Решение рекуррентных уравнений. Общие и частные решения рекуррентных соотношений

«Производящая функция является устройством, отчасти напоминающим мешок. Вместо того чтобы нести отдельно много предметов, что могло бы оказаться затруднительным, мы собираем их вместе, и тогда нам нужно нести лишь один предмет - мешок».
Д. Пойа

Введение

Математика делится на два мира - дискретный и непрерывный. В реальном мире есть место и для того и для другого, и часто к изучению одного явления можно подойти с разных сторон. В этой статье мы рассмотрим метод решения задач с помощью производящих функций - мостика ведущего из дискретного мира в непрерывный, и наоборот.

Идея производящих функций достаточно проста: сопоставим некоторой последовательности - дискретному объекту, степенной ряд g 0 + g 1 z + g 2 z 2 +… + g n z n +… - объект непрерывный, тем самым мы подключаем к решению задачи целый арсенал средств математического анализа. Обычно говорят, последовательность генерируется, порождается производящей функцией. Важно понимать, что это символьная конструкция, то есть вместо символа z может быть любой объект, для которого определены операции сложения и умножения.

История возникновения производящих функций

Известно, что начало методу производящих функций положил английский математик Абрахам де Муавр, а дальнейшему развитию и продолжению данного метода мы обязаны великому математику, имя которого Леонард Эйлер.

В 50-х годах XVIII века Эйлер решал следующую задачу: какие грузы можно взвесить с помощью гирь в 2 0 , 2 1 , 2 2 ,..., 2 n грамм и сколькими способами? При решении этой задачи он использовал никому неизвестный на то время метод производящих функций , которому и посвящена данная статья. К этой задаче мы вернёмся немного позже, после того как разберёмся более подробно с устройством производящих функций.

Метод производящих функций

Изучение этого мощного механизма позволяющего решать многие задачи, мы начнём с простенькой задачи: сколькими способами можно расположить в линию чёрные и белые шары, общее количество которых равно n?

Обозначим белый шар символом ○, чёрный - ●, T n - искомое количество расположений шаров. Символом Ø - обозначим нулевое количество шаров. Как и любое решение комбинаторной задачи начнём с тривиальных случаев:

Если n=1, то очевидно имеется 2 способа - взять либо белый шар ○, либо взять чёрный шар ●, таким образом, T 2 = 2.

Если n=2, то имеется 4 способа расположений: ○○, ○●, ●○, ●●.

Рассмотрим случай для n=3. Мы можем начать белым шаром и продолжить 4-мя комбинациями, описанными выше ○○○, ○○●, ○●○, ○●●, или же мы можем начать чёрным шаром и аналогично продолжить 4-мя шарами ●○○, ●○●, ●●○, ●●●.

В итоге количество шаров удвоилось, то есть T 3 = 2T 2 . Аналогично T 4 = 2T 3 , то есть, обобщая для всех n, получаем рекуррентное уравнение T n = 2T n-1 которое и является решением для данной задачи. Решение такого уравнения можно легко угадать - T n = 2 n (так как 2⋅2 n-1 = 2 n).

А что если у нас плохо с угадыванием? И что делать, если уравнение будет сложнее? А вообще причём здесь производящие функции?

«Просуммируем» все возможные комбинации расположений шаров:

G = Ø + ○ + ● + ○○ + ○● + ●○ + ●● + ○○○ + ○○● + ○●○ + ○●● + ●○○ + ●○● + ●●○ + ●●● +…

Вопрос о допустимости такой нелепой на первый взгляд суммы опустим. Будем складывать и умножать последовательности шаров. Со сложением всё понятно, но что значит умножить одну последовательность шаров на другую? Перемножив ○● на ●○ мы получим не что иное как ○●●○. Заметим, однако, что произведение шаров в отличие от произведения чисел не является коммутативным, так как ○●⋅●○ ≠ ●○⋅○●. Символ Ø - в произведении играет роль мультипликативной единицы, то есть Ø ⋅ ○○● = ○○● ⋅ Ø = ○○● и коммутирует с любой последовательностью шаров.

Производя с рядом G последовательность манипуляций, а именно вынося за скобки левый белый и чёрный шары

G = Ø + ○ (Ø + ○ + ● + ○○ + ○● + ●○ + ●● + ...) + ● (Ø + ○ + ● + ○○ + ○● + ●○ + ●● + ...) = Ø + ○G +●G

Получим уравнение G = Ø + ○G +●G.

Несмотря на то, что умножение некоммутативно, и мы фактически не различаем левое и правое деление, попробуем всё же «решить» это уравнение, на свой страх и риск. Получим,

Учитывая формулу суммы геометрической прогрессии , имеем

В этой сумме так же учтены все возможные варианты разбиения в точности по одному разу. Далее воспользуемся формулой бинома Ньютона: , где - число сочетаний из n по k. Тогда с учетом этого имеем:

Коэффициент при ○ k ● n-k равный числу сочетаний из n по k, показывает общее количество последовательностей из n шаров содержащих ○ шары в количеств k штук и ● шары в количестве n-k штук. Таким образом, общее количество расположений n шаров есть сумма по всем возможным значениям k. Как известно .

Эту формулу можно было получить непосредственно из заменив Ø на 1, а ○ и ● на z (в виду их равнозначности). Получим то есть коэффициент при z n равен 2 n .

Обсуждение метода

Так что же позволяет данному методу быть работоспособным при решении различных задач?

Алгоритм решения задачи можно описать примерно следующим образом: рассматривается некоторая бесконечная сумма, которая в конечном итоге представляет собой формальный степенной ряд G(z) = g 0 + g 1 z + g 2 z 2 +… + g n z n +… причем коэффициенты g k (не заданные в явном виде) - являются ключом к решению исходной задачи. То, что ряд является формальным, говорит о том, что z - является просто символом, то есть вместо него может быть любой объект: число, шар, кость домино и т.д. В отличие от степенных рядов в анализе формальным степенным рядам не придается числовых значений и, соответственно, нет смысла говорить о сходимости таких рядов для числовых аргументов.

G(z) = g 0 + g 1 z + g 2 z 2 +… + g n z n +… - называется производящей функцией для последовательности . Заметим, однако, что хотя G(z) - функция, это всё таки формальная запись, то есть мы не можем подставить вместо z любое значение z = z 0 , за исключением z = 0, так как G(0) = g 0 .

Затем производя различные преобразования с бесконечной суммой G(z) мы преобразуем её к замкнутому (компактному) виду. То есть у производящей функции есть 2 представления: бесконечное и замкнутое и, как правило, для решения задачи необходимо бесконечный вид преобразовать к замкнутому, а затем замкнутый вид разложить в степенной ряд, и тем самым получить значения для коэффициентов g k .

Отвечая на поставленный вначале вопрос можно сказать так: успех данного метода связан с возможностью записать производящую функцию в замкнутом виде. Так, например, производящая функция для последовательности <1, 1, 1, ..., 1> в бесконечном виде представляется как 1 + x + x 2 + x 3 + ..., а в замкнутом .

А теперь вооружившись знаниями, вернемся к задаче, которую решал Эйлер.

Итак, задача звучит следующим образом: какие грузы можно взвесить с помощью гирь в 2 0 , 2 1 , 2 2 ,..., 2 n грамм и сколькими способам?

Я не знаю, как долго Эйлер придумывал решение для этой задачи, но оно поражает своей неожиданностью. Посудите сами. Эйлер рассматривает произведение G(z) = (1+z)(1+z 2)(1+z 4)… которое после раскрытия скобок представляется в виде бесконечного ряда G(z) = 1 + g 1 z + g 2 z 2 + g 3 z 3 +….

Что же из себя представляют коэффициенты g k ? Каждый g k - это коэффициент при z k , а z k - получается как произведение каких-то одночленов z 2m , то есть g k - это в точности число разных представлений числа k в виде суммы некоторых из чисел 1, 2, 2 2 , 2 3 ,..., 2 m ,…. Другими словами g k - это число способов взвешивания груза в k грамм заданными гирями. Как раз то, что мы искали!

Следующий шаг Эйлера поражает не менее предыдущего. Он умножает обе части равенства на (1-z).

(1-z)G(z) = (1-z)(1+z)(1+z 2)(1+z 4)(1+z 8)…
(1-z)G(z) = (1-z2)(1+z 2)(1+z 4)(1+z 8)…
(1-z)G(z) = (1-z 4)(1+z 4)(1+z 8)…
(1-z)G(z) = 1

С одной стороны G(z) = 1 + g 1 z + g 2 z 2 + g 3 z 3 +… с другой стороны мы только что получили . Последнее равенство есть не что иное, как сумма геометрической прогрессии, которая равна . Сопоставляя эти два равенства, получаем g 1 = g 2 = g 3 =… = 1, то есть любой груз в k грамм можно взвесить гирями в 1, 2, 4, 8,… грамм притом единственным способом.

Решение рекуррентных соотношений

Производящие функции подходят для решения не только комбинаторных задач. Оказывается, с их помощью можно решать рекуррентные соотношения.

Начнем со всеми знакомой последовательностью чисел Фибоначчи. Каждый из нас знает её рекуррентный вид: F 0 = 0, F 1 = 1, F n = F n-1 + F n-2 , n ≥ 2. Однако не каждый знает вид этой формулы в замкнутом виде и это не удивительно, ведь она содержит иррациональное число(«золотое сечение») в своём составе.

Итак, имеем

F 0 = 0,
F 1 = 1,
F n = F n-1 + F n-2 , n ≥ 2

Умножим каждую строчку на z 0 , z 1 , ..., z n соответственно:

Z 0 ⋅ F 0 = 0,
z 1 ⋅ F 1 = z,
z n ⋅ F n = z n ⋅ F n-1 + z n ⋅ F n-2 , n ≥ 2

Просуммируем эти равенства:

Обозначим левую часть

Рассмотрим каждое из слагаемых в правой части:

Имеем следующее уравнение G(z) = z + z G(z) + z 2 G(z) решая которое относительно G(z) находим

Производящая функция для последовательности чисел Фибоначчи.

Разложим её на сумму простейших дробей, для этого найдем корни уравнения . Решая это простое квадратное уравнение, получаем: . Тогда нашу производящую функцию можно разложить следующим образом:

Следующим шагом является нахождение коэффициентов a и b. Для этого умножим дроби на общий знаменатель:

Подставляя в это уравнение значение z = z 1 и z = z 2 , находим

Напоследок немного преобразуем выражение для производящей функции

Теперь каждая из дробей представляет собой сумму геометрической прогрессии.

По формуле находим

Но ведь мы искали G(z) в виде . Отсюда делаем вывод, что

Эту формулу можно переписать в другом виде не используя «золотое сечение»:

Что достаточно трудно было ожидать, учитывая красивое рекуррентное уравнение.

Давайте запишем общий алгоритм решения рекуррентных уравнений, используя производящие функции. Он записывается в 4 шага:

Причина, по которой данный метод работает, заключается в том, что единая функция G(z) представляет всю последовательность g n и это представление допускает многие преобразования.

Прежде чем переходить к следующему примеру, рассмотрим 2 операции, совершаемые над производящими функциями, которые часто оказываются полезными.

Дифференцирование и интегрирование производящих функций

Для производящих функций обычное определение производной можно записать следующим образом.

Пусть G = G(z) – производящая функция. Производной этой функции называется функция . Дифференцирование, очевидно, линейная операция, поэтому для того, чтобы понять, как оно действует на производящих функциях, достаточно посмотреть на его действие, на степенях переменной. Имеем

Тем самым, действие дифференцирования на произвольной производящей функции
G (z) = g 0 + g 1 z + g 2 z 2 + g 3 z 3 +… дает G΄(z) = g 1 + 2g 2 z + 3g 3 z 2 + 4g 4 z 3 +….

Интегралом называется функция

Операция дифференцирования обратна операции интегрирования:

Операция же интегрирования производной приводит к функции с нулевым свободным членом, и поэтому результат, отличается от исходной функции,

Нетрудно заметить, что для функций, представимых в виде степенных рядов, формула для производной соответствует обычной. Формула для интеграла соответствует значению интеграла с переменным верхним пределом

Используя только что полученные знания о дифференцировании и интегрировании производящих функций, попробуем решить следующее рекуррентное уравнение:

G 0 = 1,
g 1 = 1,
g n = g n-1 + 2g n-2 + (-1) n

Будем следовать вышеописанному алгоритму. Первое условие алгоритма выполнено. Умножим обе части всех равенств на z в соответствующей степени и просуммируем:

Z 0 ⋅ g 0 = 1,
z 1 ⋅ g 1 = z,
z n ⋅ g n = z n ⋅ g n-1 + 2z n ⋅ g n-2 + (-1) n ⋅ z n

Левая часть представляет собой производящую функцию в бесконечном виде.

Попытаемся выразить правую часть через G(z). Рассмотрим каждое слагаемое:

Составляем уравнение:

Это и есть производящая функция для заданного рекуррентного уравнения. Раскладывая её на простейшие дроби (например, методом неопределенных коэффициентов или методом подстановки различных значений z), получаем:

Второе и третье слагаемые легко раскладываются в степенной ряд, а вот с первым придется чуть повозиться. Используя правило дифференцирования производящих функций имеем:

Собственно всё. Раскладываем каждое слагаемое в степенной ряд и получаем ответ:

С одной стороны мы искали G(z) в виде , с другой стороны .

Значит, .

Вместо заключения

Производящие функции нашли большое применение в математике, поскольку являются мощным оружием при решении многих практических задач, связанных, например, с перечислением, распределением и разбиением множеств объектов различной природы. Кроме того применение производящих функций позволяет доказать некоторые комбинаторные формулы, которые иначе получить очень трудно. Например, разложение функции

в степенной ряд имеет вид , то есть справедливо равенство:

Возводя в квадрат обе части этого равенства получим

Приравнивая коэффициенты при x n в левой и правой частях, получаем

Эта формула имеет прозрачный комбинаторный смысл, но доказать её непросто. Еще в 80-е годы XX века появились публикации, посвященный этому вопросу.

Введение

История возникновения производящих функций

Метод производящих функций

Если n=1, то очевидно имеется 2 способа - взять либо белый шар ○, либо взять чёрный шар ●, таким образом, T 2 = 2.

Если n=2, то имеется 4 способа расположений: ○○, ○●, ●○, ●●.

«Просуммируем» все возможные комбинации расположений шаров:

G = Ø + ○ + ● + ○○ + ○● + ●○ + ●● + ○○○ + ○○● + ○●○ + ○●● + ●○○ + ●○● + ●●○ + ●●● +…

Производя с рядом G последовательность манипуляций, а именно вынося за скобки левый белый и чёрный шары

G = Ø + ○ (Ø + ○ + ● + ○○ + ○● + ●○ + ●● + ...) + ● (Ø + ○ + ● + ○○ + ○● + ●○ + ●● + ...) = Ø + ○G +●G

Получим уравнение G = Ø + ○G +●G.

Учитывая формулу суммы геометрической прогрессии , имеем

Обсуждение метода

Так что же позволяет данному методу быть работоспособным при решении различных задач?

А теперь вооружившись знаниями, вернемся к задаче, которую решал Эйлер.

Следующий шаг Эйлера поражает не менее предыдущего. Он умножает обе части равенства на (1-z).

(1-z)G(z) = (1-z)(1+z)(1+z 2)(1+z 4)(1+z 8)…
(1-z)G(z) = (1-z2)(1+z 2)(1+z 4)(1+z 8)…
(1-z)G(z) = (1-z 4)(1+z 4)(1+z 8)…
(1-z)G(z) = 1

Решение рекуррентных соотношений

Итак, имеем

F 0 = 0,
F 1 = 1,
F n = F n-1 + F n-2 , n ≥ 2

Умножим каждую строчку на z 0 , z 1 , ..., z n соответственно:

Z 0 ⋅ F 0 = 0,
z 1 ⋅ F 1 = z,
z n ⋅ F n = z n ⋅ F n-1 + z n ⋅ F n-2 , n ≥ 2

Просуммируем эти равенства:

Обозначим левую часть

Рассмотрим каждое из слагаемых в правой части:

Имеем следующее уравнение G(z) = z + z G(z) + z 2 G(z) решая которое относительно G(z) находим

Производящая функция для последовательности чисел Фибоначчи.

Следующим шагом является нахождение коэффициентов a и b. Для этого умножим дроби на общий знаменатель:

Подставляя в это уравнение значение z = z 1 и z = z 2 , находим

Напоследок немного преобразуем выражение для производящей функции

Теперь каждая из дробей представляет собой сумму геометрической прогрессии.

По формуле находим

Но ведь мы искали G(z) в виде . Отсюда делаем вывод, что

Эту формулу можно переписать в другом виде не используя «золотое сечение»:

Что достаточно трудно было ожидать, учитывая красивое рекуррентное уравнение.

Дифференцирование и интегрирование производящих функций

Для производящих функций обычное определение производной можно записать следующим образом.

Интегралом называется функция

Операция дифференцирования обратна операции интегрирования:

G 0 = 1,
g 1 = 1,
g n = g n-1 + 2g n-2 + (-1) n

Z 0 ⋅ g 0 = 1,
z 1 ⋅ g 1 = z,
z n ⋅ g n = z n ⋅ g n-1 + 2z n ⋅ g n-2 + (-1) n ⋅ z n

Левая часть представляет собой производящую функцию в бесконечном виде.

Попытаемся выразить правую часть через G(z). Рассмотрим каждое слагаемое:

Составляем уравнение:

Собственно всё. Раскладываем каждое слагаемое в степенной ряд и получаем ответ:

С одной стороны мы искали G(z) в виде , с другой стороны .

Значит, .

Вместо заключения

в степенной ряд имеет вид , то есть справедливо равенство:

Возводя в квадрат обе части этого равенства получим

Приравнивая коэффициенты при x n в левой и правой частях, получаем

Числа Фибоначчи.

При решении многих комбинаторных задач применяют метод сведения данной задачи к задаче касающегося меньшего числа элементов. К примеру, можно вывести формулу для числа перестановок:

Отсюда видно, что всегда может быть сведён к факториалу от меньшего числа.

Хорошей иллюстрацией к построению рекуррентных соотношений является задача Фибоначчи. В своей книге в 1202 ᴦ. итальянский математик Фибоначчи привел следующую задачу. Пара кроликов приносит приплод раз в месяц двух крольчат (самку и самца), причём новорождённые крольчата через два месяца после рождения сами приносят приплод. Сколько кроликов появится через год, если в начале была одна пара кроликов.

Из условия задачи следует, что через месяц будет две пары кроликов, через два месяца приплод даст только первая пара кроликов, появившихся два месяца назад, в связи с этим всего будет 3 пары кроликов. Ещё через месяц будет уже 5 пар. И так далее.

Обозначим через количество пар кроликов по истечении месяцев с начала года. Тогда через месяц количество пар кроликов можно найти по формуле:

Эта зависимость принято называть рекуррентным соотношением . Слово «рекурсия» означает возврат назад (в нашем случае – возврат к предыдущим результатам).

По условию, и , тогда по соотношению имеем: , , и т.д., .

Определение 1: Числа называются числами Фибоначчи . Это – известная в математике последовательность чисел:

1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, ...

В этой последовательности каждое последующее число является суммой двух предыдущих чисел. И в рекуррентном соотношении также последующий член находится как сумма двух предыдущих членов.

Установим связь между числами Фибоначчи и комбинаторной задачей. Пусть требуется найти число - последовательностей, состоящих из нулей и единиц, в которых никакие две единицы не стоят подряд.

Возьмем любую такую последовательность и сопоставим ей пару кроликов по следующему правилу: единицам соответствуют месяцы появления на свет одной из пар «предков» данной пары (включая и исходную), а нулями – все остальные месяцы. К примеру, последовательность устанавливает такую «генеалогию» – сама пара появилась в конце 11-го месяца, ее родители в конце 7-го месяца, «дед» – в конце 5-го месяца, и «прадед» в конце 2-го месяца. Первоначальная пара шифруется последовательностью . Ни в одной последовательности две единицы не могут стоять подряд – только что появившаяся пара не может принести приплод через месяц. Очевидно, различным последовательностям отвечают различные пары и обратно.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, число последовательностей с указанными свойствами, равно .

Теорема 1: Число находится как сумма биномиальных коэффициентов:. В случае если – нечетно, то . В случае если – четно, то . Иначе: – целая часть числа .

Доказательство: В самом деле, - число всех последовательностей из 0 и 1, в которых никакие две единицы не стоят рядом. Число таких последовательностей, содержащих ровно единиц и нулей, равно , при этом , тогда изменяется от 0 до . Применяя правило суммы, получаем данную сумму.

Это равенство можно доказать иначе. Обозначим:

Из равенства , следует, что . Кроме этого, ясно, что и . Так как обе последовательности и удовлетворяют рекуррентному соотношению , то , и .

Определение 2: Рекуррентное соотношение имеет порядок , если оно позволяет вычислять через предыдущих членов последовательности: .

К примеру, – рекуррентное соотношение второго порядка, а рекуррентное соотношение 3-го порядка. Соотношение Фибоначчи является соотношением второго порядка.

Определение 3:Решением рекуррентного соотношения является последовательность, удовлетворяющая этому соотношению.

В случае если задано рекуррентное соотношение ‑ го порядка, то ему удовлетворяют бесконечно много последовательностей, т.к. первые элементов можно задать произвольно. Но если первые элементов заданы, то остальные члены определяются однозначно.

К примеру, соотношению Фибоначчи кроме рассмотренной выше последовательности 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, ..., могут удовлетворять также и другие последовательности. К примеру, последовательность 2, 2, 4, 8, 12,... строится по тому же принципу. Но если задать начальные члены (их в последовательности Фибоначчи - 2), то решение определяется однозначно. Начальных членов берут столько, каков порядок соотношения.

По известным рекуррентным соотношениям и начальным членам можно выписывать члены последовательности один за другим и таким путем мы можем получить любой её член. Но во многих случаях, нам не нужны все предыдущие члены, а необходим один определенный член. В этом случае удобнее иметь формулу ‑ го члена последовательности.

Мы будем говорить, что некоторая последовательность является решением данного рекуррентного соотношения, если при подстановке этой последовательности соотношение тождественно выполняется.

К примеру, последовательность является одним из решений соотношения: . Это легко проверить обычной подстановкой.

Определение 4: Решение рекуррентного соотношения ‑ го порядка принято называть общим , если оно зависит от произвольных постоянных , меняя которые, можно получить любое решение данного соотношения.

К примеру, для соотношения общим решение будет .

В самом деле, легко проверяется, что оно будет решением нашего соотношения. Покажем, что любое решение можно получить в таком виде. Пусть и – произвольны.

Тогда найдутся такие и , что

Очевидно, для любых , система уравнений имеет единственное решение.

Определение 5: Рекуррентное соотношение принято называть линейным , если оно записывается в виде:

где - числовые коэффициенты.

Для решения произвольных рекуррентных соотношений общих правил, вообще говоря, нет. При этом для решения линейных рекуррентных соотношений есть общие правила решения.

Рассмотрим сначала соотношение 2-го порядка .

Решение этого соотношения основано на следующих утверждениях.

Теорема 2: В случае если и - являются решением данного рекуррентного соотношения 2-го порядка, то для любых чисел и последовательность также является решением этого соотношения.

Теорема 3: В случае если число является корнем квадратного уравнения , то последовательность является решением рекуррентного соотношения .

Из теорем 2, 3 вытекает следующее правило решения линейных рекуррентных соотношений 2-го порядка.

Пусть дано рекуррентное соотношение .

1) Составим квадратное уравнение , ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ принято называть характеристическим для данного соотношения. Найдём все корни этого уравнения (даже кратные и комплексные).

2) Составим общее решение рекуррентного соотношения. Его структура зависит от вида корней (одинаковые они или различные).

а) В случае если это соотношение имеет два различных корня и , то общее решение соотношения имеет вид .

Действительно, из теорем 2, 3 следует, что - решение и система уравнений

Имеет единое решение, т.к. при условии .

К примеру, для чисел Фибоначчи, имеем . Характеристическое уравнение имеет вид: . Решая последнее уравнение, получим корни.

Рекуррентное соотношение имеет порядок k , если оно позволяет выразить f(n+k) через f(n), f(n+1), …, f(n+k-1).

Пример.

f(n+2)=f(n)f(n+1)-3f 2 (n+1)+1 – рекуррентное соотношение второго порядка.

f(n+3)=6f(n)f(n+2)+f(n+1) – рекуррентное соотношение третьего порядка.

Если задано рекуррентное соотношение k-го порядка, то ему могут удовлетворять бесконечно много последовательностей, так как первые k элементов последовательности можно задать произвольно – между ними нет никаких соотношений. Но если первые k членов заданы, то все остальные элементы определяются однозначно.

Пользуясь рекуррентным соотношением и начальными членами, можно один за другим выписывать члены последовательности, при этом рано или поздно мы получим любой её член. Однако если необходимо узнать только один определенный член последовательности, то нерационально вычислять все предыдущие. В этом случае удобнее иметь формулу для вычисления n-го члена.

Решением рекуррентного соотношения называется любая последовательность, для которой данное соотношение выполнено тождественно.

Пример . Последовательность 2, 4, 8, …, 2 n является решением для соотношения f(n+2)=3∙f(n+1) – 2∙f(n).

Доказательство . Общий член последовательности имеет вид f(n)=2 n . Значит, f(n+2)= 2 n+2, f(n+1)= 2n+1 . При любом n имеет место тождество 2 n+2 =3∙2 n+1 – 2∙2 n . Следовательно, при подстановке последовательности 2 n в формулу f(n+2)=3f(n+1) – 2f(n) соотношение выполняется тождественно. Значит, 2 n является решением указанного соотношения.

Решение рекуррентного соотношения k-го порядка называется общим , если оно зависит от k произвольных постоянных α 1 , α 2 , … α k и путем подбора этих постоянных можно получить любое решение данного соотношения.

Пример . Дано рекуррентное соотношение: f(n+2)=5f(n+1)-6f(n). Докажем, что его общее решение имеет вид: f(n)= α 2 n + β3 n .

1. Сначала докажем, что последовательность f(n)=α 2 n + β3 n является решением рекуррентного соотношения. Подставим данную последовательность в рекуррентное соотношение.

f(n)= α 2 n + β 3 n , значит, f(n+1)= (α 2 n+1 + β 3 n +1), f(n+2)= α 2 n+2 + β 3 n +2 , тогда

5f(n+1)-6f(n)=5∙(α 2 n+1 + β 3 n +1)-6∙(α 2 n + β 3 n)= α (5 2 n+1 –6 2 n)+ β (5 3 n +1 –6 3 n)= =α2 n ∙(10–6)+ β 3 n ∙(15 – 6)= α 2 n+2 + β 3 n +2 = f(n+2).

Рекуррентное соотношение выполняется, следовательно, α 2 n + β 3 n является решением данного рекуррентного соотношения.

2. Докажем, что любое решение соотношения f(n+2)=5f(n+1)–6f(n) можно записать в виде f(n)= α 2 n + β 3 n . Но любое решение рекуррентного соотношения второго порядка однозначно определяется значениями первых двух членов последовательности. Поэтому достаточно показать, что для любых а=f(1) и b=f(2) найдутся α и β такие, что 2 α +3 β =а и 4 α +9 β =b. Легко видеть, что система уравнений имеет решение для любых значений а и b.

Таким образом, f(n)= α 2 n + β 3 n является общим решением рекуррентного соотношения f(n+2)=5f(n+1)–6f(n).

Линейные рекуррентные соотношения с постоянными коэффициентами

Для решения рекуррентных соотношений общих правил нет, но существует часто встречающийся класс рекуррентных соотношений, для которых известен алгоритм их решения. Это – линейные рекуррентные соотношения с постоянными коэффициентами, т.е. соотношения вида:

f(n+k)=c 1 f(n+k-1)+c 2 f(n+k-2)+…+c k f(n).

Найдем решение общего линейного рекуррентного соотношения с постоянными коэффициентами первого порядка.

Линейное рекуррентное соотношение с постоянными коэффициентами первого порядка имеет вид: f(n+1)=c f(n).

Пусть f(1)=а, тогда f(2)=c∙f(1)=c∙a, f(3)=c∙f(2)=c 2 ∙a, аналогично f(4)=c 3 ∙a и так далее, заметим, что f(n)=c n -1 ∙f(1).

Докажем, что последовательность c n -1 ∙f(1) является решением рекуррентного соотношения первого порядка. f(n)=c n -1 ∙f(1), значит, f(n+1)=c n f(1). Подставляя это выражение в соотношение, получим тождество c n f(1)=с∙ c n -1 ∙f(1).

Рассмотрим теперь подробнее линейные рекуррентные соотношения с постоянными коэффициентами второго порядка , то есть соотношения вида

f(n+2)=C 1 ∙f(n+1)+C 2 ∙f(n). (*).

Заметим, что все рассуждения сохраняются и для соотношений более высокого порядка.

Свойства решений :

1) Если последовательность x n является решением (*), то и последовательность a∙x n тоже является решением.

Доказательство.

x n является решением (*), следовательно, выполняется тождество x n +2 =C 1 x n +1 +C 2 x n . Домножим обе части равенства на a. Получим a∙x n +2 =a∙(С 1 ∙x n +1 +С 2 ∙x n)= С 1 ∙a∙x n +1 +С 2 ∙a∙x n . Это означает, что ax n является решением (*).

2) Если последовательности x n и y n являются решениями (*), то и последовательность x n +y n тоже является решением.

Доказательство.

x n и y n являются решениями, следовательно, выполняются следующие тождества:

x n +2 =C 1 x n +1 +C 2 x n .

y n +2 =C 1 y n +1 +C 2 y n .

Выполним почленное сложение двух равенств:

x n +2 +y n +2 =С 1 ∙x n +1 +С 2 ∙x n + С 1 ∙y n +1 +С 2 ∙y n = С 1 ∙(x n +1 + y n +1)+С 2 ∙(x n +y n). Это означает, что x n +y n является решением (*).

3) Если r 1 является решением квадратного уравнения r 2 =С 1 r+С 2 , то последовательность (r 1) n является решением для соотношения (*).

r 1 является решением квадратного уравнения r 2 =С 1 r+С 2 , значит, (r 1) 2 =C 1 r 1 +C 2 . Помножим обе части равенства на (r 1) n . Получим

r 1 2 r 1 n =(С 1 r 1 +С 2) r n .

r 1 n +2 =С 1 r 1 n +1 +С 2 r 1 n .

Это означает, что последовательность (r 1) n является решением (*).

Из этих свойств вытекает способ решения линейных рекуррентных соотношений с постоянными коэффициентами второго порядка:

1. Составим характеристическое (квадратное) уравнение r 2 =С 1 r+С 2 . Найдём его корни r 1, r 2. Если корни различны, то общее решение имеет вид f(n)= ar 1 n +βr 2 n .

2. Найдём коэффициенты a и β. Пусть f(0)=a, f(1)=b. Система уравнений

имеет решение при любых а и b. Этими решениями являются

Задача. Найдем формулу для общего члена последовательности Фибоначчи.

Решение. Характеристическое уравнение имеет вид х 2 =х+1 или х 2 -х-1=0, его корнями являются числа , значит, общее решение имеет вид f(n)= . Как нетрудно видеть, из начальных условий f(0)=0, f(1)=1 вытекает, что a=-b=1/Ö5, и, следовательно, общее решение последовательности Фибоначчи имеет вид:

Что удивительно, это выражение при всех натуральных значениях n принимает целые значения.

Общим решением рекуррентного соотношения (1) называется множество всех последовательностей, удовлетворяющих этому соотношению.

Частным решением соотношения (1) называется одна из последовательностей, удовлетворяющих этому соотношению.

Пример 1¢. Последовательность a n =a 0 +nd a n =a n - 1 +d . Это – формула общего члена арифметической прогрессии с разностью d и с начальным членом прогрессии a 0 .

Пример 2¢. Последовательность b n =b 0 ×q n является общим решением соотношения b n =b n - 1 ×q . Это – формула общего члена геометрической прогрессии со знаменателем q ¹0 и с начальным членом прогрессии b 0 .

Пример 3¢. Так называемая формула Бине j n =является частным решением соотношения j n =j n - 2 +j n - 1 при j 0 =j 1 =1.

3. Линейные рекуррентные соотношения. Соотношение вида

a n + k +p 1 a n + k - 1 +…+p k a n =h (n ) (2)

где h (n ) – функция от числа , а , называется линейным рекуррентным соотношением .

Линейное рекуррентное соотношение называют однородным , если f (n )=0:

a n + k +p 1 a n + k - 1 +…+p k a n =0. (3)

Многочлен x k +p 1 x k - 1 +…+p k - 1 x +p k называется характеристическим для соотношения (2).

простым , если делится на , но не делится на .

Корень a многочлена называется кратным , если делится на , но не делится на , .

При этом число называется кратностью корня .

Основная теорема алгебры: многочлен степени с комплексными коэффициентами имеет комплексных корней с учетом их кратности.

Теорема 1 n простых корней a 1 , …, a n

, (4)

где c 1 ,…,c k ÎC .

Доказательство . Легко проверить следующие два утверждения.

(a ) Последовательность cx n , где c ÎC , является решением рекуррентного соотношения (3).

(b ) Если последовательности a n и b n являются решениями соотношения (3), то последовательность a n +b n также является решением соотношения (3).

Из (a ) и (b ) следует, что любая последовательность вида (4) является решением соотношения (3).

Обратно, любое решение соотношения (3) имеет вид (4).

При n =0,1,…,k -1, из равенства (4) мы получим систему линейных уравнений относительно c 1 ,…,c k :

(5)

Определитель системы (5) есть известный в алгебре определитель Вандермонда:

Так как простые корни x 1 ,…,x k попарно различные, то D¹0. Значит, система (5) имеет (единственное) решение.

Задача 1. Найти общий член геометрической прогрессии по формуле (4).

Решение b n =qb n - 1 имеет вид . Поэтому .

Задача 2. Найти общее решение соотношения Фибоначчи a n + 2 =a n +a n + 1 .

Решение . Характеристический многочлен рекуррентного соотношения a n + 2 =a n +a n + 1 имеет вид . Поэтому .

Приведем без доказательства следующее обобщение теоремы 1.

Теорема 2 . Пусть характеристический многочлен однородного линейного рекуррентного соотношения (3) имеет k корней: a 1 кратности , …, a k кратности , , . Тогда общее решение рекуррентного соотношения (3) имеет следующий вид:

Задача 3. Найти общее решение соотношения .

Решение. Характеристический многочлен имеет корень 2 кратности 3. Поэтому .

Замечание . Общее решение неоднородного линейного соотношения (2) можно найти как сумму общего решения однородного линейного соотношения (3) и частного решения неоднородного линейного соотношения (2).

4. Производящие функции. Формальный ряд a 0 +a 1 x +a 2 x 2 +…+a k x k +… называется производящей функцией последовательности a 0 ,a 1 ,a 2 ,…,a k ,…

Производящая функция является или сходящимся рядом, или расходящимся рядом. Два расходящихся ряда могут быть равны как функции, но быть производящимися функциями различных последовательностей. Например, ряды 1+2x +2 2 x 2 +…+2 k x k +… и 1+3x +3 2 x 2 +…+3 k x k +… определяют одну и ту же функцию (равную 1 в точке x =1, неопределенную в точках x >1), но являются производящими функциями различных последовательностей.

Свойства производящих функций последовательностей:

сумма (разность) производящих функций последовательностей a n и b n равна производящей функции сумме (разности) последовательностей a n +b n ;

произведение производящих функций последовательностей a n и b n является производящей функцией свёртки последовательностей a n и b n :

c n =a 0 b n +a 1 b n - 1 +…+a n - 1 b 1 +a n b 0 .

Пример 1. Функция является производящей для последовательности