数列 A[n] = p A[n-1] + q A[n-2] の 通项公式

这完全是一个数学问题,但有的时候可以用来解决一些计算机问题,所以简单总结一下。

感谢今天上午学长的精彩讲解。 2018.1.24


结论

对于数列A,若 A n = p A n 1 + q A n 2

那么A的通项公式就一定能表示成 A n = α x 1 n + β x 2 n 的形式。

其中 x 1 , x 2 为方程 x 2 p x q = 0 的两根。(它们也被称为这个数列的特征根)

证明

我只是一个普通人,所以我并不知道数学家是如何脑洞大开,想出这个结论的,但是我们可以尝试着“反向证明”。(这个证明是我自己胡乱YY的,别听我胡扯!)

假如我们已知一个数列的通项公式为 A n = α x 1 n + β x 2 n ,那么我们能不能试着反推它的递推式。假如: A n = p A n 1 + q A n 2 ,那么有:

[ α x 1 n + β x 2 n ] = p [ α x 1 n 1 + β x 2 n 1 ] + q [ α x 1 n 2 + β x 2 n 2 ]

也就是:
[ α x 1 n ] + β x 2 n = [ p α x 1 n 1 + q α x 1 n 2 ] + p β x 2 n 1 + q β x 2 n 2

我们不妨假设,这个式子可以拆成两部分:

α x 1 n = p α x 1 n 1 + q α x 1 n 2

β x 2 n = p β x 2 n 1 + q β x 2 n 2

系数约掉:

x 1 n = p x 1 n 1 + q x 1 n 2

x 2 n = p x 2 n 1 + q x 2 n 2

两个式子分别处以 x 1 n 1 , x 2 n 2 :

x 1 2 = p x 1 + q x 1 2 p x 1 q = 0

x 2 2 = p x 2 + q x 2 2 p x 2 q = 0

这说明如果 x 1 , x 2 恰是 x 2 p x q = 0 的两根,该递推式就可行。

(不靠谱的证明到此结束)

以后如果我知道了正确的证明方式我就把正确的证明补上。

用法

这样的话,只需要知道这个数列中的任意两项,带入求出 α , β 就得到了完整的通项公式。

用法案例:斐波那契数列

比如斐波那契数列的通项公式:

斐波那契数列的定义:

F 0 = F 1 = 1

F n = F n 1 + F n 2 : n 2

它的特征方程为:

x 2 x 1 = 0

两个特征根为: x 1 = 1 + 5 2 , x 2 = 1 5 2

所以通项公式为 F n = α ( 1 + 5 2 ) n + β ( 1 5 2 ) n

F 0 , F 1 带入通项公式。

F 0 = α + β = 1

F 1 = α 1 + 5 2 + β 1 5 2 = 1

解方程得:

α = 5 + 1 2 5 , β = 5 1 2 5

所以,斐波那契数列通项公式为: F n = 5 + 1 2 5 ( 1 + 5 2 ) n + 5 1 2 5 ( 1 5 2 ) n

注意,这个通项公式是从n=0开始的,我看到百度上给出了从n=1开始的通项公式。

若将 F 1 = F 2 = 1 带入通项公式:

F 1 = α 1 + 5 2 + β 1 5 2 = 1

F 2 = α ( 1 + 5 2 ) 2 + β ( 1 5 2 ) 2 = 1

解得: α = 1 5 , β = 1 5

所以通项公式为: F n = 1 5 ( 1 + 5 2 ) n 1 5 ( 1 5 2 ) n

这个式子只需要向左平移一下就可以得到刚才求出的从0开始的那个通项公式(这说明我解方程没解错)。

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