把递推中不变的量或特殊形式找出来,往往能把非标准数列变成等差、等比数列。
递推换元的选择顺序
先看相邻项如何连接,再决定变换:差 an+1−an 只含 n 时累加;比 an+1/an 只含 n 且各项非零时累乘;an+1=pan+q 时平移到不动点;分母含 an 的简单分式可尝试取倒数;an+2 只与 an 相连时先分奇偶。
例如 a1=2,an+1−an=2n+1,累加 n−1 个等式得 an=2+∑k=1n−1(2k+1)=n2+1。若 a1=3,an+1/an=(n+1)/n,连乘得 an=3n。前者可以有零项;后者必须先确认比值有定义。
为什么平移到不动点
对 an+1=pan+q,希望将常数项吸收到一个固定中心 α 中。要求
an+1−α=p(an−α),
比较常数项就得到 α=pα+q。所以 p=1 时取 α=q/(1−p)。平移后的数列满足倍乘关系,完整通项及 p=0,1 的处理见下方“累加、累乘与一阶线性递推”。
这个选择有明确目的:使递推只描述相对于平衡值的变化。一般非线性递推即使存在不动点,减去它后也未必成为等比数列;须实际变形检查。
累加、累乘与一阶线性递推的三种解法
对 n≥1,若 an+1=an+F(n),逐个相加消去中间项,得到
an=a1+k=1∑n−1F(k).
若 an+1=anF(n),逐次代入得
an=a1k=1∏n−1F(k).
空和取0、空积取1,故两式也覆盖 n=1。乘积公式不要求各项非零;但把它写成比值连乘就必须先排除零项。
对 an+1=pan+q:若 p=1,累加得 an=a1+(n−1)q;若 p=1,令 bn=an+q/(p−1),则 bn+1=pbn,因而
an=pn−1(a1+p−1q)−p−1q.
p=0 时直接解释为 an=q(n≥2)并保留首项;不必使用含 00 的记号。q=0 时回到倍乘递推。bn 可能全零,此时倍乘等式仍成立。
对于 an+1=pan+F(n)、p=0,除以 pn+1,令 bn=an/pn,得到 bn+1−bn=F(n)/pn+1。累加后
an=pn−1a1+k=1∑n−1pn−1−kF(k).
这是第二种归一化解法。p=0 另有 an+1=F(n)。
第三种为待定系数:若 F 为 d 次多项式且 p=1,设同次多项式 g(n),使
g(n+1)−pg(n)=−F(n).
从最高次系数开始逐次比较:最高次项的系数乘 1−p=0,可唯一解出;往低次依次解出余下系数。于是 an+g(n) 满足倍乘递推。这既说明为何可设同次,也说明 p=1 时不能照用这个次数判断,应改为累加求和。
变系数归一化与消元
把乘数吸收到归一化因子中
设 an+1=pnan+qn,且各 pn=0。令 P1=1、Pn=∏j=1n−1pj,则 Pn+1=pnPn。除以 Pn+1 得
Pn+1an+1−Pnan=Pn+1qn,
从 1 累加到 n−1,得到
an=Pn(a1+k=1∑n−1Pk+1qk).
例如 pn=n+1 时 Pn=n!,正是将递推除以阶乘的依据。若某个 pn=0,该步直接给出 an+1=qn;应从这个新初值重新处理后续区段,不能除以为零的连乘积。
作差消去常量,或消去部分和
若递推含同一个未知常量 c,可把相邻两个等式相减消去 c。但差分后的关系可能丢失原首个等式,恢复通项时必须保留它。例如 an+1=pan+c 作差后得到
an+2−(p+1)an+1+pan=0,
这只能说明 an+1−pan 是某个常量;要保证恰为原来的 c,还须使用 a2−pa1=c。
当 Sn 与 an 同时出现时,可利用 an=Sn−Sn−1(n≥2)消去 an,或者将含 Sn 的关系与前一项相减,利用 Sn−Sn−1=an 消去 Sn。两种办法都应单独保留 S1=a1;若约定 S0=0,仍要检查原递推是否允许在 n=1 使用。消元后还需把结果代回原关系,排除差分引入的额外常量。
分式线性递推:两个不动点的换元
设 f(x)=(Ax+B)/(Cx+D),C=0,AD−BC=0。数列满足 an+1=f(an),每一步须有 Can+D=0。不动点是满足 f(x)=x 的数,即方程
Cx2+(D−A)x−B=0
的根;在行列式非零的条件下,该方程的根不会使 Cx+D=0。
设有两个不同不动点 α,β。由 B−Dα=−α(A−Cα) 得
f(x)−α=Cx+D(A−Cα)(x−α).
对 β 写出相同形式并相除,得到
f(x)−βf(x)−α=λx−βx−α,λ=A−CβA−Cα.
这里 A−Cβ=0,否则由不动点等式将推出 AD−BC=0。若初值为任一不动点,原数列恒定;除此之外,令 un=(an−α)/(an−β),则
un=λn−1u1,an=1−unα−βun.
反解要求 un=1。若某项使反解分母或原递推分母为零,所求实数数列只能定义到此前,不能把形式通项当成无限数列。
重不动点的换元另见递推换元。非实不动点也可在复数范围内作同样变换,但周期须检查乘子 λ 是否为单位根及所有项是否有定义,不能只凭“不动点为复数”判断周期。
例:倒数换元
a1=1,an+1=an/(1+an)。先归纳得到 an>0,所以可取倒数:1/an+1=1/an+1。故 1/an=n,an=1/n。
隔项递推需要两个初值
设 a1=1,a2=3,an+2=2an。奇数项与偶数项分别满足等比递推,因此
a2k−1=2k−1,a2k=3⋅2k−1(k≥1).
于是 S2m=4(2m−1),S2m+1=5⋅2m−4。不能由 an+2/an=2 推断整个数列公比为 2:相邻项之比分别为 3 与 2/3。求和时将每个奇偶对合并,比强行写含 (−1)n 的统一通项更清楚。
按事件先后顺序建立数量变化模型
某容器最初有 100 单位溶质,每轮先均匀排出其中的 20%,再加入含 10 单位溶质的新溶液。记第 n 轮操作结束后的溶质量为 an,初态为 a0=100,则
an+1=0.8an+10,an+1−50=0.8(an−50).
因此 an=50+50(0.8)n。要求首次少于 60,等价于 (0.8)n<0.2;因 (0.8)7=0.2097152、(0.8)8=0.16777216,首次为第八轮。
若先加入再排出,递推应改为 an+1=0.8(an+10),不动点随之变为 40。建模时先明确初态是第零轮还是第一轮,再逐项翻译操作顺序,最后将实数范围转成整数轮次。
关联阅读
进一步阅读:递推换元:重不动点、根式与三角形式 · 前缀和消元、耦合递推与双指标递推。
先修:等差与等比数列 · 方程、方程组与换元。
同主题:数列求和:裂项、错位与差分 · 二阶线性递推与特征根。
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