求Fibonacci数列通项公式
0. Intro
0 & (n=0) \\
1 & (n=1) \\
f_{n-1}+f_{n-2} & (n>1)
\end{cases}\]
这个就是众所周知的Fibonacci数列
用生成函数可以求出该数列的通项公式
1. 生成函数
生成函数分为普通型生成函数(OGF)和指数型生成函数(EGF),后面默认提到生成函数都是OGF
若有一数列 \(A: a_0,a_1,a_2,a_3,\cdots\) ,则 \(A\) 的生成函数为
\]
为了熟悉生成函数,先来看一个很基础的例子:
已知数列 \(f_n=1\) ,求 \(f\) 的生成函数 \(F(x)\) 。
直接代到定义式里就好了
\]
发现这里其实就是一个等比数列求和
\]
研究生成函数时我们都假设级数收敛
如果你不知道级数收敛是什么意思 只需要知道生成函数中的 \(x\) 没有实际意义 所以我们可以任意取值 所以不妨设 \(0<x<1\)
那么当 \(i\) 趋向于无穷大时,\(x^i\) 显然趋于 \(0\)
于是就得到了一个很简单的式子
\]
同理可以得到三个关于等比数列的生成函数的结论:
数列 \(1,q,q^2,q^3,\cdots\) (下标从0开始,下同)的生成函数是 \(F_1(x)=\dfrac1{1-qx}\)
数列 \(0,1,q,q^2,q^3,\cdots\) 的生成函数是 \(F_2(x)=\dfrac x{1-qx}\)
数列 \(q,q^2,q^3,q^4,\cdots\) 的生成函数是 \(F_3(x)=\dfrac q{1-qx}=-\dfrac1{x-\frac1q}\)
2. Fibonacci数列通项公式
1 & (n=0) \\
1 & (n=1) \\
f_{n-1}+f_{n-2} & (n>1)
\end{cases}\]
注意这里的 \(f_0=f_1=1\) ,和开头的那个不一样,因为这样设推起来更方便
设 \(f_n\) 的生成函数为 \(F(x)\) ,那么我们肯定首先要把 \(F(x)\) 求出来
x^2F(x) &=& & & & & f_0 x^2 & + & f_1 x^3 & + &\cdots & (1)\\
xF(x) &=& & & f_0 x & + & f_1 x^2 & + & f_2 x^3 & + &\cdots & (2)\\
F(x) &=& f_0 & + & f_1 x & + & f_2 x^2 & + & f_3 x^3 & + &\cdots & (3)\\
\end{matrix}\]
\((1)+(2)-(3)\) 得 \((x^2+x-1)F(x)=-1\)
所以 \(F(x)=\dfrac{1}{1-x-x^2}\)
然而我们并不能由此直接看出 \(f\) 的通项公式
数列 \(1,q,q^2,q^3,\cdots\) (下标从0开始,下同)的生成函数是 \(F_1(x)=\dfrac1{1-qx}\)
数列 \(0,1,q,q^2,q^3,\cdots\) 的生成函数是 \(F_2(x)=\dfrac x{1-qx}\)
数列 \(q,q^2,q^3,q^4,\cdots\) 的生成函数是 \(F_3(x)=\dfrac q{1-qx}=-\dfrac1{x-\frac1q}\)
要从生成函数反推出原数列 我们只知道这三个相关的结论
那么我们以这三个结论为目标试着做一些代数变形
\]
分母显然要降次
设方程 \(1-x-x^2=0\) 的两根为 \(x_1=\dfrac{-1+\sqrt5}2,x_2=\dfrac{-1-\sqrt5}2\) ,则 \(1-x-x^2=-(x-x_1)(x-x_2)\)
\]
而 \(\dfrac1{x-x_1}-\dfrac1{x-x_2}=\dfrac{(x-x_2)-(x-x_1)}{(x-x_1)(x-x_2)}=\dfrac{x_1-x_2}{(x-x_1)(x-x_2)}\)
所以 \(F(x)=-\dfrac1{x_1-x_2}\cdot\left(\dfrac1{x-x_1}-\dfrac1{x-x_2}\right)\)
其中含 \(x\) 的部分和 \(F_3(x)\) 很接近了
先把最前面的负号乘进去
\]
易知 \(x_1x_2=-1\) ,所以 \(x_2=-\dfrac1{x_1},x_1=-\dfrac1{x_2}\)
\]
由结论三可知,对于数列 \(a_n=(-x_1)^{n+1}\) ,它的生成函数是 \(G(x)=-\dfrac1{x-\frac1{-x_1}}\)
对于数列 \(b_n=(-x_2)^{n+1}\) ,它的生成函数是 \(H(x)=-\dfrac1{x-\frac1{-x_2}}\)
\]
这足以说明 \(f_n=\dfrac{b_n-a_n}{x_1-x_2}\) (请读者自行证明)
所以 \(f_n=\dfrac{(-x_2)^{n+1}-(-x_1)^{n+1}}{x_1-x_2}\)
将 \(x_1=\dfrac{-1+\sqrt5}2,x_2=\dfrac{-1-\sqrt5}2\) 代入
\]
这样就得到了通项公式
而如果是开头那个版本的斐波拉契数列:
0 & (n=0) \\
1 & (n=1) \\
f_{n-1}+f_{n-2} & (n>1)
\end{cases}\]
它的通项公式就是
\]
3. 总结
(与前面的内容可能有些出入)
数列 \(a_0,a_1,a_2,a_3,\cdots\) 的普通型生成函数(OGF)(以下称为生成函数)为
\]
首项为 \(a\) ,公比为 \(q\) 的等比数列(即 \(a,qa,q^2a,q^3a,\cdots\) )的生成函数为
\]
当 \(a=q\) 时可知数列 \(q,q^2,q^3,\cdots\) 的生成函数为
\]
这个结论可以用来推导斐波拉契数列的通项公式
斐波拉契数列的递推式:
0 & (n=0) \\
1 & (n=1) \\
f_{n-1}+f_{n-2} & (n>1)
\end{cases}\]
(也有 \(f_0=f_1=1\) 的版本,不唯一)
斐波拉契数列的生成函数(这里 \(f_0=f_1=1\) ):
\]
斐波拉契数列的通项公式(这里 \(f_0=0,f_1=1\) )
\]
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