生成函数的思想怎样应用于组合恒等式?

生成函数在证明许多组合恒等式的过程中都十分有用哦 ~不过,我不是专门做组合的,所以这里我就抛砖迎玉讲个简单的吧 ~

我们以 Chu-Vandermonde 恒等式为例。二项式展开(Binomial theorem, Binomial expansion)告诉我们

\left(1-x\right)^{-\alpha}=\sum_{m=0}^{\infty}\frac{\left(\alpha\right)_m}{m!}x^m

\left(1-x\right)^{-\beta}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(\beta\right)_n}{n!}x^n

上面等式的左边就相当于右边 x^mx^n 前面序列生成函数(generating function)。把他俩乘在一起,就得到了

\sum_{m=0}^{\infty}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(\alpha\right)_m}{m!}\frac{\left(\beta\right)_n}{n!}x^{m+n} =\left(1-x\right)^{-\alpha}\left(1-x\right)^{-\beta}=\left(1-x\right)^{-\alpha-\beta}

然后,利用对 \left(1-x\right)^{-\alpha-\beta} 使用二项式定理进行展开,便得到了

\sum_{m=0}^{\infty}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(\alpha\right)_m}{m!}\frac{\left(\beta\right)_n}{n!}x^{m+n} =\sum_{m=0}^{\infty}\frac{\left(\alpha+\beta\right)_m}{m!}x^{m}

左边的二重级数可以进行重排,从而得到

\sum_{m=0}^{\infty}\left(\sum_{n=0}^{m}\frac{m!}{\left(m-n\right)!n!} \left(\alpha\right)_{m-n}\left(\beta\right)_n\right)\frac{x^{m}}{m!} =\sum_{m=0}^{\infty}\frac{\left(\alpha+\beta\right)_m}{m!}x^{m}

比较系数以后,我们便得到了:

\sum_{n=0}^{m}\frac{m!}{\left(m-n\right)!n!} \left(\alpha\right)_{m-n}\left(\beta\right)_n =\left(\alpha+\beta\right)_m

用组合数来表示的话就有

\sum_{n=0}^{m}\binom{m}{n} \left(\alpha\right)_{m-n}\left(\beta\right)_n =\left(\alpha+\beta\right)_m

或者,利用 \binom{-\lambda}{n}=\left(-1\right)^n\frac{\left(\lambda\right)_n}{n!} 将其写作

\sum_{n=0}^m\binom{\alpha}{m-n}\binom{\beta}{n}=\binom{\alpha+\beta}{m}

这里主要的关键步骤

\left(1-x\right)^{-\alpha}\left(1-x\right)^{-\beta}=\left(1-x\right)^{-\alpha-\beta}

也就是说,等式的两端可以通过两种不同的方式进行计算(这是常用的技巧)。其他非常多组合数的等式都是用这种方法得到的。除此之外,许多有关多项式序列的等式也是通过这种方法得到的,例如 Bernoulli 多项式,Euler 多项式等等。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:罗旻杰

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