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Fibonaccik序列通项公式的矩阵证明方法.doc
Fibonacci-k序列通项公式的矩阵证明方法
刘耀斌
(曲阜师范大学数学科学学院,山东曲阜 273165)
(山东省德州学院数学系,山东德州 253023)
摘要:给出了Fibonacci序列的一类推广,称之为Fibonacci-k序列,利用Fibonacci-k序列的递推关系,构造了Fibonacci-k相伴矩阵,借助于多项式理论和矩阵的对角化理论,证明了第个Fibonacci-k数可以用的个特征值进行表示.
关键词:Fibonacci-k序列;相伴矩阵;特征值;矩阵对角化
中图分类号:O151 文献标示码:A
1 引言
Fibonacci序列源于中世纪意大利数学家Fibonacci提出的著名的兔子生殖问题,用现在的数学语言表示,Fibonacci序列就是满足以下具有初值的递推关系的数列:
(1)
和初值条件 (2)
即下面的数列,其中任意一个数 称为Fibonacci数.我们也称Fibonacci序列为经典Fibonacci序列.
文献[1]给出了Fibonacci序列的通项公式及许多性质,Fibonacci序列有很多推广形式,文献[2][4]中分别给出了一种推广,本文给出Fibonacci序列其中一种推广,我们称之为Fibonacci-k序列,并给出 Fibonacci-k序列通项公式的矩阵证明方法.
2 Fibonacci-k序列的定义及符号说明
定义1 对于任一给定的正整数,Fibonacci-k序列定义为:
收稿日期:
作者简介:刘耀斌(1968-),男,山东德州人,在读硕士,讲师,主要从事代数学方面的研究
(3)
(4)
我们称是第n个Fibonacci-k数.显然根据定义可以知道,从开始,第n个Fibonacci-k数是其前面相邻个数的和.
当时,Fibonacci-2序列就是经典的Fibonacci序列.
当时,Fibonacci-3序列为:
于是为:
对于任意的,基本序列关系(4)可以用下列矩阵形式给出:
(5)
其中 (6)
对于任意一个Fibonacci-k序列都对应着一个上述形式的阶矩阵.
定义2 形如(6)的矩阵称为Fibonacci-k相伴矩阵.
对于Fibonacci-k相伴矩阵,显然有
因此,任意一个Fibonacci-k相伴矩阵都是可逆矩阵.
由(4),(5),通过递推可以得到:
(7)
对于下面使用的一些符号做一说明:表示数域F上 矩阵的集合,表示矩阵的逆矩阵,表示单位矩阵,表示主对角线元素分别为的对角矩阵,表示矩阵的行列式.
3 Fibonacci-k序列通项公式的矩阵证明
文献[2]给出了Fibonacci-k相伴矩阵的特征值的性质以及相邻的个Fibonacci-k数之间的关系,在本文中,我们利用矩阵的对角化理论推导Fibonacci-k序列的通项公式,也就是给出第个Fibonacci-k数与的特征值之间的关系.
定义3 设,若存在可逆的矩阵,使得为对角矩阵,则称矩阵可对角化.
引理1[5] 设,可对角化的充要条件是有个线性无关的特征向量.
引理2[5] 设,对应于不同特征值的特征向量是线性无关的.
引理3[5] 行列式
(8)
定理1 Fibonacci-k相伴矩阵有个不同的特征值.
证明:对于Fibonacci-k相伴矩阵,其特征多项式为如下次多项式:
(9)
因此要证明有个不同的特征值,即证明没有重根.
令
且是的根而不是的根,因此只需要证明 没有重根即可.为此我们证明与互素,即证与没有公共根.
因为
所以只有两个有理根(重根)与(单根),而的有理根只可能是,当时,,因此与都不是的根,也就是与没有公共根,所以与互素,没有重根,故没有重根,因此Fibonacci-k相伴矩阵有个不同的特征值.
根据矩阵的对角化理论,由定理1我们可知Fibonacci-k相伴矩阵可以对角化.
定理2 令是Fibonacci-k相伴矩阵的个互不相同的特征值,
设 (),令,则一定可逆,且有
. (10)
证明: 对于的任一特征值都满足,于是有
也就是是对应于特征值的特征向量(),又互不相同,由引理2可知线性无关,亦即矩阵可逆,再由引理1,矩阵一定可以对角化,即
定理得证.
由定理2,又可得到,对于任意的正整数,有
,
即
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