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L4 生成函數
L4-1 一般生成函數
定義
對數列 a0,a1,a2,…,定義
A(x)=a0+a1x+a2x2+⋯=∑n=0∞anxn
稱 A(x) 為數列 (an) 的 generating function (生成函數)。
Note
- (1+x)n=r=0∑n(rn)xr
- 1+x+x2+⋯=1−x1=n=0∑∞xn
- 為數列 1,1,1,… 的 GF
- 1+x+x2+⋯+xn=1−x1−xn+1
- 為數列 1,1,…,1,0,0,… 的 GF
Note
- (rn)=r!n(n−1)⋯(n−r+1)
- (r−n)=(−1)r(rn+r−1)
- (1+x)−n=r=0∑∞(−1)r(rn+r−1)xr
- (1−x)n1=r=0∑∞(rn+r−1)xr
範例
r 個相同球放至 n 個相異箱子。
-
允許空箱
-
一個箱子的 GF: 1+x+x2+⋯+xr
-
總 GF: Ar(x)=(1+x+⋯+xr)n
-
取 xr 係數: (1−x1)n=k=0∑∞(kn+k−1)xk 計算。
-
方法數: (rn+r−1)
-
不允許空箱
-
一個箱子的 GF: x+x2+⋯+xr
-
總 GF: Br(x)=(x+x2+⋯+xr)n
-
取 xr 係數時: (1−xx)n=xnk=0∑∞(kn+k−1)xk 計算。
-
方法數: (r−nr−1)=(n−1r−1);若 r<n 則為 0
L4-2 整數分割
Note
令 Pn 表示 n 的整數分割數: P0=1,P1=1,P2=2,P3=3,P4=5
Pn 相當於將 n 個相同球放至 n 個相同箱子,允許空箱的方法數。
P(x)=∑n=0∞Pnxn=1−x1⋅1−x21⋅1−x31⋯=∏k=1∞1−xk1
第 k 個因子 1−xk1=1+xk+x2k+⋯,表示整數 k 可出現 0,1,2,… 次;因此 xn 的係數即為 Pn。
- 針對 Pn 僅需要計算前 n 項的相乘之係數
- 奇數分割: Po(x)=1−x1⋅1−x31⋅1−x51⋯
- 偶數分割: Pe(x)=1−x21⋅1−x41⋅1−x61⋯
- 相異分割: Pd(x)=(1+x)(1+x2)(1+x3)⋯
L4-3 指數生成函數
定義
對數列 a0,a1,a2,…,定義
A(x)=∑n=0∞ann!xn
稱 A(x) 為數列 (an) 的 exponential generating function (指數生成函數,EGF)。
Note
- ex=n=0∑∞n!xn=1+1!x+2!x2+3!x3+⋯
- e−x=1−1!x+2!x2−3!x3+⋯
- 1+2!x2+4!x4+⋯=2ex+e−x
- 1!x+3!x3+5!x5+⋯=2ex−e−x
L4-4 求和算子
Note
設 A(x)=∑n=0∞anxn=a0+a1x+a2x2+⋯
令 Sn=a0+a1+⋯+an 為 an 的 partial sum,則
S(x)=1−x1A(x) 為數列 Sn 的 GF
稱 1−x1 為 sum operator。
範例
