Разложение рациональной функции в ряд

Определения

Определение:

Рациональная функция — это функция вида: [math]G(z)=\dfrac{P(z)}{Q(z)}[/math], где [math]P[/math] и [math]Q[/math] - полиномы.

Рациональные производящие функции получаются при решении линейных рекуррентных соотношений. По этой причине актуальной является задача о разложении рациональной функции в ряд по степеням переменной [math]z[/math].
Чтобы разложить дробь в ряд, необходимо разбить её на сумму элементарных дробей.

Определение:

Элементарными дробями будем называть дроби вида: [math]\dfrac{A}{(x-a)^n}, \qquad \dfrac{Bx + C}{(x^2 + px + q)^m}[/math], где [math] m, n \geqslant 1[/math], и [math]p^2 - 4q \lt 0[/math]

Затем, элементарные дроби сможем разложить в ряд, пользуясь формулами преобразования производящих функций и таблицей производящих функций.

Общий алгоритм

1. Привести дробь [math]\dfrac{P(z)}{Q(z)}[/math] к такому виду, чтобы степень числителя была меньше степени знаменателя. Если [math]\deg(P) \gt \deg(Q)[/math], то можем записать [math]G(z)=\dfrac{P(z)}{Q(z)} = R(z)+\dfrac{P_0(z)}{Q(z)},[/math] где [math]\deg(P_0) \lt \deg(Q)[/math].
2. Отыскать корни уравнения [math]Q(z)=0[/math] и разбить знаменатель на множители вида [math](z_s-z)^{k_s}[/math] (здесь [math]z_s[/math] — корень кратности [math]k_s[/math]).
3. Записать сумму дробей, знаменатили которых будут иметь вид [math](z_s-z)^{k_s}[/math], а числители — полиномы с неопределёнными коэффициентами, имеющие степень [math]k_s-1[/math].
4. Сложить выписанные дроби и сгруппировать слагаемые в числителе по степеням [math]z[/math].
5. Приравнять полученные выражения с неопределёнными коэффициентами к соответсвующим коэффициентам полинома [math]P(z)[/math], составив, таким образом, систему линейных уравнений.
6. Решить систему и получить значения неопределённых коэффициентов.

Примеры

Разложить в ряд функцию [math] G(z)=\dfrac{8+4z}{1-z-z^2+z^3}.[/math] Разложим знаменатель функции на множители [math] 1-z-z^2+z^3=(1+z)(1-z)^2,[/math] тогда [math]G(z)=\dfrac{8+4z}{1-z-z^2+z^3}=\dfrac{8+4z}{(1+z)(1-z)^2}.[/math]

Представим функцию на сумму двух дробей, причем у первой в числителе будет полином степени [math]0[/math], а у второй степени [math]1[/math]

[math]G(z)=\dfrac{8+4z}{1-z-z^2+z^3}=\dfrac{A}{(1+z)}+\dfrac{Bz+C}{(1-z)^2},[/math]

где [math]A, B[/math] и [math]C[/math] — некоторые константы. Для того, чтобы найти эти константы, нужно сложить дроби:

[math]\dfrac{A}{(1+z)}+\dfrac{Bz+C}{(1-z)^2}=\dfrac{A(1-z)^2+(Bz+C)(1+z)}{(1+z)(1-z)^2}=\dfrac{(A+B)z^2+(B+C-2A)z+(A+C)}{(1+z)(1-z)^2}=\dfrac{8+4z}{(1+z)(1-z)^2}.[/math]

Из последнего равенства, сравниваем коэффициенты при соответствующих степенях в числителе
[math]A+B=0[/math] - это коэффициент при [math]z^2[/math],
[math]B+C-2A=4[/math] - это коэффициент при [math]z^1[/math],
[math]A+C=8[/math] - это коэффициент при [math]z^0[/math].

Решая систему из трех уравнений, находим
[math]A=1[/math],
[math]B=-1[/math],
[math]C=7[/math].

Получаем

[math] \dfrac{A}{(1+z)}+\dfrac{Bz+C}{(1-z)^2} =\dfrac{1}{1+z}+\dfrac{-z+7}{(1-z)^2}=\dfrac{1}{1+z}+\dfrac{7}{(1-z)^2}-\dfrac{z}{(1-z)^2}. [/math]

Эти дроби разложим в ряд, пользуясь таблицей производящих функций и формулами преобразования:

[math]\dfrac{1}{1+z}=\sum_{n=0}^\infty a_n x^n [/math]

[math]\dfrac{7}{(1-z)^2}=\sum_{n=0}^\infty a_n x^n [/math]

[math]\dfrac{z}{(1-z)^2}=\sum_{n=0}^\infty a_n x^n .[/math]

[math]\textstyle\sum_{k=1}^N k^2[/math]