Изменения

Одно из наиболее привлекательных свойств рациональных [[Производящая функция|производящих функций ]] {{---}} их замкнутость относительно произведения Адамара.

Таким образом, произведение Адамара двух последовательностей {{---}} это последовательность, состоящая из почленных произведений соответственных членов этих последовательностей. Необходимость в производящей функции для произведения Адамара уже встречалась: в [[Задача о счастливых билетах|задаче о числе счастливых билетов ]] нам понадобилось вычислить сумму квадратов коэффициентов производящего многочлена <tex>A_3</tex>. Эта необходимость возникает при перечислении пар объектов одинакового порядка: если число объектов первого типа равно <tex>a_n</tex>, а число объектов второго типа <tex>b_n</tex> то число пар объектов, составленных из элементов первого и второго типа, равно <tex>a_n b_n</tex>.

{{Теорема|statement=Произведение =Рациональность произведения Адамара двух рациональных производящих функций рационально.}}Для доказательства этой теоремы нам понадобится новая характеризация рациональных производящих функций.==

Выражение в правой части равенства называется '''квазимногочленом ''' (англ. ''quasypolynomial'') от переменной <tex>n</tex>.

<tex>(1 - q s)^{-k} = 1 - \begin{pmatrix} -k \choose \ 1\end{pmatrix} q s + \begin{pmatrix} -k \choose \ 2\end{pmatrix} q^{2} s^{2} - \begin{pmatrix} -k\choose \ 3\end{pmatrix} q^{3} s^{3} + \dots = </tex>:::<tex> = 1+ \begin{pmatrix} k \choose \ 1\end{pmatrix} q s + \begin{pmatrix} k + 1 \choose \ 2\end{pmatrix} q^{2} s^{2} + \begin{pmatrix} k + 2 \choose \ 3\end{pmatrix} q^{3} s^{3} + \dots =</tex>:::<tex> = 1 + \begin{pmatrix} k \choose \ k - 1\end{pmatrix} q s + \begin{pmatrix} k + 1 \choose \ k - 1\end{pmatrix} q^{2} s^{2} + \begin{pmatrix} k + 2 \choose \ k - 1\end{pmatrix} q^{3} s^{3} + \dots</tex>

<tex>\fracdfrac{(n + 1)(n + 2)\dots(n + k - 1)}{(k - 1)!} q^{n} = P_{k - 1}(n) q^{n}</tex>,

Наоборот, предположим, что коэффициенты производящей функции, начиная с некоторого номера, представляются в виде квазимногочлена. Покажем, что в случае квазимногочлена <tex>p(n) q^{n}</tex> соответствующая производящая функция рациональна. Пусть степень многочлена <tex>p</tex> равна <tex>k - 1</tex>. Многочлены <tex>P_0, P_1, \dots, P_{k - 1}</tex>, определенные равенством <tex>\fracdfrac{(n + 1)(n + 2)\dots(n + k - 1)}{(k - 1)!} q^{n} = P_{k - 1}(n) q^{n}</tex>, образуют базис в пространстве многочленов степени не выше <tex> k - 1</tex>. Действительно, любая последовательность многочленов степеней <tex>0, 1, \dots, k - 1</tex> образует базис в этом пространстве. Поэтому многочлен <tex>p</tex> представляется в виде линейной комбинации многочленов <tex>P_i</tex> и соответствующая производящая функция есть просто линейная комбинация функций <tex>(1 - q s)^{-j}</tex>, <tex>j = 0, 1, \dots, k - 1</tex>.

{{Теорема|statement=Предположим, что производящие функции для последовательностей <tex>a_0, a_1, a_2, \dots</tex> и <tex>b_0, b_1, b_2, \dots</tex> <tex>A(s) =Доказательство теоремыa_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> являются рациональными. Значит производящая функция для их произведения Адамара  <tex>A(s) \circ B(s) =(a_0 b_0) + (a_1 b_1) s + (a_2 b_2) s^2 + \dots</tex>. является тоже рациональной. Проще говоря, произведение Адамара двух рациональных производящих функций рационально. |proof= Для завершения доказательства теоремы осталось заменитьзаметить, что произведение квазимногочленов является квазимногочленом. Это утверждение непосредственно вытекает из формулы <tex>a_n = p_1(n) q_1^n + \dots + p_l(n) q_l^n</tex>.}} == Примеры применения теоремы =={{Задача|definition = Представьте в виде квазимногочлена коэффициент производящей функции <tex>A(s)=\dfrac{1 + 2s}{(1 - 2s)(1 + 3s)}</tex>.}}Разобьем дробь на сумму простых дробей: <tex>A(s)=\dfrac{1 + 2s}{(1 - 2s)(1 + 3s)}=\dfrac{1/5}{1 + 3s} + \dfrac{4/5}{1 - 2s}</tex>. Воспользуемся результатом [[#lemma1|леммы]]: коэффициент при <tex>s^n</tex> равен <tex>\dfrac{(n + 1)(n + 2)\dots(n + k - 1)}{(k - 1)!} q^{n}</tex>. Для первой дроби <tex>k = 1,\, q = -3</tex>, для второй: <tex>k = 1,\, q = 2</tex>. Тогда <tex>a_{n} = \dfrac{1}{5} \cdot \dfrac{1}{(1 - 1)!} (-3)^{n} + \dfrac{4}{5} \cdot \dfrac{1}{(1 - 1)!} (2)^{n} =\dfrac{(-3)^{n}}{5} + \dfrac{4}{5} \cdot 2^{n} </tex>. {{Задача|definition = Представьте в виде квазимногочлена коэффициент производящей функции <tex>A(s)=\dfrac{s^2}{(1 - 2s)^{2}(1 + s)(1 - s)}</tex>.}}Разобьем на сумму простых дробей: <tex>A(s)=\dfrac{s^2}{(1 - 2s)^{2}(1 + s)(1 - s)} = \dfrac{1/18}{1 + s} + \dfrac{-8/9}{1 - 2s} + \dfrac{1/3}{(1 - 2s)^2} + \dfrac{1/2}{1 - s}</tex>. Первая дробь: <tex>k = 1,\, q = -1</tex>, вторая: <tex>k = 1,\, q = 2</tex>, третья: <tex>k = 2,\, q = 2</tex>, четвертая: <tex>k = 1,\, q = 1</tex>. Тогда, используя лемму, получаем, что <tex>a_{n} = \dfrac{(-1)^n}{18} - \dfrac{8}{9} \cdot 2^n + \dfrac{n + 1}{(2 - 1)!} \cdot 2^n + \dfrac{1}{2}\cdot 1^n = \left(n + \dfrac{1}{9}\right) \cdot 2^n + (-1)^{n}\dfrac{1}{18} + \dfrac{1}{2}</tex>. == См. также ==* [[Производящая функция]]* [[Задача о счастливых билетах]]