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生成函数
生成函数在离散数学中是其中最令人惊讶的、有益的、巧妙的发
明。大体来说, 成函数变换序列问题为函数问题。 这是好的,因
为我们有一堆的数学机械操纵功能。 由于生成函数,我们可以适用
于所有关于序列的机械问题。 这样,我们就可以用 成函数来解决
各种计数问题。 有大量的关于的 成函数的数学,因此我们才只是
品尝一下这门学科的问道而已。
在这个演讲中, 我们都会把序列放在尖括号中来更清楚地区别
于其他许多出现的数学表达式。
1 生成函数
为无穷序列g , g , g , g 的一般生成函数是正式的幂级数:
0 1 2 3
生成函数是一个正式幂级数在某种意义上说,我们通常把x 为一
个占位符而非一个数字。 只有在极少数情况下,我们将令x 是实际
数和实际求值 成函数 因此,我们基本上可以忘却收敛的问题。 并
不是所有的 成函数,是普通的,但只有这些是我们将在这里考虑。
整个讲座中,我们将用双向箭头显示序列和及其 成函数的对应
关系:
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举例来说,这里有一些序列以及其生成函数:
模式很简单: 在序列中的第i 个项(索引从0 )的是在生成函数中的
i
x 的系数。
回忆无限几何级数的和是:
这个方程当|z| 1 的时候不成立,但我们再次表示,不会担心收敛
问题。 这个公式给 了对于整个序列范围的闭形(closed-form)
生成函数。 举例来说:
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2 在生成函数上的操作
生成函数的神奇是,我们可以通过在序列相关的生成函数上进行
数学操作来实现对序列的各种操作。 让我们根据序列实验的各种操
作和刻画它们的影响。
2.1 缩放
以一个常数乘以的 成函数,缩放和序列相关的每一项相同的常
数倍。 举例来说,我们在上文已经指 :
把生成函数乘以2 给
它生成序列:
2 ,0,2 ,0,2 ,0 ,
规则1 (缩放规则) 如果
那么,
生成函数
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证明。
2.2 加法
生成函数加法,相当于一项一项对两个序列做加法。 举例来说,
求和我们早期的两个 成函数,给 :
我们已经现在导 两个不同的表达式,它们都 成序列2 ,0 ,2 ,
0, 。不惊奇,它们是相等的:
规则 2 (求和规则)如果
那 么
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证明:
2.3 右移
让我们再一次从简单序列开始,且它的生成函数是:
现在让我们通过增加 k 个前导0 右移序列
k
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