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数学女孩 作者:结城浩 近现代)

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7.4 在自己家里解生成函数

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如果再逐项写出来的话,反而让人觉得难以理解。我们就用章节插图来表示。写成一般化的式子的话,xn的系数为

在这次的推导公式中出现的章节插图和上次我对泰朵拉所说的情况很相似。Ck章节插图的下标和为n,然后k从 0 开始变化到n,使这个和的平衡点发生变化。

然后将所有n+ 1 的式子用n来替换。

章节插图

不管怎么样,n被抵消掉了。

章节插图

如果这样考虑对应关系的话,就可以只用一个生成函数来表示无限持续下去的数列。接着,如果将生成函数表示为有限项的式子,就可以得到数列的通项有限项公式。

因为这是式子C(x)2 中“xn的系数”,所以式子C(x)2 本身就变成了二重和的形式,是这么写的。

章节插图
章节插图

C0 = 1 代入上式并整理。

但是这次的推导公式并不像斐波那契数列的推导公式那样简单。在求斐波那契数列的推导公式时,我们把生成函数乘以x后,为了使上下式子x的次数对齐,将各项系数都向左或向右挪一格,然后只要进行加减运算,就能把n抵消。

我终于求出了生成函数C(x) 的有限项代数式。

章节插图

我想起现在手上的推导公式章节插图主要表示这样的意思:如果能够形成章节插图这样的“先相乘后相加”的形式,那么这个式子就可以被章节插图这个简单形式的项所代替。

什么情况下才能够形成“先相乘后相加”这个形式呢?

Cn的推导公式已经求出,如下所示。

也就是说,“先相加后相乘”的形式展开后可以变成“先相乘后相加”的形式。

嗯?

因此,我们得到了关于C(x) 的二次方程式。假设x不等于 0,我们就可以求得方程的解。

也就是说,将生成函数Cx)平方后,式子能够变得非常简单。下面就将章节插图章节插图来替换。

噢,二重和变成了一重和的形式了!

章节插图

嗯,完成得很顺利。

当我们得到数列章节插图这个条件时,我们将数列的各项变为函数的系数,得到了章节插图这个形式,我们考虑的就是这种形式的幂级数。这就叫作生成函数。然后,我们考虑了以下的对应关系。

先相乘后相加…… 是这样说的吗?

现在我手中的武器就只有Cn的推导公式。下一步就是运用推导公式求出C(x) 的有限项代数式。那么,我来求一下C(x) 的“关于x的有限项代数式”吧。这个式子中应该不会出现n

章节插图

这样一来,n就消除了。

好了,这下等式右边的章节插图几乎和生成函数C(x) 相等了,只剩下把C0 这部分减去就好了。

我现在想用上次的解法来试着解这道题。

章节插图
章节插图

我打开笔记本,一边回忆一边开始写。

将等式右边的x放入章节插图的式子中。

好,题目的关键就是要形成乘积的形式。我来试着推导一下生成函数的乘积形式吧。自己亲自动手计算,一定能够发现什么。

将生成函数平方后得到这样的形式。

为了让下标变成与指数相同的形式,将n= 0 的部分看作n+ 1 = 1。

做出来了!

章节插图

因为生成函数只是C(x),所以将它平方后,可能会出现什么吧。生成函数是这样的。

我们来关注一下下标。随着章节插图这个数字中左侧的下标k逐渐变大,右侧的下标n-k就逐渐变小。k在 0 到n的范围内变化。

噢,对了,要去除这个偏差,我可以利用解斐波那契数列时的方法来解决,只要将相差 1 的部分乘以x就可以了。两边同时乘以x

但是,这次的推导公式章节插图真是不好对付。章节插图这个乘积形式前再加上章节插图,就是复杂的“先相乘后相加”的形式了。

这个推导公式能够被章节插图这个简单的项所替换。

章节插图

啊,做出来了!这就是xn的系数。

米尔嘉和我运用生成函数求得了斐波那契数列的通项公式。我们亲手将支离破碎的数列用生成函数这条线串了起来。

章节插图

以上就是生成函数的定义。到此为止,我自己还没有动过脑子。是啊,在生成函数的王国徘徊还是比较简单的。

章节插图

“不要把n-kk分开来考虑,而是要把它们想成是‘它们的和为n’。然后,这个和的平衡点由 0 到n进行变化。”

章节插图

我终于做出了章节插图这个“先相乘后相加”的形式。因为我求得了“先相乘后相加”的形式,余下部分如果利用推导公式,就应该能把公式变简单。推导公式为

Cn的有限项代数式的“旅行地图”

章节插图
章节插图

还是说Ck章节插图的“下标和为n”呢?

真正要动脑子的是接下来的部分。

写啊,写啊,写啊,只听得到自动铅笔在纸上的刷刷声。

我准备接着思考另一个问题,关于如何解生成函数的问题。

章节插图

深夜。家人都已经入睡,家中很安静。我一个人在自己房间里,毫无顾忌地思考问题。

……(x+y)(x+y)(x+y) 这个“先相加再相乘”的形式可以变成x3 + 3x2y+ 3xy2 +y3 这个“先相乘后相加”的形式,也就是公式的展开……

米尔嘉曾经和我一起求过斐波那契数列。那时,米尔嘉把数列和生成函数对应起来进行了计算。我们在两个王国——“数列的王国”和“生成函数的王国”漫步穿梭。

常数项为C0C0,x的系数为C0C1 +C1C0,x2 的系数为C0C2 +C1C1 +C2C0。

等一下,章节插图的下标和xn的指数正好相差 1。

剩下只需把有限项代数式的幂级数展开就可以了。

对于有n个加号的式子,假设为其添加括号的方式有Cn种,下面我们来考虑数列章节插图

根据生成函数的“先相乘后相加”这个特点,我们推导出了有限项代数式。真没想到生成函数的乘积有这么大的作用啊!

做出来了!

章节插图

呵呵,我想起了自己对泰朵拉说的台词。

那么,进行一般化的话——我脑海中浮现出了泰朵拉那双大眼睛——先把C(x)2 中xn的系数写出来吧。

然后,将这个数列的生成函数用C(x) 来表示。为了不让数列变得混乱,我们引入x这个变量,xn的指数nCn的下标n相对应,这样C(x) 就可以用以下形式来表示。

章节插图

我并不知道为什么生成函数C(x) 会有带正负号的两个解,原本章节插图的部分该如何我也不知道,我觉得这个题真是越来越深奥了。

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