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线性递推

Linear recurrence relation

当前项由固定数量先前项的线性组合给出。

条目类型
定义

形式陈述

阶数为 k 的线性递推可写为

an=c1(n)an1++ck(n)ank+g(n),nk,

其中系数和序列值位于给定交换含幺环中。若 g(n)=0,称齐次;若 ci(n)n 无关,称常系数。给定 a0,,ak1 后,显式递推唯一决定后续项。

常系数齐次递推

an=c1an1++ckank

对应特征多项式

rkc1rk1ck.
直觉

常系数线性递推把有限窗口状态线性推进,因此整个无穷序列由有限个初值决定。试探 an=rn 把移位操作转成乘法,特征多项式的根给出基本增长模式;重根需要乘上 nk,正对应矩阵 Jordan 块的多项式因子。非齐次项则可看作外部输入,解由齐次响应与特解叠加。

例子与边界

Fibonacci 数满足 Fn=Fn1+Fn2,特征根为 1±52。递推“阶数 k”通常还隐含最高滞后项实际出现;若 ck=0,可降低有效阶数。特征根方法需在包含足够根的域中解释,非齐次或变系数情形需要其他方法。

Fibonacci 递推 Fn+2=Fn+1+Fn 的特征方程为 r2r1=0,两根给出 Binet 形式。递推 an+22an+1+an=0 有重根 r=1,通解是 an=A+Bn,不能只写常数倍 1n。若系数随 n 变化,标准常系数特征根法不再直接适用。

推论与应用

递推关系上线性化后,可由普通生成函数转成有理函数;反过来,有理普通生成函数的系数最终满足常系数线性递推。伴随矩阵又把序列推进写成矩阵幂。快速幂计算第 n 项、动态规划、自动机计数和线性动态系统都利用有限状态维数,而序列的渐近增长通常由实际出现的最大模特征根控制。

参考资料
  • Ronald L. Graham, Donald E. Knuth, and Oren Patashnik, Concrete Mathematics, 2nd ed., Addison-Wesley, 1994,Ch. 6。
  • Richard P. Stanley, Enumerative Combinatorics, Vol. 1, 2nd ed., Cambridge University Press, 2011,§4.1。
关系图谱6 个相邻概念 · 1 类关系

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