UyHiP-2011-Aug

似乎是一个比较简单的题目。

Problem

一个正交平面网格,只能向上/向右走,求从 (0, 0) 到 (n,n)(n, n) 期望与直线 y=xy = x 相交多少次。

Solution

答案为 4n(2nn)\frac{4^n}{ \binom{2n}{n} }

很容易得到表达式为 k=0n(2kk)(2n2knk)(2nn)\frac{\sum_{k = 0}^n { \binom{2k}{k} }{ \binom{2n - 2k}{n - k} }}{ \binom{2n}{n}} 。我们只需化简这个求和式即可。

第一种方法,看着式子很自然想到卷积,于是考虑母函数。(2kk)\binom{2k}{k} 的母函数为 f(x)=114xf(x) = \frac{1}{\sqrt{1 - 4x} } 。于是卷积为 f2(x)=114xf^2(x) = \frac{1}{1 - 4x} ,展开后的第 nn 项为 4n4^n

第二种方法,强力进行二项式处理。由于 (2kk)=(12k)(4)k\binom{2k}{k} = \binom{-\frac{1}{2}}{k} (-4)^k 所以有

k=0n(2kk)(2n2knk)=k=0n12k(12nk)(4)n=(4)n(1n)=4n\sum_{k = 0}^n \binom{2k }{ k}\binom{2n - 2k }{ n - k} = \sum_{k = 0}^n {-\frac{1}{2} }{ k} \binom{-\frac{1}{2} }{ n - k} (-4)^n = (-4)^n \binom{-1 }{ n} = 4^n

如果像证明 Catalan 通项公式那样搞一个映射也是可以的吧……