[NOTE] 某常系数非齐次线性递归关系的证明中的一个引理证明
little_cat_pig
编辑于 2023年05月03日 20:44
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在看http://matematicas.uam.es/~mavi.melian/CURSO_15_16/web_Discreta/recurrence.pdf的证明的时候,发现作者在Proof of Theorem 2中并未给出

%5Csum_%7Bk%3D0%7D%5E%7Bd%2B1%7D%20%5Cbinom%7Bd%2B1%7D%7Bk%7D(-1)%5Ekq(n-k)%3D0

的证明(其中d为多项式q(x)的阶数,n为任意数)

我并不清楚这个式子是否是什么已有的定理,也并不知道如何直接搜数学表达式,所以简单证明了一下。(可能不够严谨,仅供参考)

首先,可以将q(x)写成

q(x)%3D%5Calpha%20(x%5Ed%2Ba_1x%5E%7Bd-1%7D%20%E2%80%A6%2Ba_d)

考虑所求证式的左侧,可以将 α 提出求和之外,由于α不为0,仅需考虑求和号内部。而

%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Calpha%7Dq(n-k)%20%3D%20(n-k)%5Ed%2Ba_1(n-k)%5Ed-1%E2%80%A6%2Ba_d

展开后得到(以d维多项式空间的常用基表示)

%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Calpha%7Dq(n-k)%20%3D%20%5Bn%5Ed%2Cn%5E%7Bd-1%7D%2C%E2%80%A6%2C1%5D%20*%20%5Cbegin%7Bbmatrix%7D%5Cbinom%7Bd%7D%7B0%7D(-k)%5Ed%5C%5C%5Cbinom%7Bd%7D%7B1%7D(-k)%5E%7Bb-1%7D%2Ba_1%5Cbinom%7Bd-1%7D%7B0%7D(-k)%5E%7Bb-1%7D%5C%5C%E2%80%A6%E2%80%A6%5C%5C%5Cbinom%7Bd%7D%7Bd%7D(-k)%5E0%2Ba_1%5Cbinom%7Bd-1%7D%7Bd-1%7D(-k)%5E0%2B%E2%80%A6%2Ba_d%5Cbinom%7B0%7D%7B0%7D(-k)%5E0%5Cend%7Bbmatrix%7D

我们可以发现

%5Cbinom%7Bd%7D%7B0%7D%5Cbinom%7Bd%7D%7B1%7D%2Ba_1%5Cbinom%7Bd-1%7D%7B0%7D、…、%5Cbinom%7Bd%7D%7Bd%7D%2Ba_1%5Cbinom%7Bd-1%7D%7Bd-1%7D%2B%E2%80%A6%2Ba_d%5Cbinom%7B0%7D%7B0%7D

都是常数。

要证所求证,就需要证

%5Csum_%7Bk%3D0%7D%5E%7Bd%2B1%7D%20%5Cbinom%7Bd%2B1%7D%7Bk%7D(-1)%5Ekq(n-k)%3D%20%5Bn%5Ed%2Cn%5E%7Bd-1%7D%2C%E2%80%A6%2C1%5D%20*%20%5Cmathbf%20O

因此只需要证

%5Cforall%20m%5Cleq%20d%2C%20%5Csum_%7Bk%3D0%7D%5E%7Bd%2B1%7D%5Cbinom%7Bd%2B1%7D%7Bk%7D(-1)%5Ek(-k)%5Em%3D0

即可,使用数学归纳法

i.m%3D0%2C%20%5Csum_%7Bk%3D0%7D%5E%7Bd%2B1%7D%5Cbinom%7Bd%2B1%7D%7Bk%7D(-1)%5Ek1%5E%7Bd%2B1-k%7D%3D(-1%2B1)%5Ed%2B1%3D0%20

ii.d%3D0%2C%5Csum_%7Bk%3D0%7D%5E1%5Cbinom%7B1%7D%7Bk%7D(-1)%5Ek%5Ctimes%201%3D0

先考虑对于d的第一数学归纳法,如果在0-(d-1)上原命题都成立,那么考察d处:

在此处,考虑m的第一数学归纳法,如果在m上原命题成立,那么考察m+1处:

F(d%2Cm)%3D%5Csum_%7Bk%3D0%7D%5E%7Bd%2B1%7D%5Cbinom%7Bd%2B1%7D%7Bk%7D(-1)%5Ek(-k)%5Em,则%5Cforall%20d_0%5Cleq%20d%2Cm_0%5Cleq%20m%2CF(d_0%2Cm_0)%3D0

那么m+1处:

F(d%2Cm%2B1)%3D%5Cbinom%7Bd%2B1%7D%7B0%7D(-1)%5E00%5E%7Bm%2B1%7D%2B%5Csum_%7Bk%3D1%7D%5E%7Bd%2B1%7D%20%5Cfrac%7B(d%2B1)!%7D%7Bk!(d%2B1-k)!%7D(-1)%5Ek(-k)%5Em(-k)%20

F(d%2Cm%2B1)%3D%5Csum_%7Bk%3D1%7D%5E%7Bd%2B1%7D%20%5Cfrac%7Bd!%7D%7B(k-1)!(d%2B1-k)!%7D(-1)%5Ek(-k)%5Em%5Ctimes%20-(d%2B1)%20

F(d%2Cm%2B1)%3D%5Csum_%7Bk%3D0%7D%5E%7B(d-1)%2B1%7D%20%5Cbinom%7B(d-1)%2B1%7D%7Bk%7D(-1)%5Ek(-k-1)%5Em(d%2B1)%20

(-k-1)%5Em展开

%5Cfrac%7BF(d%2Cm%2B1)%7D%7Bd%2B1%7D%3D%5Cbinom%7Bm%7D%7B0%7DF(d-1%2Cm)(-1)%5E0%2B%5Cbinom%7Bm%7D%7B1%7DF(d-1%2Cm-1)(-1)%5E1%2B%E2%80%A6%2B%5Cbinom%7Bm%7D%7Bm%7DF(d-1%2C0)(-1)%5Em

由假设可以得到,F(d%2C%20m%2B1)%3D0

因此,m+1处假设成立,故对所有的m%5Cleq%20d假设F(d%2Cm)成立即在d处,原命题也成立。

综上%5Cforall%20d%5Cforall%20m%5Cleq%20d%2CF(d%2Cm)%3D0,故所求证得证。