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  • 线性递推数列的通项公式(非常简单,三步完成)


    获取线性递推数列通项的方法有很多(参考百度百科:斐波那契数列),这里简单介绍一种容易理解的方法:待定系数法构造等比数列求特征方程,最终求得通项公式。

    证明过程理解即可,实际计算起来非常简单的。

    理论推导:

    通常我们得到的递推数列是这样的形式:

    f(n+2)=mf(n+1)+nf(n)

    目标是求f(n)的通项公式。

    首先,上面的递推数列通常可以写成下面这种形式:

    af(n+2)+bf(n+1)+cf(n)=0      ---------------------(式1)

    也叫二阶差分式(或者叫递推式)。

    为了求出一阶差分式,我们可以将原式写成如下形式:

    \begin{align*} f(n+2)-x_{1}f(n+1)&=x_{2}(f(n+1)-x_{1}f(n))\\ &=x_2^{n-1}(f(2)-x_1f(1)) \end{align*}

    其中x_1+x_2=\frac{-b}{a},x_1x_2=\frac{c}{a},因此上式就是以f(n+1)-x_1f(n)为元素的等比数列,公比为x_2。

    通过移项同时可得:

    \begin{align*} f(n+2)-x_2f(n+1)&=x_1(f(n+1)-x_2f(n))\\ &=x_1^{n-1}(f(2)-x_2f(1)) \end{align*}

    与上面的式子完全等价。

    两式子相减则有:

    (x_1-x_2)f(n)=x_1^n-x_2^n

     因此通项公式就求出来了:

    f(n)=\frac{x_1^n-x_2^n}{x_1-x_2}

    现在需要解出x1,x2:
    利用二次方程根与系数的关系,可知x_1,x_2恰为方程ax^2+bx+c=0的两根,注意这里的系数abc就是上面二阶差分式(式1)的系数,不用计算,可以直接拿来用。该二次方程就是原差分方程的特征方程。

     求方程的根解除x1,x2后带入通项公式即可得到f(n)的表达式。

    实际做题的计算步骤(更简单):

    1.移项写出二阶差分式,得到系数abc,也就获得了二次方程的系数abc。

    2.解出二次方程的两个根x1,x2。

    3.带入f(n)的通项公式即可。

    例子:

    斐波那契数列,它满足f(1)=f(2)=1,f(n+2)=f(n+1)+f(n),

    首先写出移项到左边的二阶差分式的标准形式:f(n+2)-f(n+1)-f(n)=0,获得系数abc分别为1,-1,-1,那么差分式的特征方程就为x^2-x-1=0,解得x_1=\frac{1+\sqrt5}{2}, x_2=\frac{1-\sqrt5}{2}

    带入通用的通项公式即可得到f(n)的通项公式:

    f(n)=\frac{x_1^n-x_2^n}{x_1-x_2}=\frac{(1+\sqrt5)^n-(1-\sqrt5)^n}{2^n\sqrt5}

    完。

    另外需要注意:该通项公式仅适用于线性的递推数列!

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