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MathPreliminary
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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