min-max-容斥

发布时间 2023-07-13 21:34:44作者: NuclearReactor

\[\begin{aligned} \max(S)=\sum\limits_{T\subseteq S}(-1)^{|T|-1}\min(T)\\ \min(S)=\sum\limits_{T\subseteq S}(-1)^{|T|-1}\max(T) \end{aligned} \]

这里只证明第一个式子,下一个式子类似可证。

设集合 \(S=\{a_i\},|S|=n\) 满足 \(i<j\Leftrightarrow a_i<a_j\),由此我们有:

\[\begin{aligned} \sum\limits_{T\subseteq S}(-1)^{|T|-1}\min(T)&=\sum\limits_{i=1}^na_i\sum\limits_{j=0}^{n-i} (-1)^{j+1}\dbinom{n-i}{j}\\ &=\sum\limits_{i=1}^na_i[n-i=0]=a_n=\max(S) \end{aligned} \]

应当注意到的是,假设具有一般性,而非特殊性。

min-max 容斥还有扩展形式,设 \(\max_k(S)\) 集合 \(S\) 中的第 \(k\) 大值,\(\min_k(S)\) 为集合 \(S\) 中的最小值,则我们有:

\[\begin{aligned} max_k(S)=\sum\limits_{T\subseteq S}(-1)^{|T|-k}\dbinom{|T|-1}{k-1}\min(T)\\ min_k(S)=\sum\limits_{T\subseteq S}(-1)^{|T|-k}\dbinom{|T|-1}{k-1}\max(T) \end{aligned} \]

同样由上面的假设,我们可以得到:

\[\begin{aligned} \sum\limits_{T\subseteq S}(-1)^{|T|-k}\dbinom{|T|-1}{k-1}\min(T)&=\sum\limits_{i=1}^na_i\sum\limits_{j=0}^{n-i}\dbinom{n-i}{j}\dbinom{j}{k-1}(-1)^{j+1-k}\\ &=\sum\limits_{i=1}^na_i\sum\limits_{j=0}^{n-i}\dbinom{n-i}{k-1}\dbinom{n-i-k+1}{j-k+1}(-1)^{j+1-k}\\ &=\sum\limits_{i=1}^na_i\dbinom{n-i}{k-1}\sum\limits_{j=0}^{n-i}\dbinom{n-i-k+1}{j-k+1}(-1)^{j+1-k}\\ &=a_{n-k} \end{aligned} \]