拉格朗日反演

2021-07-01 19:35:28 字數 1894 閱讀 8051

拉格朗日反演是求關於函式方程的冪級數展開係數非常重要的工具,可以用於組合計數函式的係數提取。

對任意域

f 我們定義其上的形式冪級數為:f(

x)=a

0+a1

x+⋯+

anxn

+⋯,a

i∈f.

記所有的形式冪級數為f[

[x]]

.(從交換代數的觀點來說f[

[x]]

實際上是多項式環f[

x]在理想(x

) 處的完備化。)

容易看到f[

[x]]

顯然的構成整環,我們記其商域為f(

(x))

,由形如:f(

x)=a

−mx−

m+⋯+

a−1x

−1+a

0+⋯+

anxn

+⋯的元素構成。

定理:若f(

x),g

(x)∈

f[[x

]]且f(

g(x)

)=x ,那麼 [x

n]g(

x)=1

n[x−

1]1f

(x)n

.

特別的,若 f

(x)=

x/ϕ(

x)那麼 [

xn]g

(x)=

1n[x

n−1]

ϕ(x)

n.這裡 [

xn]f

(x) 表示取 f

(x) 中 x

n 的係數。

證明:記g(

x)=∑

i≥1b

ixi ,由形式冪級數性質(無常數項的形式冪級數在復合運算下構成群)有x=

g(f(

x))=

∑i≥1

bif(

x)i.

求導可得1=

∑i≥1

ibif

(x)i

−1f′

(x).

為了得到bn

,我們兩邊除以f(

x)n 有

1f(x

)n=∑

i=1n

−1ib

ii−n

(f(x

)i−n

)′+n

bnf′

(x)f

(x)+

∑i>ni

bii−

n(f(

x)i−

n)′.

我們用運算元[x

−1] 作用兩邊,容易知道上式右邊前後兩項係數均為

0 (冪級數求導後不會出現x−

1的項),中間相計算如下f′

(x)f

(x)=

a1+2

a2x+

3a3x

2+⋯a

1x+a

2x2+

⋯=a1

+2a2

x+3a

3x2+

⋯a1x

⋅11+

(a2a

1x+a

3a1x

2+⋯)

=(x−

1+2a

2a1+

⋯)(1

−z(a

2a1+

a3a1

x+⋯)

).所以[x

−1]f

′(x)

f(x)

=1.簡單計算即得bn

=1n[

x−1]

1f(x

)n.

□ [1]. lagrange inversion formula.

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