2018 9 27 随想2

本文探讨了递推式与通项公式之间的转化方法,包括待定系数法、不完全归纳法、数学归纳法和生成函数法。文章还介绍了应对不同递推式类型的策略,如含数列项与其前n项和的变种递推式处理,以及面对高次递推式的解题思路。

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“每一个不曾起舞的日子,都是对生命的辜负。”——尼采

数学往往是物理学家为了解决问题“总结”的一些小技巧,后来就被不断系统化了。
话说最近还听说阿蒂亚爵士想用物理的T什么函数来反证黎曼猜想来着…
今天数学课上完后自己的一些脑洞。

递推式求通项

我给递推式的定义是:
对于任意的 nnn,都满足某个式子,这个式子中仅存在三种量以及它们复合运算的产物:

1、 常数。特别注明,对于给定的数列,下标为某一常数的项也将被算入常数之中。如 3,a23,a_23a2 在这里都被我算入常数的范畴。
2、 含 nnn 的式子。
3、 数列中的某一项 axa_xax,且下标 xxx为含nnn的式子。
且这个式子必须包含第三种量,不能用等式变形等方式将式子中的第三种量全部约掉。这样我们可以认为这是一个合法的递推式。

如:
an+1=an+nan+2+2an+3a_{n+1}=a_{n}+na_{n+2}+2a_{n+3}an+1=an+nan+2+2an+3,这可以被认为成一个合法递推式。
我们将上式子稍作调整,
an+3=an+1−an−nan+22a_{n+3}=\frac{a_{n+1}-a_{n}-na_{n+2}}{2}an+3=2an+1annan+2,把下标相对最大的放到最右边,这种形态我们称之为其的常用递推形式。因为我们要求下标最大的项时,如果要借助递推式,默认要求以及求出了下标比它小的所有项。这样借助这个式子就可以一项一项求过去。
我给通项公式的定义是:递推式的特殊形式,是一种“仅包含一个上述第3类量”的式子。

即我们只要知道 nnn 就可以直接结合常数来求式子中唯一那个第3类量了。
同样其常用的形式是将这个第3类量移到右边,系数化一。
说了这么多套话,终于提到核心内容了:怎样将一个不是通项公式的递推式化为通项公式呢?
一般地,∀n\forall nn,借助递推式我们能将下标不断降低,这样我们迭代足够多次就一定能求出通项,但是这种方法在考场上考虑到效率问题,是不实际的。
对于特殊的情况,我们有比较快的方法。例如:

  • 待定系数法
    适用于二元的一次递推式,即 an=kan−1+f(n)a_n=ka_{n-1}+f(n)an=kan1+f(n)
    解法就是,构造一映射 g(x)g(x)g(x),使得 ∀n,an+g(n)=k(an−1+g(n−1))\forall n,a_n+g(n)=k(a_{n-1}+g(n-1))nan+g(n)=k(an1+g(n1))
    an=kan−1+kg(n−1)+g(n)a_n=ka_{n-1}+kg(n-1)+g(n)an=kan1+kg(n1)+g(n)
    f(n)=kg(n−1)+g(n)f(n)=kg(n-1)+g(n)f(n)=kg(n1)+g(n),构造出来后直接等比数列通项公式就ok。
  • 不完全归纳法 (考场还挺好用系列)
  • 高次递推式的一些解法
    最简单地,对于an=pan−1qa_n=pa_{n-1}^qan=pan1q,两边直接取对数就好。
    对于高次的一般情况,不在平时卷面考试的考察范围内,笔者也没有深入研究,这里略去。
  • 数学归纳法
    猜通项,然后证明。比不完全归纳法更严谨,最后杀器。
  • 生成函数法
    这个之后会细讲。

UPD 2018 10 6 :(我这个人想到一些东西不记下来难受)
应试中,经常会出现同时含 ana_nan 与其前 nnn 项和 SnS_nSn 的“变种递推式”,这时有两种策略:
1、利用 an=Sn−Sn−1a_n=S_n-S_{n-1}an=SnSn1 统一化为 SnS_nSn
2、也是利用上式,只不过是倒着用,经常是将两个式子对位相减统一化为 ana_nan
如果式子中出现 an、an−1、anan−1a_n、a_{n-1}、a_na_{n-1}anan1anan1,考虑倒数吧。
如果式子中出现an2、ana_n^2、a_nan2an,考虑求根公式吧。
还有就是,式子中出现 (−1)n(-1)^n(1)n 这种东西,很有可能可以分奇偶讨论。

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