组合数学$4 递推关系与生成函数

本文深入探讨了组合数学中的递推关系和生成函数。讲解了斐波那契数列的递推公式、通项公式及其与二项式系数的关系。接着阐述了生成函数的概念,包括一元生成函数、指数生成函数及其在解决排列组合问题中的应用。此外,还详细分析了线性递推关系,包括齐次递推和非齐次递推的解法,并提到了生成函数法在处理这类问题上的有效性。最后,举例说明了非线性递推关系的应用,如卡特兰数的计算。

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C4 递推关系与生成函数

S0 斐波那契数列

1)递推公式:fn+2=fn+1+fn,f0=0,f1=1f_{n+2} = f_{n+1}+f_n,f_0 = 0,f_1 = 1fn+2=fn+1+fn,f0=0,f1=1

2)通项公式:fn=15[(1+52)n−(1−52)n]f_n = \frac{1}{\sqrt{5}}[(\frac{1+\sqrt{5}}{2})^n - (\frac{1-\sqrt{5}}{2})^n]fn=5 1[(21+5 )n(215 )n]

3)与二项式系数关系:fn=∑k=0n−1Cn−1−kkf_n = \sum\limits_{k=0}^{n-1}C_{n-1-k}^kfn=k=0n1Cn1kk,即 Pascal 三角形从左下到右上每条线的和

4)部分和:Sn=fn+2−1S_n = f_{n+2}-1Sn=fn+21

S1 生成函数

1)生成函数:f(x)=∑k=0∞akxkf(x) = \sum\limits_{k=0}^\infin a_k x^kf(x)=k=0akxk

  • Sn=∑k=0nakS_n=\sum\limits_{k=0}^na_kSn=k=0nak 的生成函数:f(x)1−x\frac{f(x)}{1-x}1xf(x)

  • kkk 元无限多重集 nnn 组合(∑i=1kcixi=n\sum\limits_{i=1}^k c_ix_i = ni=1kci

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