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算法分析的数学基础 生成函数(母函数) 在进行计数分析时,常常会遇到递推方程,形如: an=cn-1*an-1+cn-2*an-2+…+cr*ar (cr≠0) 求解时往往使用生成函数的方法。 e.g. Fibonacci数列:满足关系an=an-1+an-2(该类数有很多好的性质) 普通与指数生成函数的定义: 设{a0,a1,a2,…,an,…}是某一数域 (e.g. 有理数,实数,复数)上的数的序列, {μ0(x), μ1(x), μ2(x), … ,μn(x), …} 是同一数域上相互独立的函数序列,则函数 F(x)=a0μ0(x)+ a1μ1(x)+ a2μ2(x)+ … + anμn(x)+ … 称为是序列{ a0,a1,…,a2,…}的普通生成函数(普母函数), G(x)= a0μ0 (x)/0! +a1μ1 (x)/1! +a2μ2 (x)/2! + … +anμn (x)/n! + … 称为是序列{a0,a1,…,a2,…}的指数生成函数(指母函数), (形状类似于ex的展开形式) 相互独立(independent)的函数序列: 设{μ0(x), μ1(x), μ2(x), … ,μn(x), …}是某一数域上的函数序列, (x的值以及μk(x)(k=0,1,2, …)的值都在同一个数域中) 任取μk(x)(k=0,1,2, …),不存在数域中的数(1,(2,…,(p, 使得μk (x) = (1μi1(x) + (2μi2 (x) + … + (pμip (x) , 即任何一个函数项μk(x)不能被其它函数项线性表出。 e.g. {1,x,x2,x3,…,xn,…}是相互独立的, 而{1,1+x,1-x,1+x2,1-x2,…}不是相互独立的, ∵1=1/2((1+x)+(1-x))。 如使用第二个函数序列来构造普通生成函数, 则序列{1,0,0,0, …}和{0,1/2,1/2,0, …}所对应的普通生成函数是相同的,序列与其生成函数之间没有1-1对应关系。 ∴函数序列的相互独立性保证了序列与其生成函数之间的1-1对应。 生成函数的函数序列大多用{1,x,x2,x3,…,xn,…}, 在得到一个数列的生成函数之后, 幂级数展开后xn前的系数就是数列的通项an。 普通生成函数的两种主要应用: 1.排列组合类问题 2.递归方程求解 排列组合类问题 e.g. (1+x)n=+x+x2+…+xn 是序列{,,…,}的普通生成函数。 令x=-1,代入得++ +…=+++… 。 即从n个不同的物体中选取偶数个物体的方法数等于 从n个不同的物体中选取奇数个物体的方法数。 其它应用可参看组合数学/组合分析教材。 递归方程求解 e.g. Fibonacci数an=an-1+an-2 a0=1,a1=1(边界条件), 则可以算出序列为{1,1,2,3,5,8,…},an=? 设A(x)=,从2开始对等式an=an-1+an-2两边分别求幂级数, 得=( an-1+an-2),于是有A(x)-a1x-a0=x(A(x)-a0)+x2A(x), 于是可解得:A(x)=1/(1-x- x2)。 将1/(1-x- x2) 幂级数展开之后,xn前的系数就是数列的通项an。 常系数线性递归方程(差分方程): c0an+c1an-1+…+cran-r=f(n) (*) (这里c0*cr≠0) e.g. 3an-5an-1+2an-3=n2+5 线性:所有ai都是一次的。非线性:含有ai2或如aiaj之类的乘积项。 求解(*)方程需要r个连续的边界条件 e.g. Fibonacci方程 r=2,求解该方程需要两个连续的边界条件。 若f(n)≠0,则(*)方程称为非齐次的;若f(n)=0,则称方程是齐次的。 类似于常微分方程,称c0xr+c1xr-1+…+cr=0 (**) 为方程(*)的特征方程。 Th1:若特征方程(**)恰有r个互不相同的特征根(1,(2,…,(r (即i≠j时有(i≠(j),则齐次方程(*)的解为 an = A1 (1n + A2 (2n + … + Ar (rn (齐通解,即齐次方程的通解) (A1~Ar为待定系数,可由r个连续的边界条件唯一确定) (将待定系数作为未知数,根据r个连续的边界条件可得r个方程, 方程的系数矩阵是范德蒙矩阵,其行列式值不为零,故有唯一解) 范德蒙矩阵之例: e.g. an=an-1+an-2,边界条件a0=a1=1,特征方程为x2-x-1=0 两个(特征)根为(1=(1+)/2,(2=(1-)/2,互不相同, ∴an= A1 (1n + A2 (2n。把n=0和n=1的两个边界条件代入, 得2个关于A1, A2的方程,算出

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