天不为人之恶寒也辍冬,地不为人之恶辽远也辍广,君子不为小人之匈匈也辍行。
# 母函数的基本知识
母函数方法是指通过将数列各项作为某一级数的系数 (或系数的一部分),采用函数变换的思想,求解数列通项等信息的方法。其中的某一级数对应的函数就称为母函数,或称生成函数 (generating function)。母函数最常用来解决的问题就是数列的通项问题和组合计数问题。
母函数一般可以分为两类。第一类为普通型母函数,即G(x)=i=0∑∞aixi;第二类称为指数型母函数,即Ge(x)=i=0∑∞i!aixi。
在对母函数进行级数展开和变形时,大多采用泰勒公式即可。我们一般不需要考虑级数的敛散性,而是按照正常的级数展开规则进行计算。换句话说,我们是在对延拓的级数进行计算。
# 母函数的应用
# 求解递推数列通项
# 齐次关系的情形
例题 1 求解斐波那契数列的通项。
解构造母函数F(x)=i=0∑∞Fixi,则F(x)=F0+F1x+i=0∑∞(Fi+1+Fi)xi+2=1+xF(x)+x2F(x),故F(x)=1−x−x21=51(2−1+5−x1+21+5+x1)=51(∑i=0∞(21+5)i+1xi−∑i=0∞(21−5)i+1xi)。根据母函数的构造方式,得到Fn=51((21+5)n+1−(21−5)n+1)。
根据上面的题目,我们容易发现,母函数的求法相对于特征方程的求解更加繁琐,但是可以更好的解释为什么这样求解的问题。但在一般的计算中,还是采用特征方程更为快捷。
如果希望加快效率,我们可以总结出几个较基本的公式:
1.1−px1=i=0∑∞(px)i
2.p−x1=i=0∑∞pi+1xi
3.1+px1=i=0∑∞(−px)i
4.p+x1=−i=0∑∞(−p)i+1xi
这些公式虽然看上去比较愚蠢,但是可以使计算更加快捷。
# 非齐次关系的情形
例题 2 求an−an−1−6an−2=3n 的通项公式,其中a0=5,ai=2。
解构造母函数G(x)=i=0∑naixi。则将an−an−1−6an−2=3n 两侧同乘xn 再相加,得到G(x)−xG(x)−6x2G(x)=1−3x1。分拆后进行泰勒展开易求。