Производящие функции — туда и обратно

«Производящая функция является устройством, отчасти напоминающим мешок. Вместо того чтобы нести отдельно много предметов, что могло бы оказаться затруднительным, мы собираем их вместе, и тогда нам нужно нести лишь один предмет — мешок». Д. Пойа

Математика делится на два мира — дискретный и непрерывный. В реальном мире есть место и для того и для другого, и часто к изучению одного явления можно подойти с разных сторон. В этой статье мы рассмотрим метод решения задач с помощью производящих функций — мостика ведущего из дискретного мира в непрерывный, и наоборот.

Идея производящих функций достаточно проста: сопоставим некоторой последовательности <g0, g1, g2, . gn> — дискретному объекту, степенной ряд g0 + g1z + g2z 2 +… + gnz n +… — объект непрерывный, тем самым мы подключаем к решению задачи целый арсенал средств математического анализа. Обычно говорят, последовательность генерируется, порождается производящей функцией. Важно понимать, что это символьная конструкция, то есть вместо символа z может быть любой объект, для которого определены операции сложения и умножения.

Известно, что начало методу производящих функций положил английский математик Абрахам де Муавр, а дальнейшему развитию и продолжению данного метода мы обязаны великому математику, имя которого Леонард Эйлер.

В 50-х годах XVIII века Эйлер решал следующую задачу: какие грузы можно взвесить с помощью гирь в 2 0 , 2 1 , 2 2 . 2 n грамм и сколькими способами? При решении этой задачи он использовал никому неизвестный на то время метод производящих функций, которому и посвящена данная статья. К этой задаче мы вернёмся немного позже, после того как разберёмся более подробно с устройством производящих функций.

Изучение этого мощного механизма позволяющего решать многие задачи, мы начнём с простенькой задачи: сколькими способами можно расположить в линию чёрные и белые шары, общее количество которых равно n?

Обозначим белый шар символом ○, чёрный — ●, Tn — искомое количество расположений шаров. Символом Ø — обозначим нулевое количество шаров. Как и любое решение комбинаторной задачи начнём с тривиальных случаев:

Если n=1, то очевидно имеется 2 способа — взять либо белый шар ○, либо взять чёрный шар ●, таким образом, T2 = 2.

Если n=2, то имеется 4 способа расположений: ○○, ○●, ●○, ●●.

Рассмотрим случай для n=3. Мы можем начать белым шаром и продолжить 4-мя комбинациями, описанными выше ○○○, ○○●, ○●○, ○●●, или же мы можем начать чёрным шаром и аналогично продолжить 4-мя шарами ●○○, ●○●, ●●○, ●●●.

В итоге количество шаров удвоилось, то есть T3 = 2T2. Аналогично T4 = 2T3, то есть, обобщая для всех n, получаем рекуррентное уравнение Tn = 2Tn-1 которое и является решением для данной задачи. Решение такого уравнения можно легко угадать — Tn = 2 n (так как 2⋅2 n-1 = 2 n ).

А что если у нас плохо с угадыванием? И что делать, если уравнение будет сложнее? А вообще причём здесь производящие функции?

«Просуммируем» все возможные комбинации расположений шаров:

Вопрос о допустимости такой нелепой на первый взгляд суммы опустим. Будем складывать и умножать последовательности шаров. Со сложением всё понятно, но что значит умножить одну последовательность шаров на другую? Перемножив ○● на ●○ мы получим не что иное как ○●●○. Заметим, однако, что произведение шаров в отличие от произведения чисел не является коммутативным, так как ○●⋅●○ ≠ ●○⋅○●. Символ Ø — в произведении играет роль мультипликативной единицы, то есть Ø ⋅ ○○● = ○○● ⋅ Ø = ○○● и коммутирует с любой последовательностью шаров.

Производя с рядом G последовательность манипуляций, а именно вынося за скобки левый белый и чёрный шары

G = Ø + ○ (Ø + ○ + ● + ○○ + ○● + ●○ + ●● + . ) + ● (Ø + ○ + ● + ○○ + ○● + ●○ + ●● + . ) = Ø + ○G +●G

получим уравнение G = Ø + ○G +●G.

Несмотря на то, что умножение некоммутативно, и мы фактически не различаем левое и правое деление, попробуем всё же «решить» это уравнение, на свой страх и риск. Получим,

Учитывая формулу суммы геометрической прогрессии , имеем

В этой сумме так же учтены все возможные варианты разбиения в точности по одному разу. Далее воспользуемся формулой бинома Ньютона: , где — число сочетаний из n по k. Тогда с учетом этого имеем:

Коэффициент при ○ k ● n-k равный числу сочетаний из n по k, показывает общее количество последовательностей из n шаров содержащих ○ шары в количеств k штук и ● шары в количестве n-k штук. Таким образом, общее количество расположений n шаров есть сумма по всем возможным значениям k. Как известно .

Эту формулу можно было получить непосредственно из заменив Ø на 1, а ○ и ● на z (в виду их равнозначности). Получим то есть коэффициент при z n равен 2 n .

Так что же позволяет данному методу быть работоспособным при решении различных задач?

Алгоритм решения задачи можно описать примерно следующим образом: рассматривается некоторая бесконечная сумма, которая в конечном итоге представляет собой формальный степенной ряд G(z) = g0 + g1z + g2z 2 +… + gnz n +… причем коэффициенты gk (не заданные в явном виде) — являются ключом к решению исходной задачи. То, что ряд является формальным, говорит о том, что z — является просто символом, то есть вместо него может быть любой объект: число, шар, кость домино и т.д. В отличие от степенных рядов в анализе формальным степенным рядам не придается числовых значений и, соответственно, нет смысла говорить о сходимости таких рядов для числовых аргументов.

G(z) = g0 + g1z + g2z 2 +… + gnz n +… — называется производящей функцией для последовательности <g0, g1, g2, . gn>. Заметим, однако, что хотя G(z) — функция, это всё таки формальная запись, то есть мы не можем подставить вместо z любое значение z = z0, за исключением z = 0, так как G(0) = g0.

Затем производя различные преобразования с бесконечной суммой G(z) мы преобразуем её к замкнутому (компактному) виду. То есть у производящей функции есть 2 представления: бесконечное и замкнутое и, как правило, для решения задачи необходимо бесконечный вид преобразовать к замкнутому, а затем замкнутый вид разложить в степенной ряд, и тем самым получить значения для коэффициентов gk.

Отвечая на поставленный вначале вопрос можно сказать так: успех данного метода связан с возможностью записать производящую функцию в замкнутом виде. Так, например, производящая функция для последовательности <1, 1, 1, . 1> в бесконечном виде представляется как 1 + x + x 2 + x 3 + . а в замкнутом .

А теперь вооружившись знаниями, вернемся к задаче, которую решал Эйлер.

Итак, задача звучит следующим образом: какие грузы можно взвесить с помощью гирь в 2 0 , 2 1 , 2 2 . 2 n грамм и сколькими способам?

Я не знаю, как долго Эйлер придумывал решение для этой задачи, но оно поражает своей неожиданностью. Посудите сами. Эйлер рассматривает произведение G(z) = (1+z)(1+z 2 )(1+z 4 )… которое после раскрытия скобок представляется в виде бесконечного ряда G(z) = 1 + g1z + g2z 2 + g3z 3 +….

Что же из себя представляют коэффициенты gk? Каждый gk — это коэффициент при z k , а z k — получается как произведение каких-то одночленов z 2m , то есть g k — это в точности число разных представлений числа k в виде суммы некоторых из чисел 1, 2, 2 2 , 2 3 . 2 m ,…. Другими словами gk — это число способов взвешивания груза в k грамм заданными гирями. Как раз то, что мы искали!

Следующий шаг Эйлера поражает не менее предыдущего. Он умножает обе части равенства на (1-z).

(1-z)G(z) = (1-z)(1+z)(1+z 2 )(1+z 4 )(1+z 8 )… (1-z)G(z) = (1-z2)(1+z 2 )(1+z 4 )(1+z 8 )… (1-z)G(z) = (1-z 4 )(1+z 4 )(1+z 8 )… (1-z)G(z) = 1

С одной стороны G(z) = 1 + g1z + g2z 2 + g3z 3 +… с другой стороны мы только что получили . Последнее равенство есть не что иное, как сумма геометрической прогрессии, которая равна . Сопоставляя эти два равенства, получаем g1 = g2 = g3 =… = 1, то есть любой груз в k грамм можно взвесить гирями в 1, 2, 4, 8,… грамм притом единственным способом.

Производящие функции подходят для решения не только комбинаторных задач. Оказывается, с их помощью можно решать рекуррентные соотношения.

Начнем со всеми знакомой последовательностью чисел Фибоначчи. Каждый из нас знает её рекуррентный вид: F0 = 0, F1 = 1, Fn = Fn-1 + Fn-2, n ≥ 2. Однако не каждый знает вид этой формулы в замкнутом виде и это не удивительно, ведь она содержит иррациональное число(«золотое сечение») в своём составе.

Умножим каждую строчку на z 0 , z 1 , . z n соответственно:

Просуммируем эти равенства:

Обозначим левую часть

Рассмотрим каждое из слагаемых в правой части:

Имеем следующее уравнение G(z) = z + z G(z) + z 2 G(z) решая которое относительно G(z) находим

— производящая функция для последовательности чисел Фибоначчи.

Разложим её на сумму простейших дробей, для этого найдем корни уравнения . Решая это простое квадратное уравнение, получаем: . Тогда нашу производящую функцию можно разложить следующим образом:

Следующим шагом является нахождение коэффициентов a и b. Для этого умножим дроби на общий знаменатель:

Подставляя в это уравнение значение z = z1 и z = z2, находим

Напоследок немного преобразуем выражение для производящей функции

Теперь каждая из дробей представляет собой сумму геометрической прогрессии.

По формуле находим

Но ведь мы искали G(z) в виде . Отсюда делаем вывод, что

Эту формулу можно переписать в другом виде не используя «золотое сечение»:

что достаточно трудно было ожидать, учитывая красивое рекуррентное уравнение.

Давайте запишем общий алгоритм решения рекуррентных уравнений, используя производящие функции. Он записывается в 4 шага:

1. Запишите одно уравнение, выражающее gn через другие элементы последовательности. Это уравнение должно оставаться справедливым для всех целых n с учетом того, что g-1=g-2=. =0.
2. Умножьте обе части уравнения на z n и просуммируйте по всем n. В левой части получится сумма , которая равна производящей функции G(z). Правую часть следует преобразовать так, чтобы она превратилась в какое-то другое выражение, включающее G(z).
3. Решите полученное уравнение, получив для G(z) выражение в замкнутом виде.
4. Разложите G(z) в степенной ряд и прочитайте коэффициент при z n , это и будет замкнутый вид для gn.

Прежде чем переходить к следующему примеру, рассмотрим 2 операции, совершаемые над производящими функциями, которые часто оказываются полезными.

Для производящих функций обычное определение производной можно записать следующим образом.

Пусть G = G(z) – производящая функция. Производной этой функции называется функция . Дифференцирование, очевидно, линейная операция, поэтому для того, чтобы понять, как оно действует на производящих функциях, достаточно посмотреть на его действие, на степенях переменной. Имеем

Тем самым, действие дифференцирования на произвольной производящей функции G (z) = g0 + g1z + g2z 2 + g3z 3 +… дает G΄(z) = g1 + 2g2z + 3g3z 2 + 4g4z 3 +….

Интегралом называется функция

Операция дифференцирования обратна операции интегрирования:

Операция же интегрирования производной приводит к функции с нулевым свободным членом, и поэтому результат, отличается от исходной функции,

Нетрудно заметить, что для функций, представимых в виде степенных рядов, формула для производной соответствует обычной. Формула для интеграла соответствует значению интеграла с переменным верхним пределом

Используя только что полученные знания о дифференцировании и интегрировании производящих функций, попробуем решить следующее рекуррентное уравнение:

Будем следовать вышеописанному алгоритму. Первое условие алгоритма выполнено. Умножим обе части всех равенств на z в соответствующей степени и просуммируем:

z 0 ⋅ g0 = 1, z 1 ⋅ g1 = z, z n ⋅ gn = z n ⋅ gn-1 + 2z n ⋅ gn-2 + (-1) n ⋅ z n

Левая часть представляет собой производящую функцию в бесконечном виде.

Попытаемся выразить правую часть через G(z). Рассмотрим каждое слагаемое:

Это и есть производящая функция для заданного рекуррентного уравнения. Раскладывая её на простейшие дроби (например, методом неопределенных коэффициентов или методом подстановки различных значений z), получаем:

Второе и третье слагаемые легко раскладываются в степенной ряд, а вот с первым придется чуть повозиться. Используя правило дифференцирования производящих функций имеем:

Собственно всё. Раскладываем каждое слагаемое в степенной ряд и получаем ответ:

С одной стороны мы искали G(z) в виде , с другой стороны .

Производящие функции нашли большое применение в математике, поскольку являются мощным оружием при решении многих практических задач, связанных, например, с перечислением, распределением и разбиением множеств объектов различной природы. Кроме того применение производящих функций позволяет доказать некоторые комбинаторные формулы, которые иначе получить очень трудно. Например, разложение функции в степенной ряд имеет вид , то есть справедливо равенство:

Возводя в квадрат обе части этого равенства получим

Приравнивая коэффициенты при x n в левой и правой частях, получаем

Эта формула имеет прозрачный комбинаторный смысл, но доказать её непросто. Еще в 80-е годы XX века появились публикации, посвященный этому вопросу.