組合數學-Chapter IX: 遞歸方程

Chapter IX: 遞歸方程

和生成函數相似, 遞歸方程也是一種有效的組合計數工具. 下面, 我們對其進行簡要介紹.

[例1] Fibonacci 數列

假設在一個和外界完全隔離的荒島上有一對兔子, 於初始狀態時已經性成熟. 兔子的性成熟耗時爲 22 周, 所有成熟的兔子每一週生一對新兔子, 所有生成的兔子均具有相同的性質. 問: 在第 nn 周時, 島內有多少隻兔子?

[解]

顯然, fn1f_{n-1} 對兔子在第 n1n-1 周已經存在於島上, 但此時 fnf_{n} 對兔子尚未性成熟. 故有:

{f0=f1=1fn+2=fn+1+fn\begin{cases}f_0 = f_1 = 1 \\ f_{n+2} = f_{n+1} + f_{n}\end{cases}
顯然, 這是一個遞歸方程.


[例2]

求長爲 nn 的, 不包含兩個連續的 “11” 作爲子列的 {0,1}\{0,1\}-串 (稱其爲 “好串” ) 的個數.

[解]

fnf_n 爲滿足條件的, 長爲 nn{0,1}\{0,1\}-串的個數. 設 SnS_n 爲其中一個這樣的串, 並記其末元素爲 ana_n.

  1. an=0a_n = 0, 將 ana_nSnS_n 中移除, 即得到一個長爲 n1n-1 的好串. 將 00 連接到這些好串的末尾, 我們即得到一些長爲 nn 的好串.
  2. an=1a_n = 1, 顯然這些串的倒數第二個元素一定爲 00, 因此這些末尾爲 11 的好串必然和長爲 n2n-2 的好串一一對應.
    綜上: 我們再度得到了一個遞推式: fn=fn1+fn2.f_n = f_{n-1} + f_{n-2}.

[注]爲了避免遞推式和實際情況發生衝突, 我們可人爲定義: f0=1,f1=2,f_0 = 1, f_1 =2, 雖然實際情況並非如此.


[例3]

設平面 R2\mathbb{R}^2 上分佈有 nn 條直線, 滿足:

  1. 任何三條直線不過同一點
  2. 任何兩條直線不平行
    則這些滿足上述條件的直線將平面劃分爲多少塊區域?

[解]

dnd_nnn 條直線將平面 R2\mathbb{R}^2 劃分爲的區域的片數. 可以驗證:
d0=1,d1=2,d2=4,d3=7.d_0 = 1, d_1 = 2, d_2 = 4, d_3 = 7.
在向平面上添加直線 lnl_n 時, 由題可知, 新直線和 n1n-1 條直線相交, 而原有的 n1n-1 條直線將 lnl_n 劃分爲 n1n-1 段, 每一段都將一塊原有的區域切割成兩部分. 因此, 我們有:
{dn=dn1+nd0=1,   n1.\begin{cases}d_n = d_{n-1} + n \\ d_0 = 1\end{cases}, ~~~ n\geqslant 1.


在上面的例子中, 我們可以看出最終計數問題均被轉化爲求一個遞推方程 fif_i 的第 ii 項的問題. 一般地, 我們還會需要解方程:
fnfn1fn2=g(x).f_n - f_{n-1} - f_{n-2} = g(x).
下面, 我們對這一情況進行討論, 並給出幾個有助於解決問題的定理和方法.


定義 9.1

b1,b2,,bk,   a0,a2,,ak1b_1, b_2, \cdots, b_k, ~~~a_0, a_2, \cdots, a_{k-1} 爲常數. bk0b_k \neq 0, 並設 f(n)f(n) 爲某個給定函數. 假設序列 {H(n)}n=0\{H(n)\}^{\infty}_{n= 0} 滿足:
(1)  {H(0)=a0     H(k1)=ak1H(n)+b1H(n1)++bnkH(k)=f(n),  nk(1)~~\begin{cases}H(0) = a_0 \\~~~~~ \vdots \\ H(k-1) = a_{k-1} \\ H(n) + b_1H(n-1) + \cdots + b_{n-k}H(k) = f(n), ~~ n\geqslant k\end{cases}
我們稱 {H(a)}n=0\{H(a)\}^{\infty}_{n= 0} 爲一個 常係數線性迴歸序列 , 並稱 (1)(1)常係數線性迴歸方程. 若 f(n)=0f(n) = 0, 則稱序列爲 齊次的 (homogeneous), 否則稱其爲 非齊次的 (nonhomogeneous).


[例4]

求解方程:
()  {fnfn1fn2=0f0=f1=1.(*)~~\begin{cases}f_n - f_{n-1} - f_{n-2} = 0 \\ f_0 = f_1 = 1\end{cases}.

[解]

()(*) 有一個形如 qn,  q0q^{n}, ~~ q\neq 0 的解. 將 fnf_nqnq^{n} 替代, 可得到方程:
qnqn1qn2=qn2(q2q1)=0.q^{n} - q^{n-1} - q^{n-2} = q^{n-2}(q^2 - q -1) = 0.
由方程解得:
q1=1+52,  q2=152.q_1 = \frac{1 + \sqrt{5}}{2}, ~~q_2 = \frac{1 - \sqrt{5}}{2}.
並且可以驗證:
C1q1n+C2q2nC_1\cdot q_1^{n} + C_2\cdot q_2^{n}
也是原方程的解. 代入初值條件得:
C1=151+52,  C2=15152.C_1 = \frac{1}{\sqrt{5}}\cdot \frac{1 + \sqrt{5}}{2}, ~~C_2 = -\frac{1}{\sqrt{5}}\cdot \frac{1 - \sqrt{5}}{2}.
於是可得遞推方程的一般形式:
fn=15(1+52)n+115(152)n+1,  n0.f_n = \frac{1}{\sqrt{5}}\cdot (\frac{1 + \sqrt{5}}{2})^{n+1}-\frac{1}{\sqrt{5}}\cdot (\frac{1 - \sqrt{5}}{2})^{n+1}, ~~ n\geqslant 0.


更爲一般地, 設線性常係數遞歸方程
H(n)+b1H(n1)++bkH(nk)=0  ()H(n) + b_1H(n-1) + \cdots + b_kH(n-k) = 0~~ (**)
有形如 H(m)=qn,  q0H(m) = q^{n}, ~~ q\neq 0 的解, 我們稱:
qk+b1qk1++bk=0  ()q^{k} + b_1q^{k-1} + \cdots + b_{k} = 0 ~~ (***)
爲方程 ()(**)特徵多項式.


定理 9.1

設常係數迴歸方程 ()(**) 存在初值 H(i)=ai,   0ik1H(i) = a_i, ~~~ 0\leqslant i\leqslant k-1. 若它的特徵多項式 ()(***)kk 個不同根, 記爲 q1,q2,,qkq_1, q_2, \cdots, q_k, 則存在唯一的常數 c1,c2,,ckc_1,c_2, \cdots, c_k, 使得 i=1kqik\sum_{i=1}^{k}q_{i}^{k} 爲原方程的解.

[證明]

q1,q2,,qkq_1,q_2,\cdots, q_k()(***)kk 個不同的解. 則對任意常數 c1,c2,,ckc_1,c_2, \cdots, c_k , i=1kqik\sum_{i=1}^{k}q_{i}^{k}()(**) 的解.
n{0,1,,k1}n \in \{0,1,\cdots, k-1\}, 可知
(Q)  {a0=c1+c2++cka1=c1q1+c2q2++ckqk      ak1=c1q1k1+c2q2k1++ckqkk1,   i.e.[111q1q2qkq1k1q2k1qkk1][c1c2ck]=[a0a1ak1].(\mathscr{Q})~~\begin{cases}a_0 = c_1 + c_2 + \cdots + c_k \\ a_1 = c_1q_1 + c_2q_2 + \cdots + c_kq_k \\ \cdots ~~ \cdots ~~ \cdots ~~ \cdots \\ a_{k-1} = c_1q_1^{k-1} + c_2q_2^{k-1} + \cdots + c_{k}q_k^{k-1} \end{cases}, ~~~ i.e. \begin{bmatrix} 1& 1& \cdots & 1 \\ q_1& q_2& \cdots & q_k \\ \vdots & \vdots & &\vdots \\ q_1^{k-1} & q_2^{k-1} & \cdots & q_{k}^{k-1}\end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} c_1 \\c_2\\\vdots\\c_k \end{bmatrix} = \begin{bmatrix}a_0 \\ a_1 \\ \vdots \\ a_{k-1} \end{bmatrix}.
顯見, (Q)(\mathscr{Q}) 存在唯一解, c1,c2,,ckc_1, c_2, \cdots, c_k 均可被唯一確定. \blacksquare


C\mathscr{C} 爲由全部定義在 R\mathbb{R} 上的, 度數不超過 kk 的多項式組成的集合. 可知: C\mathscr{C} 成一個維度爲 k+1k+1 的線性空間.

C={b0+b1k++bknk  biR,0ik,nN{0}}\mathscr{C} = \{b_0 + b_{1}k + \cdots + b_{k}n^{k} ~|~b_i \in \mathbb{R}, 0\leqslant i\leqslant k, n \in \mathbb{N}\cup \{0\} \}, C\mathscr{C} 仍爲一個維度爲 k+1k+1 的線性空間, 其一組基爲 1,n,n2,,nk1,n, n^2, \cdots, n^k.


定理 9.2

qq()(***) 的一個重數爲 kk 的根. 則對任意常數 c0,c1,,ck1c_0,c_1,\cdots, c_{k-1}:
c0q0n+c1nq0n++ck1nk1q0nc_0q_0^{n} + c_1nq_0^{n} + \cdots + c_{k-1}n^{k-1}q_0^{n}
仍爲 ()(**) 的解.

[證明]

P(q)=qn+b1qn1++bkqnkP(q) = q^n + b_1q^{n-1} + \cdots + b_kq^{n-k}, 若 q00q_0 \neq 0 爲方程 P(q)=0P(q) = 0 的一個重數爲 kk 的根; 如此規定: q0q_0 爲方程 P(q)=0P(q) = 0 的第 ii 階導數的根, 0ik10\leqslant i\leqslant k-1:
Pq(i)=n!(ni)!qni+b1(n1)!(ni1)!qni+1++bk(nk)!(nki)!qnkiP_{q}^{(i)} = \frac{n!}{(n-i)!}q^{n-i} + b_1\frac{(n-1)!}{(n-i-1)!}q^{n-i+1} + \cdots + b_k\frac{(n-k)!}{(n-k-i)!}q^{n-k-i}
i.ei.e, 對任意 0ik+1,   n(n1)(ni+1)q0n0\leqslant i\leqslant k+1, ~~~n(n-1)\cdots(n-i+1)q_{0}^{n}()(**) 的一個解.

因爲 ()(**) 是齊次的, 故對任何常數 d1,d2,,dkd_1,d_2,\cdots, d_k:
d1q0n+d2nq0n++dkn(n1)(nk+1)q0nd_1q_0^n + d_2nq_0^n + \cdots + d_kn(n-1)\cdots(n-k+1)q_0^n
也是 ()(**) 的一個解.
nn 爲一個整數 (只是一個符號), 則:
{r0+r1n++rk1nk1    r0,r1,,rk1R}\{r_0 + r_1n + \cdots + r_{k-1}n^{k-1} ~~|~~ r_0, r_1, \cdots, r_{k-1} \in \mathbb{R}\}
爲一個維度爲 kk 的線性空間, 它有一組基: {1,n,,nk1}\{1,n,\cdots, n^{k-1}\}, 且也有一組基: {1,n,,n(n1)(nk+1))}\{1,n,\cdots, n(n-1)\cdots (n-k+1))\}.


定理 9.3

假設 ()(***) 有不同根 q1,q2,,qrq_1,q_2,\cdots, q_r 且它們的重數分別爲 l1,l2,,lrl_1, l_2, \cdots, l_r. 則它的解可被表示爲線性組合:
{q1n,nq1n,,nl11q1nq2n,nq2n,,nl21q2n         qnn,nqnn,,nlr1qnn.\begin{cases}q_1^{n}, & nq_1^{n}, & \cdots, n^{l_{1}-1}q_{1}^{n} \\ q_2^{n}, & nq_2^{n}, & \cdots, n^{l_{2}-1}q_{2}^{n} \\ ~\vdots & ~~~\vdots & ~~~~~\vdots \\ q_n^{n}, & nq_n^{n}, & \cdots, n^{l_{r}-1}q_{n}^{n}\end{cases}.
i=1k(j=1lCijnj1)qn\sum_{i=1}^{k}(\sum_{j=1}^{l}C_{ij}n^{j-1})q^n()(**)通解.


[例5]

{tn}n=0\{t_n\}_{n = 0}^{\infty} 爲長爲 nn{0,1,2}\{0,1,2\}-串, 且它不包含形如 2020 的子串. 求出計算 tnt_n 的公式 (closed form).

[解]

S=a0a1anS = a_0a_1\cdots a_n 爲一個不包含形如 2020 的, 長爲 nn{0,1,2}\{0,1,2\}-串, 稱其爲 “好串”.

  1. an=1a_n = 122, 則 a0a1an1a_0a_1\cdots a_{n-1} 必爲一個長爲 n1n-1 的好串. 相應地, 對於每一個長爲 n1n-1 的好串, 將 2,12,1 接到它的末尾, 即可得到一個長爲 nn 的好串. 也就是說, 長爲 nn, 且以 1122 結尾的好串個數爲 2tn+12\cdot t_{n+1}.
  2. an=0a_n = 0, 則 an12a_{n-1} \neq 2. 因此, 每一個這樣結尾的串均和一個長爲 n1n-1 且不以 22 結尾的好串唯一對應. 因此有 tn1tn2t_{n-1} - t_{n-2} 個這樣的好串.

於是可得: tn=3tn1tn2t_n = 3t_{n-1} - t_{n-2}. i.ei.e, tn3tn1tn2=0,  t3t_n - 3t_{n-1} - t_{n-2} = 0, ~~ t\geqslant 3. 解特徵方程得: q1=3+55,  q2=355q_1 = \frac{3+\sqrt{5}}{5}, ~ ~ q_2 = \frac{3-\sqrt{5}}{5}, 且這兩個根的重數均爲 11.

故有一般形式:
C13+55+C2355,  n1.C_1\cdot \frac{3+\sqrt{5}}{5} + C_2\cdot \frac{3-\sqrt{5}}{5}, ~~ n\geqslant 1.
爲保證遞推式合理性, 定義 C0=1C_0 = 1. 代入初值即可計算出 C1,C2C_1, C_2.


定理 9.4

設序列 {Hn}n=0\{H_n\}^{\infty}_{n=0} 定義如下:
()     H(n)=b1H(n1)bkH(nk)+f(n),  nk(*) ~~~~~H(n) = b_1H(n-1) - \cdots -b_kH(n-k) + f(n), ~~ n\geqslant k
H(0),H(1),,H(n)H(0), H(1), \cdots, H(n) 均已確定. 假定 ()(*) 的齊次部分有通解 H(n)\overline{H(n)}, 且 H(n)H^*(n) 爲非齊次部分的一個特解. 則 H(n)+H(n)\overline{H(n)} + H^*(n)()(*) 的通解.


[Assignment]

2. Solve the recurrence equation rn+2=rn+1+2rnr_{n+2} = r_{n+1} + 2r_{n} if r0=1r_{0} = 1 and r2=3r_2 = 3 (Yes, we specify a value for r2r_2 but not for r1r_1).

[Solution]

The characteristic function of the equation is
qnqn12qn2=0q^n - q^{n-1} - 2q^{n-2} = 0
whose roots are
q1=2,q2=1.q_1 = 2, q_2 = -1.
So its close-form solution is:
qn=C1(2)n+C2(1)n.q_n = C_1\cdot (2)^n + C_2\cdot(-1)^n.
From the given conditions of the problem, we have
{C1+C2=14C1+C2=3{C1=13C2=23.\begin{cases}C_1 + C_2 = 1 \\ 4C_1 + C_2 = 3 \end{cases} \Rightarrow \begin{cases}C_1 = \frac{1}{3} \\ C_2 = \frac{2}{3}\end{cases}.
So the solution is displayed as below:
rn=2n+2(1)n3.r_n = \frac{2^n + 2\cdot (-1)^n}{3}.


3. Find the general solution of the recurrence equation gn+2=3gn+12gng_{n+2} = 3g_{n+1} − 2g_n.

[Solution]

The characteristic function of the equation is
qn+23qn12qn=0q^{n+2} - 3q^{n-1} - 2q^{n} = 0
whose roots are
q1=2,q2=1.q_1 = 2, q_2 = 1.
So its general solution is:
gn=C1(2)n+C2.g_n = C_1\cdot (2)^n + C_2.


4. Solve the recurrence equation hn+3=6hn+211hn+1+6hnh_{n+3} = 6h_{n+2} - 11h_{n+1} + 6h_n if h0=3,h1=2h_0 = 3, h_1 = 2, and h2=4h_2 = 4.

[Solution]

The characteristic function of the equation is
qn+36qn+2+11qn+16qn=0q^{n+3} - 6q^{n+2} + 11q^{n+1} - 6q^{n} = 0
whose roots are
q1=1,q2=2,q3=3.q_1 = 1, q_2 = 2, q_3 = 3.
So its close-form solution is:
qn=C1+C22n+C33n.q_n = C_1 + C_2\cdot 2^n + C_3\cdot 3^{n}.
From the given conditions of the problem, we have
{C1+C2+C3=3C1+2C2+3C3=2C1+4C2+9C3=4{C1=6C2=5C3=2.\begin{cases}C_1 + C_2 +C_3 = 3 \\ C_1 + 2C_2 + 3C_3 = 2 \\ C_1 + 4C_2 + 9C_3 = 4 \end{cases} \Rightarrow \begin{cases}C_1 = 6 \\ C_2 = -5 \\ C_3 = 2\end{cases}.
So the solution is displayed as below:
qn=652n+23n.q_n = 6 - 5\cdot 2^n + 2\cdot 3^n.


5. Find the general solutions to each recurrence equation with characteristic polynomial as below:

  1. (q4)3(q+1)(q7)4(q1)=0(q-4)^3(q+1)(q-7)^4(q-1) = 0
  2. (q5)2(q+5)3(q1)4(q+1)(q4)3=0(q-5)^2(q+5)^3(q-1)^4(q+1)(q-4)^3 = 0

[Solution]

  1. The roots of the characteristic function is 4,1,7,14, -1, 7, 1 with multiplicity of 3,1,4,13, 1, 4, 1 respectively.
    So it has general solution in the form of
    qn=C1(4n+n4n+n24n)+C2(1)n+C3(7n+n7n+n27n+n37n)+C4.q_n = C_1\cdot (4^n + n\cdot 4^n + n^2\cdot 4^n) + C_2\cdot (-1)^n + C_3\cdot (7^n + n\cdot 7^n + n^2\cdot 7^n + n^3\cdot 7^n ) + C_4.

  2. The roots of the characteristic function is 5,5,1,1,45, -5, 1, -1, 4 with multiplicity of 2,3,4,1,32, 3, 4, 1, 3 respectively.
    So it has general solution in the form of
    qn=C1(5n+n5n)+C2{(5)ni=02ni}+C3(i=03ni)+C4+C5{(4)ni=02ni}.q_n = C_1\cdot (5^n + n\cdot 5^n) + C_2\cdot \{(-5)^n\cdot \sum_{i = 0}^{2}n^{i}\} + C_3\cdot (\sum_{i = 0}^{3}n^{i}) + C_4 + C_5\cdot \{(4)^n\cdot \sum_{i = 0}^{2}n^{i}\}.

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