生成函数学习笔记

初探生成函数

生成函数

普通生成函数(OGF)

定义序列aa的生成函数为

F(x)=∑i=0∞aixiF(x) = \sum_{i = 0} ^ {\infty} a_ix^i

运算

其加法运算为

F(x)±G(x)=∑i=0∞(ai±bi)xiF(x) \pm G(x) = \sum_{i = 0} ^ {\infty} (a_i \pm b_i) x^ i

乘法运算,也就是卷积为

F(x)∗G(x)=∑i=0∞(∑j=0iajbi−j)xiF(x) \ast G(x) = \sum_{i = 0} ^ {\infty} \bigg( \sum_{j = 0} ^ i a_jb_{i - j} \bigg)x^i

其为序列∑i=0naibn−i\sum_ {i = 0}^n a_i b_{n - i}的生成函数。

封闭形式

根据等比数列求和公式可得

F(x)=∑i=0∞aixi=a0×1−x∞1−x=a01−xF(x) = \sum_{i = 0} ^ {\infty} a_i x^i = a_0 \times \frac{1 - x ^ {\infty}}{1 - x} = \frac{a_0}{1 - x}

牛顿二项式定理

定义组合数为

(nm)=nm‾m!,n∈C,m∈N\dbinom{n}{m} = \frac{n ^ {\underline{m}}}{m!}, n \in \mathbb{C}, m \in \mathbb{N}

指数型生成函数(EGF)

定义序列aa的指数型生成函数为

F(x)=∑i=0∞aixii!F(x) = \sum_{i = 0} ^ {\infty} a_i \frac{x^i}{i !}

显然有

ex=∑i=1∞e0xii!=∑i=1∞xii!ex+e−x2=∑i=0∞x2i(2i)!ex−e−x2=∑i=0∞x2i+1(2i+1)!e^x = \sum_{i = 1}^{\infty} \frac{e^0 x^i}{i!} = \sum_{i = 1}^{\infty}\frac{x^i}{i!} \\ \frac{e^x + e^{-x}}{2} = \sum_{i = 0}^{\infty} \frac{x^{2i}}{(2i)!} \\ \frac{e^x - e ^ {-x}}{2} =\sum_{i = 0}^{\infty} \frac{x ^ {2i + 1}}{(2i+1)!}

可以应用到组合数学中。

作者

Jekyll_Y

发布于

2022-09-30

更新于

2023-03-02

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