Rationality, irrationality, and Wilf equivalence in generalized factor order
Authors: Kitaev Sergey , Liese Jeffrey , Remmel Jeffrey , Sagan Bruce 
Published: August 2021

Let $P$ be a partially ordered set and consider the free monoid $P^{\ast}$ of all words over $P$. If $w,w' \in P^{\ast}$ then $w'$ is a factor of $w$ if there are words $u,v$ with $w=uw'v$. Define generalized factor order on $P^{\ast}$ by letting $u \leq w$ if there is a factor $w'$ of $w$ having the same length as $u$ such that $u \leq w'$, where the comparison of $u$ and $w'$ is done componentwise using the partial order in $P$. One obtains ordinary factor order by insisting that $u=w'$ or, equivalently, by taking $P$ to be an antichain. Given $u \in P^{\ast}$, we prove that the language $\mathcal{F}(u)=\{w : w \geq u\}$ is accepted by a finite state automaton. If $P$ is finite then it follows that the generating function $F(u)=\sum_{w \geq u} w$ is rational. This is an analogue of a theorem of Björner and Sagan for generalized subword order. We also consider $P=\mathbb{P}$, the positive integers with the usual total order, so that $\mathbb{P}^{\ast}$ is the set of compositions. In this case one obtains a weight generating function $F(u;t,x)$ by substituting $tx^n$ each time $n \in \mathbb{P}$ appears in $F(u)$. We show that this generating function is also rational by using the transfer-matrix method. Words $u,v$ are said to be Wilf equivalent if $F(u;t,x)=F(v;t,x)$ and we can prove various Wilf equivalences combinatorially. Björner found a recursive formula for the Möbius function of ordinary factor order on $P^{\ast}$. It follows that one always has $\mu (u,w)=0, \pm 1$. Using the Pumping Lemma we show that the generating function $M(u)= \sum_{w \geq u} | \mu (u,w) | w$ can be irrational.

Soit $P$ un ensemble partiellement ordonné. Nous considérons le monoïde libre $P^{\ast}$ de tous les mots utilisant $P$ comme alphabet. Si $w,w' \in P^{\ast}$, on dit que $w'$ est un facteur de $w$ s'il y a des mots $u,v$ avec $w=uw'v$. Nous définissons l'ordre facteur généralisé sur $P^{\ast}$ par: $u \leq w$ s'il y a un facteur $w'$ de $w$ ayant la même longueur que $u$ tel que $u \leq w'$, où la comparaison de $u$ avec $w'$ est faite lettre par lettre utilisant l'ordre en $P$. On obtient l'ordre facteur usuel si on insiste que $u=w'$ ou, ce qui est la même chose, en prenant $P$ comme antichaîne. Pour n'importe quel $u \in P^{\ast}$, nous démontrons que le langage $\mathcal{F}(u)=\{w : w \geq u\}$ est accepté par un automaton avec un nombre fini d'états. Si $P$ est fini, ça implique que la fonction génératrice $F(u)=\sum_{w \geq u} w$ est rationnelle. Björner et Sagan ont démontré le théorème analogue pour l'ordre où, en la définition au-dessus, $w'$ est un sous-mot de $w$. Nous considérons aussi le cas $P=\mathbb{P}$, les entiers positifs avec l'ordre usuel, donc $P^{\ast}$ est l'ensemble des compositions. En ce cas on obtient une fonction génératrice pondéré $F(u;t,x)$ en remplaçant $tx^n$ chaque fois on trouve $n \in \mathbb{P}$ en $F(u)$. Nous démontrons que cette fonction génératrice est aussi rationnelle en utilisant la Méthode Matrice de Tranfert. On dit que let mots $u,v$ sont Wilf-équivalents si $F(u;t,x)=F(v;t,x)$. Nous pouvons démontré quelques équivalences dans une manière combinatoire. Björner a trouvé une formule récursive pour la fonction Möbius de l'ordre facteur usuel sur $P^{\ast}$. Cette formule implique qu'on a toujours $\mu (u,w)=0, \pm 1$. En utilisant le Lemme de Pompage, nous démontrons que la fonction génératrice $M(u)= \sum_{w \geq u} | \mu (u,w) | w$ peut être irrationnelle.