Арифметические действия с формальными степенными рядами

2017-05-23T18:13:48Z

178.70.203.72:

==Простейшие операции==
Рассмотрим два [[Производящая функция|формальных степенных ряда]] <tex>A(s) = a_0 + a_1 s + a_2 s^2 + \dots</tex> и <tex>B(s) = b_0 + b_1 s + b_2 s^2 + \dots</tex>.
{{Определение
|definition = '''Суммой''' (англ. ''addition'') формальных степенных рядов <tex>A</tex> и <tex>B</tex> называется ряд <tex>A(s) + B(s) = (a_0 + b_0) + (a_1 + b_1) s + (a_2 + b_2) s^2 + \dots</tex>.
}}
{{Определение
|definition = '''Произведением''' (англ. ''multiplication'') формальных степенных рядов <tex>A</tex> и <tex>B</tex> называется ряд <tex>A(s)B(s) = a_0 b_0 + (a_0 b_1 + a_1 b_0) s + (a_0 b_2 + a_1 b_1 + a_2 b_0) s^2 + \dots</tex>.
}}
Операции сложения и умножения формальных степенных рядов коммутативны и ассоциативны.

==Деление==
{{Лемма
|about = деление формальных степенных рядов
|statement = Пусть <tex>A(s) = a_0 + a_1 s + a_2 s^2 + a_3 s^3 + \dots </tex> {{---}} формальный степенной ряд, причем <tex>A(0) \ne 0</tex>. Тогда существует единственный формальный степенной ряд <tex>B(s) = b_0 + b_1 s + b_2 s^2 + b_3 s^3 + \dots </tex>, такой что <tex>A(s)B(s) = 1</tex>, то есть <tex>B(s) = A^{-1}(s)</tex>.
|proof =
:Проведем доказательство по индукции. Нам известно, что <tex>b_0 = \dfrac{1}{a_0}</tex>. Пусть теперь все коэффициенты ряда <tex>B</tex> вплоть до степени <tex>n - 1</tex> однозначно определены. Коэффициент при <tex>s^n</tex> определяется из условия <tex>a_0 b_n + a_1 b_{n - 1} + \dots + a_n b_0 = 0</tex>. Это линейное уравнение на <tex>b_n</tex>, причем коэффициент <tex>a_0</tex> при <tex>b_n</tex> отличен от нуля. Такое уравнение имеет единственное решение.
}}

==Композиция==
Пусть <tex>A(s) = a_0 + a_1 s + a_2 s^2 + \dots</tex> и <tex>B(s) = b_0 + b_1 s + b_2 s^2 + \dots</tex> {{---}} два формальных степенных ряда, причем <tex>B(0) = b_0 = 0</tex>.

{{Определение
|definition =
'''Композицией (подстановкой)''' (англ. ''composition'') формальных степенных рядов <tex>A</tex> и <tex>B</tex> называется ряд <tex>A(B(t)) = a_0 + a_1 b_1 t + (a_1 b_2 + a_2 b_1^2) t^2 + (a_1 b_3 + 2 a_2 b_1 b_2 + a_3 b_1^3) t^3 + \dots</tex>.
}}
Если, например, <tex>B(t) = -t</tex>, то <tex>A(B(t)) = A(-t) = a_0 -a_1 t + a_2 t^2 - a_3 t^3 + \dots</tex>.

Операция подстановки в случае, когда <tex>B(0) \ne 0</tex>, не определена. (При попытке подставить такой ряд возникает необходимость суммирования бесконечных числовых рядов).

==Обратная==
{{Теорема
|about = об обратном формальном степенном ряде
|statement = Пусть ряд <tex>B(t) = b_0 + b_1 t + b_2 t^2 + b_3 t^3 + \dots</tex> таков, что <tex>B(0) = b_0 = 0</tex>, а <tex>b_1 \ne 0</tex>. Тогда существуют такие ряды <tex> A(s) = a_1 s + a_2 s^2 + a_3 s^3 + \dots</tex>, <tex>A(0) = 0</tex> и <tex>C(u) = c_1 u + c_2 u^2 + c_3 u^3 + \dots</tex>, <tex>C(0) = 0</tex>, что <tex>A(B(t)) = t</tex> и <tex>B(C(u)) = u</tex>. При этом, ряды <tex>A</tex> и <tex>C</tex> единственны.

Производящие функции, соответствующие рядам <tex>A</tex> и <tex>C</tex>, называются соответственно '''левой''' и '''правой обратной''' (англ. ''left (right) inverse'') к производящей функции, соответствующей ряду <tex>B</tex>.
|proof =
:Докажем существование и единственность левой обратной функции. Доказательство для правой обратной аналогично.
:Будем определять коэффициенты ряда <tex>A</tex> последовательно. Коэффициент <tex>a_1</tex> определяется из условия <tex>a_1 b_1 = 1</tex>, откуда <tex>a_1 = \dfrac{1}{b_1}</tex>.
:Предположим теперь, что коэффициенты <tex>a_1, a_2, \dots, a_n</tex> уже определены. Коэффициент <tex>a_{n+1}</tex> определяется из условия <tex>a_{n+1} b_1^{n+1} + \dots = 0</tex>, где точками обозначен некоторый многочлен от <tex>a_1, \dots, a_n</tex> и <tex>b_1, \dots, b_n</tex>. Тем самым, условие представляет собой линейное уравнение на <tex>a_{n+1}</tex>, причем коэффициент <tex>b_1^{n+1}</tex> при <tex>a_{n+1}</tex> отличен от нуля. Такое уравнение имеет единственное решение, и теорема доказана.
}}

==См. также==
* [[Производящая функция]]

==Источники информации==
* ''Ландо С. К.'', Лекции о производящих функциях. {{---}} 3-е изд., испр. {{---}} М.: МЦНМО, 2007. {{---}} 144с. ISBN 978-5-94057-042-4

[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
[[Категория: Комбинаторика]]

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Арифметические действия с формальными степенными рядами