如何用组合数学证明 (n²)! 能被 (n!)^(n+1) 整除?

如何用组合数学证明 (n²)! 能被 (n!)^(n+1) 整除?

曾加,海阔凭鱼跃,天高任鸟飞。

我被这道题惊了。

一开始,我以为它是一道「数论题」,于是想用素数的方法来做,于是我写下了:

对任意不大于 n 的素数 p,记 为 n! 分解质因数时 p 的阶(也即: n! 能被 整除,但是不能被 整除)
那么,原题等价于证明,对于所有不大于 n 的素数 p,有
易见, (Legendre’s Formula)
于是原命题等价于证明,对于所有不大于 n 的素数 p,

……

然后我就发现,好像有点复杂,细节很多,即使证明了也不优雅。

然后,我发现了四个大字

组!合!数!学!

于是,我转变思路,反向构造了这个组合题的场景,构造出一道题:

个人,分成 n 组,每组 n 人,请问一共有多少种分法?

解:

先把这

个人排成 n*n 的矩阵,共有

种排法。

假如每一列的人算组成一队,共分成 n 队,那么:

  • 在每一队中,这 n 个人的顺序都是无所谓的,所以算组合数时在每一队中都需要除以 n!;
  • 对于这 n 队之间来说,两两的顺序也是无所谓的,所以算组合数时需要再除以 n!。

于是,组队的总方案数是:

这个数必须是整数,因此原题得证!