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L5 遞迴關係

L5-2 常係數線性遞迴

定義

若數列 (an)(a_n) 滿足 c0an+c1an−1+⋯+ckan−k=f(n)c_0a_n+c_1a_{n-1}+\cdots+c_ka_{n-k}=f(n)

其中 c0,c1,…,ckc_0,c_1,\ldots,c_k 為常數,且 c0≠0c_0\ne0,ck≠0c_k\ne0,則稱為 kk 階常係數線性遞迴關係。

  • 求 ana_n 時,需給定前 kk 項初始值。
  • 當 f(n)=0f(n)=0 時,稱為 homogeneous (齊次) 遞迴關係。
  • 當 f(n)≠0f(n)\ne0 時,稱為 nonhomogeneous (非齊次) 遞迴關係。

齊次解

方法

對齊次遞迴關係,設 an=Aαna_n=A\alpha^n,代入 c0an+c1an−1+⋯+ckan−k=0c_0a_n+c_1a_{n-1}+\cdots+c_ka_{n-k}=0

可得 Aαn−k(c0αk+c1αk−1+⋯+ck)=0A\alpha^{n-k}(c_0\alpha^k+c_1\alpha^{k-1}+\cdots+c_k)=0

因此特徵方程為 c0αk+c1αk−1+⋯+ck=0c_0\alpha^k+c_1\alpha^{k-1}+\cdots+c_k=0
其根的重數總和為 kk。

相異根

若特徵方程有 kk 個相異根 α1,α2,…,αk\alpha_1,\alpha_2,\ldots,\alpha_k,則

an=d1α1n+d2α2n+⋯+dkαkna_n=d_1\alpha_1^n+d_2\alpha_2^n+\cdots+d_k\alpha_k^n

其中 d1,d2,…,dkd_1,d_2,\ldots,d_k 由前 kk 項初始值決定。

重根

若相異根為 α1,α2,…,αr\alpha_1,\alpha_2,\ldots,\alpha_r,且 αi\alpha_i 的重數為 mim_i,則

an=∑i=1r(di,0+di,1n+⋯+di,mi−1nmi−1)αina_n=\sum_{i=1}^{r}\left(d_{i,0}+d_{i,1}n+\cdots+d_{i,m_i-1}n^{m_i-1}\right)\alpha_i^n

其中 m1+m2+⋯+mr=km_1+m_2+\cdots+m_r=k,所有常數由前 kk 項初始值決定。重複 mm 次的根會額外乘上 1,n,…,nm−11,n,\ldots,n^{m-1}。

共軛複根

若特徵方程有一對共軛複根
α1=δ+iω,α2=δ−iω,ω≠0\alpha_1=\delta+i\omega,\quad \alpha_2=\delta-i\omega,\quad \omega\ne0

令 ρ=δ2+ω2\rho=\sqrt{\delta^2+\omega^2},並令 α1=ρeiθ\alpha_1=\rho e^{i\theta}、α2=ρe−iθ\alpha_2=\rho e^{-i\theta}。由 Euler 公式可得實數通解

an=ρn(B1cos⁡(nθ)+B2sin⁡(nθ))a_n=\rho^n\left(B_1\cos(n\theta)+B_2\sin(n\theta)\right)
其中 B1,B2B_1,B_2 由初始值決定。

非齊次解

非齊次遞迴關係的通解為 an=an(h)+an(p)a_n=a_n^{(h)}+a_n^{(p)}

其中 an(h)a_n^{(h)} 為對應齊次遞迴關係的通解,an(p)a_n^{(p)} 為與 f(n)f(n) 有關的一個特解。

多項式

若 f(n)=C0+C1n+⋯+Cmnm,Cm≠0f(n)=C_0+C_1n+\cdots+C_mn^m,\quad C_m\ne0

則可設特解為 an(p)=nr(d0+d1n+⋯+dmnm)a_n^{(p)}=n^r\left(d_0+d_1n+\cdots+d_mn^m\right)

其中 rr 為特徵方程中根 11 的重數;若 11 不是特徵根,則 r=0r=0。將此式代回原遞迴關係,可解出 d0,d1,…,dmd_0,d_1,\ldots,d_m。

  • 指數型式取 α=1\alpha=1 的特例
指數

若 f(n)=(C0+C1n+⋯+Cmnm)αn,Cm≠0f(n)=\left(C_0+C_1n+\cdots+C_mn^m\right)\alpha^n,\quad C_m\ne0

則可設特解為 an(p)=nr(d0+d1n+⋯+dmnm)αna_n^{(p)}=n^r\left(d_0+d_1n+\cdots+d_mn^m\right)\alpha^n

其中 rr 為特徵方程中根 α\alpha 的重數;若 α\alpha 不是特徵根,則 r=0r=0。將此式代回原遞迴關係,可解出 d0,d1,…,dmd_0,d_1,\ldots,d_m。

三角函數

若 f(n)=C1ρncos⁡(nθ)或f(n)=C2ρnsin⁡(nθ)f(n)=C_1\rho^n\cos(n\theta)\quad\text{或}\quad f(n)=C_2\rho^n\sin(n\theta)

則可設特解為 an(p)=nrρn(B1cos⁡(nθ)+B2sin⁡(nθ))a_n^{(p)}=n^r\rho^n\left(B_1\cos(n\theta)+B_2\sin(n\theta)\right)

其中 rr 為特徵方程中 ρeiθ\rho e^{i\theta} 與 ρe−iθ\rho e^{-i\theta} 的重數;若兩者皆非特徵根,則 r=0r=0。

Note

求非齊次解流程:

  1. 求對應齊次遞迴關係的特徵方程根 α\alpha,並判斷相關根的重數 rr。
  2. 依 f(n)f(n) 的型式設特解 an(p)a_n^{(p)},將其代入原遞迴關係,求出特解中的待定係數。
  3. 組合 an=an(h)+an(p)a_n=a_n^{(h)}+a_n^{(p)},再代入前 kk 項初始值,求出齊次解 an(h)a_n^{(h)} 的係數。

L5-4 生成函數法

Note

令數列 (an)(a_n) 的 GF 為 A(x)=a0+a1x+a2x2+⋯=∑n=0∞anxnA(x)=a_0+a_1x+a_2x^2+\cdots=\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n

調整求和下標時,可先以 xx 的冪次配合數列下標做位移。

  • ana_n 型

    • ∑n=1∞anxn=A(x)−a0\sum_{n=1}^{\infty}a_nx^n=A(x)-a_0
    • ∑n=2∞anxn=A(x)−a0−a1x\sum_{n=2}^{\infty}a_nx^n=A(x)-a_0-a_1x
  • an−1a_{n-1} 型

    • ∑n=1∞an−1xn=xA(x)\sum_{n=1}^{\infty}a_{n-1}x^n=xA(x)
    • ∑n=2∞an−1xn=x(A(x)−a0)\sum_{n=2}^{\infty}a_{n-1}x^n=x\left(A(x)-a_0\right)
  • an−2a_{n-2} 型

    • ∑n=2∞an−2xn=x2A(x)\sum_{n=2}^{\infty}a_{n-2}x^n=x^2A(x)
    • ∑n=3∞an−2xn=x2(A(x)−a0)\sum_{n=3}^{\infty}a_{n-2}x^n=x^2\left(A(x)-a_0\right)
範例

L5-5 應用問題

範例

L5-6 特殊型遞迴

定理

設 (an)(a_n)、(bn)(b_n) 為兩數列,定義

cn=(a⊗b)n=∑k=0nakbn−kc_n=(a\otimes b)_n=\sum_{k=0}^{n}a_kb_{n-k}

稱數列 (cn)(c_n) 為 (an)(a_n) 與 (bn)(b_n) 的 convolution (卷積)。

Note

若 (an)(a_n)、(bn)(b_n)、(cn)(c_n) 的 GF 分別為 A(x)A(x)、B(x)B(x)、C(x)C(x),且 cn=(a⊗b)nc_n=(a\otimes b)_n,則 C(x)=A(x)B(x)C(x)=A(x)B(x)

若 cn=(a⊗a)nc_n=(a\otimes a)_n,則 C(x)=A(x)2C(x)=A(x)^2。

Catalan 數

範例

求有 nn 個節點的 binary ordered tree (二元有序樹) 數量。

其數量為第 nn 個 Catalan 數,記為 CnC_n,具有下列兩種表現形式:

C0=1,Cn=∑k=0n−1CkCn−k−1(n≥1)C_0=1,\quad C_n=\sum_{k=0}^{n-1}C_kC_{n-k-1}\quad(n\ge1)

Cn=1n+1(2nn)C_n=\frac{1}{n+1}\binom{2n}{n}

Note

Catalan 數遞迴式的索引平移:

  • 若 a0=1a_0=1,且 an=∑k=0n−1akan−k−1\displaystyle a_n=\sum_{k=0}^{n-1}a_ka_{n-k-1},則 an=Cna_n=C_n。
  • 若 a1=1a_1=1,且 an=∑k=1n−1akan−k\displaystyle a_n=\sum_{k=1}^{n-1}a_ka_{n-k},則 an=Cn−1a_n=C_{n-1}。
  • 若 a2=1a_2=1,且 an=∑k=2n−1akan+1−k\displaystyle a_n=\sum_{k=2}^{n-1}a_ka_{n+1-k},則 an=Cn−2a_n=C_{n-2}。
範例

nn 個變數 x1,x2,…,xnx_1,x_2,\ldots,x_n 的合法括號放置方法數為 Cn−1=1n(2(n−1)n−1)C_{n-1}=\frac{1}{n}\binom{2(n-1)}{n-1}

  • 分變數的時候,左右兩邊至少都要有一數
範例 Note

nn 對括號的合法配對方法數為 Catalan 數 CnC_n。

全部: (2nn)\binom{2n}{n},不合法: (2nn−1)\binom{2n}{n-1}

合法: (2nn)−(2nn−1)=1n+1(2nn)=Cn\binom{2n}{n}-\binom{2n}{n-1}=\frac{1}{n+1}\binom{2n}{n}=C_n