مساله ۲۶. صف بلیط اوپنهایمر

۴۰ نفر جلوی گیشه بلیط فیلم اوپنهایمر وایسادن تا بلیط بخرن. قیمت بلیط ۵ دلاره. از این ۴۰ نفر ۲۵ تاشون اسکناس ۵ دلاری دارن و ۱۵ تاشون اسکناس ۱۰ دلاری. بلیط فروش هم در اول کار هیچ پولی نداره. چند جور میتونن صف وایسن که بلیط فروش موقع پس دادن بقیه پول هیچ وقت کم نیاره؟
لینک مساله در توویتر: https://twitter.com/Riazi_Cafe/status/1691691003118596147
پاسخ درست برابر است با:
$$ ({40 \choose 25} - {40 \choose 26}) \times 25! \times 15! $$
فرض کنید m نفر اسکناس 5$ و n نفر اسکناس 10$ داشته باشن. حالت یک صف رو با نموداری مثل زیر نشون میدیم که از مبدا شروع میکنیم و اگه نفر بعدی 5$ بود، بالا راست میریم و اگه 10$ بود پایین راست.
برای اینکه نمودارها خیلی بزرگ نشود، به جای ۲۵ و ۱۵ مساله اصلی در نمودارهای زیر m رو ۶ و n رو ۴ در نظر گرفتیم. ولی ایده کلی همان است.
تعداد اینچنین نمودارهایی \({n+m \choose m}\) خواهد بود.
دقت کنید که در هر لحظه مختصات y نمودار نشانگر تعداد ۵ دلاریها در صندوقه، پس حالتهای غیر مجاز حالتهایی هستند که نمودار پایینتر از محور y میشود. مثل حالت زیر:
برای شمردن این حالات غیر مجاز، به این دقت میکنیم که این حالتها حالتهایی هستند که نمودار با خط y=-1 برخورد میکند.
برای همچنین حالتی، میتوان یک حالت متناظر ساخت که در آن ماقبل اولین برخورد با y=-1 را نسبت به y=-1 قرینه کردهایم. مثلا برای نمودار بالا:
چنین نمودارهایی از (2-, 0) شروع میشوند و مثل حالت قبل در (m+n, m-n) تمام میشوند. این نمودارها با حالات غیر مجاز تناظر یک به یک دارند.
با حل ۲ معادله دو مجهولی، میتوان نشان داد که در این نمودارهای قرینه تعداد حرکت به بالا راستها برابر است با m+1. پس تعداد این نمودارها برابر است با \({n+m \choose m+1}\).
پس تعداد کل تعداد نمودارهای مجاز برابر میشود با \({n+m \choose m} - {n+m \choose m+1}\). در این نمودارها بین افراد تمایز قائل نشدیم. اگر افراد را متمایز در نظر بگیریم، جواب مساله اصلی میشود
$$ ({n+m \choose m} - {n+m \choose m+1}) \times n! \times m! $$