Изменения
→Композиция
==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|id=def_mul|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==
{{Определение
|id = div
|definition=
'''Обратным по умножению''' (англ. ''multiplicative inverse'') к формальному степенному ряду <tex>A(s)</tex> называется такой ряд <tex>B(s)</tex>, что <tex>A(s)B(s) = 1</tex>. Обозначение: <tex>B(s) = A^{-1}(s)</tex>.
}}
{{Лемма
|proof =
:Проведем доказательство Распишем <tex>A(s)B(s)</tex> по формуле произведения рядов: <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>. Заметим, что условие <tex>A(s)B(s) = 1</tex> выполнено только в том случае, если <tex>a_0 b_0 = 1</tex>, а все остальные слагаемые полученного ряда равны нулю. :Докажем по индукции, что такой ряд <tex>B</tex> единственен. 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.}} {{Определение|definition='''Делением''' (англ. ''division'') формальных степенных рядов <tex>A(s)</tex> и <tex>B(s)</tex> называется операция <tex>\dfrac{A(s)}{B(s)} = A(s) B(s)^{-1}</tex> (при условии существования у <tex>B(s)</tex> обратного).
}}
===Примеры===
#Допустим, надо построить обратный ряд для <tex>A(s) = 1 + s</tex>. Воспользуемся леммой:
#:<tex>b_0 = \dfrac{1}{a_0} = \dfrac{1}{1} = 1</tex>
#:<tex>a_0 b_1 + a_1 b_0 = 0 \Rightarrow b_1 = - \dfrac{a_1 b_0}{a_0} = - \dfrac{1 \cdot 1}{1} = -1</tex>
#:<tex>a_0 b_2 + a_1 b_1 + a_2 b_0 = 0 \Rightarrow b_2 = - \dfrac{a_1 b_1 + a_2 b_0}{a_0} = - \dfrac{1 \cdot (-1) + 0}{1} = 1</tex>
#:<tex>\dots</tex>
#:<tex>b_n = - \dfrac{a_1 b_{n - 1}}{a_0} = -b_{n - 1}</tex>
#:<tex>B(s) = 1 - s + s^2 - s^3 + \dots</tex>
#Пусть теперь надо построить обратный ряд для <tex>A(s) = 1 - s - s^2</tex>:
#:<tex>b_0 = \dfrac{1}{a_0} = \dfrac{1}{1} = 1</tex>
#:<tex>b_1 = - \dfrac{a_1 b_0}{a_0} = - \dfrac{(-1) \cdot 1}{1} = 1</tex>
#:<tex>b_2 = - \dfrac{a_1 b_1 + a_2 b_0}{a_0} = - \dfrac{(-1) \cdot 1 + (-1) \cdot 1}{1} = 2</tex>
#:<tex>b_3 = - \dfrac{a_1 b_2 + a_2 b_1}{a_0} = - \dfrac{(-1) \cdot 2 + (-1) \cdot 1}{1} = 3</tex>
#:<tex>\dots</tex>
#:<tex>b_n = - \dfrac{a_1 b_{n - 1} + a_2 b_{n - 2}}{a_0} = b_{n - 1} + b_{n - 2}</tex>
#:<tex>B(s) = 1 + s + 2 s^2 + 3 s^3 + \dots</tex>
==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|id=def_in|definition = '''Композицией (подстановкой)'' ' (англ. ''composition'') формальных степенных рядов <tex>A</tex> и <tex>B</tex> называется формальный степенной 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 для вычисления коэффициентов результата возникает необходимость суммирования бесконечных числовых рядов).
==Обратная=={{Теорема |about = об обратном формальном степенном ряде|statement = Пусть Обратный 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.
{{Определение
|definition=
}}
{{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(t)</tex> является левым обратным, а <tex>C(u)</tex> {{---}} правым обратным для <tex>B(s)</tex>. При этом, ряды <tex>A</tex> и <tex>C</tex> единственны.
|proof =
:Докажем по индукции существование и единственность левой обратной функциилевого обратного ряда. Доказательство для правой обратной правого аналогично. :Будем определять коэффициенты ряда <tex>A</tex> последовательно. Коэффициент Поскольку <tex>a_1A(B(t)) = t</tex> определяется из условия , <tex>a_1 b_1 = 1</tex>, откуда <tex>a_1 = \dfrac{1}{b_1}</tex>. Все остальные коэффициенты результирующего ряда при этом равны нулю. :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 неокторый 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.
}}
===Пример===
Найдем левый обратный ряд для <tex>B(t) = t + t^2</tex>:
:<tex>a_0 = 0</tex>
:<tex>a_1 = \dfrac{1}{b_1} = 1</tex>
:<tex>a_1 b_2 + a_2 b_1^2 = 0 \Rightarrow a_2 = - \dfrac{a_1 b_2}{b_1^2} = - \dfrac{1 \cdot 1}{1^2} = -1</tex>
:<tex>a_1 b_3 + 2 a_2 b_1 b_2 + a_3 b_1^3 = 0 \Rightarrow a_3 = - \dfrac{a_1 b_3 + 2 a_2 b_1 b_2}{b_1^3} = - \dfrac{1 \cdot 0 + 2 \cdot (-1) \cdot 1}{1^3} = 2</tex>
:<tex>\dots</tex>
:<tex>A(s) = s - s^2 + 2 s^3 + \dots</tex>
==Сдвиги==
===Сдвиг вправо===
Сдвиг ряда вправо на <tex>k</tex> получается домножением его на <tex>s^k</tex>. Например, пусть исходный ряд <tex>A(s) = a_0 + a_1 s + a_2 s^2 + \dots</tex>. Сдвинем его на <tex>k</tex> вправо: <tex>B(s) = s^k \cdot A(s) = a_0 s^k + a_1 s^{k + 1} + a_2 s^{k + 2} + \dots = 0 + 0 s + 0 s^2 + \dots + a_0 s^k + a_1 s^{k + 1} + \dots</tex>.
===Сдвиг влево===
Сдвинуть ряд влево на <tex>k</tex> можно, вычтя из него первые <tex>k</tex> слагаемых и затем разделив его на <tex>s^k</tex>. Например, сдвинем ряд <tex>A(s) = a_0 + a_1 s + a_2 s^2 + \dots</tex> на <tex>k</tex> влево: <tex>B(s) = \dfrac{A(s) - (a_0 + a_1 s + a_2 s^2 + \dots + a_{k - 1} s^{k - 1})}{s^k} = a_k + a_{k + 1} s + a_{k + 2} s^2 + \dots</tex>.
Сдвиги могут быть полезны для упрощения вычисления производящих функций.
Например, попробуем получить функцию для чисел Фибоначчи, используя сдвиги. Пусть формальный степенной ряд для нее равен <tex>F(s) = f_0 + f_1 s + f_2 s^2 + \dots</tex>, при этом <tex>f_0 = f_1 = 1</tex>, <tex>f_n = f_{n - 2} + f_{n - 1}, n > 1</tex>. Рассмотрим сумму этого ряда и ряда, полученного из него сдвигом на <tex>1</tex> вправо: <tex>F(s) + s \cdot F(s) = (f_0 + f_1 s + f_2 s^2 + f_3 s^3 + \dots) + (0 + f_0 s + f_1 s^2 + f_2 s^3 + \dots) = (f_0 + 0) + (f_1 + f_0) s + (f_2 + f_1) s^2 + (f_3 + f_2) s^3 + \dots = f_1 + f_2 s + f_3 s^2 + f_4 s^3 + \dots</tex>. Заметим, что результат равен сдвигу <tex>F(s)</tex> на <tex>1</tex> влево. Составим и решим уравнение: <tex>F(s) + s \cdot F(s) = \dfrac{F(s) - 1}{s}</tex>; <tex>F(s)(s^2 + s - 1) = -1</tex>; <tex>F(s) = \dfrac{1}{1 - s - s^2}</tex>.
==См. также==
* [[Производящая функция]]
* [[Производящие функции нескольких переменных]]
* [[Разложение рациональной функции в ряд]]
==Источники информации==
