令 d(xi)d(x_i) 表示 xix_i 在多少个集合中,也就是矩阵第 ii 行的和。

考虑对 (xi,{Aj,Ak})(x_i,\{A_j,A_k\}) 结构计数,其中 j≠kj\ne k,xi∈Ajx_i\in A_j 且 xi∈Akx_i\in A_k。

因此,

∑i(d(xi)2)=∑j,kj≠k∣Aj∩Ak∣\sum_i \binom{d(x_i)}{2}=\sum_{j,k}^{j\ne k}|A_j\cap A_k|

条件 1 保证了对于 Aj,AkA_j,A_k,一定有 ∣Aj∩Ak∣≤n|A_j\cap A_k| \leq n(否则不满足 1),于是

∑i(d(xi)2)=∑j,kj≠k∣Aj∩Ak∣≤(4n+32)n\sum_i \binom{d(x_i)}{2}=\sum_{j,k}^{j\ne k}|A_j\cap A_k| \leq \binom{4n+3}{2}n

下面考虑证明 (*) 式:

∑i(d(xi)2)≥(4n+32)n{\color{red}\sum_i \binom{d(x_i)}{2} \ge \binom{4n+3}{2}n}
💡
如果有这个不等式,结合两边可以得到:
∑i(d(xi)2)=∑j,kj≠k∣Aj∩Ak∣=(4n+32)n\sum_i \binom{d(x_i)}{2}=\sum_{j,k}^{j\ne k}|A_j\cap A_k| =\binom{4n+3}{2}n

则结合条件 1 可以直接得出对于任意 j,kj,k 且 j≠kj\ne k 有 ∣Aj∩Ak∣=n|A_j\cap A_k| = n。

根据 Cauchy-Schwarz 不等式,若满足下面条件则 (*) 式成立:

(∑id(xi))(1n∑id(xi)−1)≥(4n+3)(4n+2)n\left(\sum_{i}d(x_i)\right)\left(\frac{1}{n}\sum_{i}d(x_i)-1\right)\ge (4n+3)(4n+2)n

∑id(xi)\sum_{i}d(x_i) 本身是矩阵的按行计数,因此考虑按列计数,根据条件 2 有

∑id(xi)=∑i∣Ai∣≥(4n+3)(2n+1)\sum_{i}d(x_i) = \sum_i |A_i| \geq (4n+3)(2n+1)

那么,只需要证明下面条件则 (*) 式成立:

(4n+3)(2n+1)((4n+3)(2n+1)−n)≥(4n+3)(4n+2)n2(4n+3)(2n+1)((4n+3)(2n+1)-n) \ge (4n+3)(4n+2)n^2

化简后有

2n2+3n+1≥02n^2+3n+1 \ge 0

对 n≥0n\ge 0 显然成立,因此 (*) 式成立,于是得证。


【例 9】能否把 1, 1, 2, 2, 3, 3, ……, 1986, 1986 这些数排成一行,使得两个 1 之间夹着 1 个数,两个 2 之间夹着 2 个数,两个 1986 之间夹着 1986 个数?

【证明】假设可以,则设第一个 ii 排在的位置是 AiA_i,那么第二个 ii 排在的位置应该是 Ai+iA_i+i。

那么,A1,A1+1,A2,A2+2,⋯ ,A1986,A1986+1986A_1, A_1+1, A_2,A_2+2,\cdots,A_{1986},A_{1986}+1986 应该构成 1,⋯ ,39721,\cdots, 3972 的一个排列。两边求和,有

2∑i=11986Ai+1987⋅19862=3973⋅397222\sum_{i=1}^{1986}A_i + \frac{1987\cdot 1986}{2} = \frac{3973\cdot 3972}{2}

发现,1987⋅19862\frac{1987\cdot 1986}{2} 是奇数而 3973⋅39722\frac{3973\cdot 3972}{2} 是偶数,由于 2∑i=11986Ai2\sum_{i=1}^{1986}A_i 也只能是偶数,因此等式不可能成立,假设不成立。不存在这样的排列。


【例 10】设 x,y,zx,y,z 为实数,并且 0<x<y<z<π/20<x<y<z<\pi/2,求证:

π2+2sin⁡xcos⁡y+2sin⁡ycos⁡z>sin⁡2x+sin⁡2y+sin⁡2z\frac{\pi}{2}+2\sin x \cos y + 2\sin y \cos z > \sin 2x + \sin 2y + \sin 2z

【证明】

即证:

2sin⁡x(cos⁡x−cos⁡y)+2sin⁡y(cos⁡y−cos⁡z)+2sin⁡zcos⁡z<π22\sin x(\cos x - \cos y) + 2\sin y (\cos y - \cos z) + 2\sin z \cos z < \frac{\pi}{2}
  • 2sin⁡x(cos⁡x−cos⁡y)2\sin x(\cos x - \cos y):黄色区域的面积;
  • 2sin⁡y(cos⁡y−cos⁡z)2\sin y (\cos y - \cos z):蓝色区域的面积;
  • 2sin⁡zcos⁡z2\sin z \cos z:绿色区域的面积;
  • π2\frac{\pi}{2}:整个半圆的面积

显然不等式成立。


【例 11】某次会议中有 30 名议员,每两位议员或为政敌或为朋友,而且每位议员都恰有 6 个政敌。对于 3 个议员组成的委员会,若这 3 人中任何两个人都是朋友或任何两个人都是政敌,则称之为奇异委员会。问:共有多少个奇异委员会?

【解】考虑建模成图 G=(V,E)G=(V,E),议员为点,关系为边。将政敌关系的边染为黑色,朋友关系的边染为白色。那么奇异委员会即为全黑/全白三角形。那么每个点连出 6 条黑边,23 条白边。那么图中共有 2 类三角形:同色三角形和异色三角形。奇异委员会即为同色三角形,假设有 xx 个同色三角形,那么有 (303)−x\binom{30}{3}-x 个异色三角形。那么对同色角(同色边的夹角)进行双计数。

于是得到

(303)+2x=30((62)+(232))\binom{30}{3} + 2x= 30\left(\binom{6}{2}+\binom{23}{2}\right)

解得

x=15((62)+(232))−12(303)x=15\left(\binom{6}{2}+\binom{23}{2}\right)-\frac{1}{2}\binom{30}{3}

【例 12】证明:对于 1≤p<m<n1 \leq p < m < n,

∑i=0pCmiCm−ip−iCn−pp−i=CmpCnp\sum_{i=0}^p C_m^i C_{m-i}^{p-i} C_{n-p}^{p-i}=C_m^pC_n^p

【证明】从 m×nm\times n 矩阵选 p×pp\times p 子矩阵,右边则为按行列直接选的方案数;左边可以理解为: