运用泰朵拉的分组的方法——从因式中进行选择——嗯,有希望联系起来,一定能和分拆数的生成函数联系起来。利用无限和的无限积这个方法就好了。我明白了。
选择的组合个数就在系数上体现出来。
n0123456789...Pn11235711152230...
我打开窗子,呼吸了一下夜晚的新鲜空气,从远处传来狗叫声。——我为什么这么喜欢数学呢?数学到底是何物呢?米尔嘉曾经说过这样的话。
系数中的 1, 3, 3, 1 分别和选择 3 个,2 个,1 个,0 个x的情况一致。也就是说,如果系数用来表示,就形成了以下式子。
桥……我如果也能在未来的某个时候某个地方搭建一座新桥就好了。
问题 10-3 (我自己假设的问题)
假设分拆数的生成函数为P(x),求乘积形式的P(x)。
——深夜,在自己家,我闭上嘴巴,开始学习。
我连忙开始计算。因为是无限积,所以不能找到“关于x的有限项代数式”,但是我可以求出乘积形式的生成函数P(x)。
接下来的步骤就是建立生成函数的“关于x的有限项代数式”。
我的父母对于我挑战怎样的数学公式并没有什么兴趣。当我把数学公式变形成很有趣的形式时,我欣喜若狂地跟他们解释,他们也只是回应我一句“好厉害啊”。
家人都已经进入梦乡。我在自己的房间里做数学题,这是我最幸福的时光。
分拆数Pn怎么样啊?虽说是利用生成函数解题,但也不是像变魔术那样一瞬间就能把题目解出来的。关于这个数列,我们需要发现一些本质性的东西。
“不是回想,是思考”——不对,再往后一点。
在求卡塔兰数Cn的时候,我们利用生成函数的积来求有限项代数式。我享受到了“划分”的快乐。
我先来考虑一个有点脱离生成函数的话题。让我先想想我是不是解出过相同类型的题目。回想一下……
这是我和泰朵拉在讨论二项式定理时的对话。在计算 (x+y)n的时候,出现了好几种组合方式,那时泰朵拉惊呆了,于是我告诉她和nCk是 同一个意思。
嗯? 不知道怎么的,我感觉像是碰到了什么重要的点。
在求斐波那契数列的通项公式Fn的时候,我们利用推导公式求出了有限项代数式。通过乘以x使F(x) 的系数移位,真是怀念这种做法啊。
“……不是回想,是思考,是思考。”
将P0,P1, ... 的具体数值代入上式。因为n次方的系数是Pn,所以上式就变形为以下形式。
朋友是很可贵的。米尔嘉和泰朵拉,我们互相出题,互相解题,互相探讨,用尽我们的所能挑战数学问题,共同分享切磋我们的解题方法。我们之间通过数学公式的语言进行交流。——我很享受这样的时光。初中时,我却一直是一个人计算。——啊,不对不对,那时,在那个地方,或许泰朵拉也在……
电子钟显示时间为 23 点 59 分。23 和 59 都是质数啊。
关于分拆数的生成函数,我还要做进一步研究。长夜漫漫。
为了选出来
先把到现在为止求出的分拆数Pn总结一下。
“康托尔曾经说过‘数学的本质在于它的自由’。欧拉老师是自由的,他将无穷大和无穷小的概念在自己的研究中运用得如鱼得水。圆周率 π 也好,虚数单位 i 也好,还有自然对数的底数 e 也好,都是欧拉老师最先开始使用的文字。欧拉老师为世人在原本无法跨越的河流上搭建了桥梁,就好比在柯尼斯堡上搭建了一座新桥。”
回想到这里,我的脑海中浮现出了泰朵拉那表示佩服的表情,就在这一霎那,原本在房间里来回踱步的我突然停住了脚步。
“如果一旦明白什么,就立刻着手去做。”我的脑海中响起米尔嘉的声音。
求 (x+y) 的n次方时,分别从n个因式 (x+y) 中选择x和y,选到的x和y的乘积就成了一项。在合并同类项后,这种选择的组合个数就在系数上体现出来了。
“泰朵拉那表示佩服的表情”——不对,再前面一点。
在自己家中。
我在房间里来回踱着步子思考着。动手算出具体数值是一种非常重要的解题思路,但是只用这种方法的话,最终会承受不起排列组合的大爆发。在出现那个“了不得的数字”之前,为了能解出最后答案,需要一个很大的飞跃,也就是米尔嘉所说的“脑力劳动”。再想想,再想想。
比如说,在展开 (x+y)3 的时候,从 3 个因式中分别取x和y,这样就可以产生下面的 8 项。
这是我和泰朵拉之间有过的对话。“回想”起自己曾经说过“思考是很重要的”,我不禁笑了笑。思考是很重要的,回忆也很重要啊。
“……不记得了,不好意思。”
好了,要继续思考村木老师的问题了,就是那个关于分拆数Pn的问题。 至于问题 10-2 中的P15 小于 1000 是否成立,我可以用生成函数的方法来解解看。
生成函数就是利用x的幂次方,将数列的所有项都归纳到一个函数式里。到目前为止,我和米尔嘉利用生成函数求出了斐波那契数列和卡塔兰数。这次的Pn是否也可以通过生成函数来求出通项公式呢。只要在通项公式Pn中找到“关于n的有限项代数式”,问题 10-2 就迎刃而解了。
如果把它们全部相加,并“合并同类项”的话,就变成了乘积的展开。
“这种选择的组合个数就在系数上体现出来”——对,就是这个。
形式上的变量x是为了避免数列的各项出现混乱而存在的。将数列作为系数,生成它的就是生成函数。
假设该数列的生成函数为P(x),那么P(x) 就可以写成以下形式。这就是生成函数的定义式。