反演公式:
\[f_n = \sum_{i=0}^{n} (-1)^i C(n,i) g_i \Leftrightarrow g_n = \sum_{i=0}^{n} (-1)^i C(n,i) f_i \]
\[f_n = \sum_{i=0}^{n} C(n,i) g_i \Leftrightarrow g_n = \sum_{i=0}^{n} (-1)^{n-i} C(n,i) f_i \]
第一个式子的推导:
已知 $ f_n=\sum_{i=0}{n}(-1)ig_i $
设: $ g_n=\sum_{i=0}^{n}t_{n,i}f_i \(, 其中\)t_{n,i}$是待定的系数。
那么有:
\[ f_n = \sum_{i=0}^{n} (-1)^i C(n,i) \sum_{j=0}^{i} t_{i,j} f_j \]
\[ \ \ \ \ \ = \sum_{j=0}^{n} f_j \sum_{i=j}^{n} (-1)^iC(n,i)t_{i,j} \]
可能有很多构造 $ t_{i,j} $ 的方法,我们只考虑构造 $ t_{i,j} $ 满足:
\[ [j=n] = \sum_{i=j}^{n} (-1)^i C(n,i) t_{i,j} \]
注意到
\[ [n=0] = \sum_{i=0}^{n} (-1)^i C(n,i) \]
那么
\[ [j=n] = \sum_{i=0}^{n-j} (-1)^i C(n-j,i) \]
证明很显然,\([j=n] \Leftrightarrow [n-j=0]\)
可以发现, $ t_{i,j} $ 中应该有一个组合数因子,所以给上式配一个组合数:
\[ [j=n] = \sum_{i=0}^{n-j} (-1)^i C(n-j,i) C(n,j) \]
又因为
\[ C(n-j,i)C(n,j) = C(n,i+j)C(i+j,j) \]
所以有
\[ [j=n] = \sum_{i=0}^{n-j} (-1)^i C(n,i+j)C(i+j,j) \]
对比 \((7)\)式 和 \((12)\)式 可以得出:
\[ t_{i,j} = (-1)^j C(i,j) \]
于是乎 \((3)\)式 得证。
第二个式子的推导:
这个可以用 \(EGF\) 推:
\[ f_n = \sum_{i=0}^{n} C(n,i) g_i \Leftrightarrow \frac{f_n}{n!} = \sum_{i=0}^{n} \frac{g_i}{i!} \times \frac{1}{(n-i)!} \]
那么 $ \left{ \frac{f_n}{n!} \right} $ 的 \(EGF\) 就是
\[ F = \sum_{i=0}^{+\infty} f_i x^i \]
以及 $ \left{ \frac{g_n}{n!} \right} $ 的 \(EGF\) 就是
\[ G = \sum_{i=0}^{+\infty} g_i x^i \]
又因为
\[ e^x = \sum_{i=0}^{+\infty} \frac{x^i}{i!} \]
\[ e^{-x} = \sum_{i=0}^{+\infty} \frac{(-x)^i}{i!} \]
\[ \ \ \ \ \ \ \ \ \ = \sum_{i=0}^{+\infty} (-1)^i \frac{x^i}{i!} \]
所以
\[ F = G \times e^x \]
于是
\[ G = F \times e^{-x} \]
重新展开就有
\[ \frac{g_n}{n!} = \sum_{i=0}^{n} \frac{f_i}{i!} (-1)^{n-i} \frac{1}{(n-i)!} \]
即
\[ g_n = \sum_{i=0}^{n} (-1)^i C(n,i) f_i \]
于是乎 \((4)\)式 得证。