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生成函数(母函数)详解

时间:2020-10-30 22:31:33      阅读:47      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

1. 形式幂级数

1. 定义及基础运算

定义 形式幂级数(以下简称幂级数)为一个形如 \(a_0+a_1x+a_2x^2+\cdots\) 形式的表达式。(注意:这里只是形式,不需要在意它表示什么),序列 \(\{a_n\}\) 称之为它的 系数序列。称两个幂级数 相等 当且仅当它们的系数序列相同。

为简便,记 \([x^n]f(x)\) 表示幂级数 \(f\)\(n\) 次项系数。另外,也用 \(f(0)\) 表示 \(f\)\(0\) 次项系数。

我们可以对其做一些运算,例如 加法减法。其定义是:

\[\sum_na_nx^n\pm\sum_nb_nx^n=\sum_n(a_n\pm b_n)x^n \]

幂级数的乘法由卷积来定义,即:

\[\left(\sum_na_nx^n\right)\cdot\left(\sum_nb_nx^n\right)=\sum_n c_nx^n \]

其中

\[c_n=\sum_k a_kb_{n-k} \]

现在你可以验证其满足各种我们所熟知的规律,比如加法交换律、加法结合律、乘法交换/结合律、乘法分配律等等(因此它们构成了一个环)。这些都很简单。

加法交换律:

对于任意两个幂级数 \(f,g\),有 \(f+g=g+f\)

Proof:

\[\begin{aligned}f+g&=\sum_n [x^n]f(x)x^n+\sum_n [x^n]g(x)x^n\\&=\sum_n([x^n]f(x)+[x^n]g(x))x^n\\&=\sum_n([x^n]g(x)+[x^n]f(x))x^n\\&=\sum_n [x^n]g(x)x^n+\sum_n [x^n]f(x)x^n\\&=g+f\end{aligned} \]

加法

2. 生成函数

生成函数(generating function)又称母函数,是处理组合数学问题的一大利器。

它是一种形式幂级数,其每一项的系数可以提供关于这个序列的信息。

生成函数有许多不同的种类,但大多可以表示为单一的形式:

\[f(x)=\sum_{n}a_nk_n(x) \]

其中 \(k_n(x)\) 被称为核函数。不同的核函数会导出不同的生成函数,拥有不同的性质。举个例子:

  • 普通生成函数:\(k_n(x)=x^n\)
  • 指数生成函数:\(k_n(x)=\dfrac{x^n}{n!}\)
  • 狄利克雷生成函数:\(k_n(x)=\dfrac{1}{n^x}\) .

1. 普通生成函数

Refence

生成函数(母函数)详解

原文:https://www.cnblogs.com/CDOI-24374/p/13903991.html

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