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integer solutions

linear regession 或者mpl 会涉及到weight decay, 提及整数解的问题:
k个变量,d阶的项一共有多少种?

问题描述
我们有 $ k $ 个变量 $ x_1, x_2, \ldots, x_k $,要求它们的和等于 $ d $,即:

$ x_1 + x_2 + \cdots + x_k = d $

自然数解

从 ( d - 1 ) 个位置中选择 ( k - 1 ) 个位置放置隔板,其余的位置放置星星。

这可以用组合数表示为:

$ \binom{d - 1}{k - 1} = \frac{(d - 1)!}{(k - 1)! \cdot (d - k)!} $

非负整数解

在这个问题中,每个变量 $ x_i $ 可以取0。这意味着在分配过程中,某些变量可能不会获得任何单位。因此,为了表示这种情况,我们需要在星(单位)之间允许隔板(分隔符)彼此相邻,甚至位于首尾位置。这就增加了排列组合的灵活性。

具体解释:

单位和隔板的表示:

单位(星):表示要分配的 $ d $ 个单位,用符号 $\bullet$ 表示。
隔板(杠):用于分隔 $ k $ 个变量,用符号 $|$ 表示。需要 $ k - 1 $ 个隔板来分隔 $ k $ 个变量。
位置总数:

我们有 $ d $ 个单位和 $ k - 1 $ 个隔板。
因此,总共有 $ d + k - 1 $ 个位置,用于放置单位和隔板。
组合数计算:

在这 $ d + k - 1 $ 个位置中,选择 $ k - 1 $ 个位置放置隔板,其余位置放置单位(注意这里选完隔板的位置后,其他的放置单位用来放置星星)。
这种选择的方式数为组合数:
$ \binom{d + k - 1}{k - 1} = \frac{(d + k - 1)!}{d! \cdot (k - 1)!} $

例子
假设 $ k = 3 $ 且 $ d = 4 $,我们有:

$ x_1 + x_2 + x_3 = 4 $

使用星与杠法表示为:

$ \bullet \bullet | \bullet | \bullet $

这表示 $ x_1 = 2 $、$ x_2 = 1 $、$ x_3 = 1 $。

另一种分配方式:

$ \bullet \bullet \bullet | | \bullet $

这表示 $ x_1 = 3 $、$ x_2 = 0 $、$ x_3 = 1 $。

这里要注意的是,隔板和单位要放在一起考虑

从kimi得到的解释:

要理解为什么方程 $x_1 + x_2 + \ldots + x_k = d$ 的非负整数解的个数是 $\binom{d + k - 1}{k - 1}$,我们可以使用星条定理的直观解释。

  1. 星号和条形:想象你有 $d$ 个星号(代表总和),你需要将这些星号分配到 $k$ 个箱子(代表变量)中。每个箱子至少可以放0个星号,这意味着我们处理的是非负整数解。

  2. 放置条形:为了将星号分成 $k$ 组,你需要 $k-1$ 个条形来分隔这些组。例如,如果你有3个箱子,你需要2个条形来分隔星号。

  3. 总位置数:现在,我们有 $d$ 个星号和 $k-1$ 个条形,总共有 $d + k - 1$ 个位置需要填充。

  4. 选择条形位置:问题现在变成了从这 $d + k - 1$ 个位置中选择 $k-1$ 个位置来放置条形。剩下的位置将自动被星号填充

  5. 组合计算:从 $d + k - 1$ 个位置中选择 $k-1$ 个位置的方法数由组合公式 $\binom{d + k - 1}{k - 1}$ 给出。

因此,方程 $x_1 + x_2 + \ldots + x_k = d$ 的非负整数解的个数是 $\binom{d + k - 1}{k - 1}$。