Genererar funktionstransformation

Inom matematik tillhandahåller en transformation av en sekvenss genererande funktion en metod för att omvandla genereringsfunktionen för en sekvens till en genererande funktion som räknar upp en annan. Dessa transformationer involverar vanligtvis integralformler som tillämpas på en sekvensgenererande funktion (se integraltransformationer ) eller viktade summor över de högre ordningens derivator av dessa funktioner (se derivattransformationer ).

Givet en sekvens, den ordinarie genererande funktionen (OGF) för sekvensen, betecknad och den exponentiella genererande funktionen (EGF) för sekvensen, betecknad , definieras av den formella potensserien

I den här artikeln använder vi konventionen att den ordinarie (exponentiella) genererande funktionen för en sekvens betecknas med versalfunktionen / för vissa fasta eller formell när sammanhanget för denna notation är tydligt. Dessutom använder vi parentesnotationen för koefficientextraktion från Concrete Mathematics- referensen som ges av . Huvudartikeln ger exempel på att generera funktioner för många sekvenser . Andra exempel på genererande funktionsvarianter inkluderar Dirichlet-genererande funktioner (DGF), Lambert-serier och Newton-serier . I den här artikeln fokuserar vi på transformationer av genererande funktioner i matematik och håller en löpande lista över användbara transformationer och transformationsformler.

Extrahera aritmetiska progressioner av en sekvens

Series multisection tillhandahåller formler för att generera funktioner som räknar sekvensen givet en vanlig genererande funktion där , , och . I de två första fallen där , kan vi utöka dessa aritmetiska progressionsgenererande funktioner direkt i termer av :

Antag mer generellt att och att betecknar den primitiva roten av enhet . Sedan har vi följande formel, ofta känd som roten till enhetsfiltret:

För heltal genereras en annan användbar formel som ger något omvända golvade aritmetiska progressioner av identiteten

Krafter hos en OGF och komposition med funktioner

De exponentiella Bellpolynomen , , definieras av den exponentiella genererande funktionen

Nästa formler för potenser, logaritmer och sammansättningar av formella potensserier utökas av dessa polynom med variabler i koefficienterna för de ursprungliga genererande funktionerna. Formeln för exponentialen för en genererande funktion ges implicit genom Bell-polynomen av EGF för dessa polynom definierade i föregående formel för någon sekvens av .

Ömsesidighet i en OGF (speciellt fall av potensformeln)

Effektserien för den reciproka av en genererande funktion, , utökas med

Om vi ​​låter beteckna koefficienterna i expansionen av den reciproka genereringen funktion, då har vi följande återkommande relation:

Befogenheter hos en OGF

Låt vara fixerad, anta att , och beteckna . Sedan har vi en serieexpansion för ges av

och koefficienterna uppfyller en återkommande relation av formen

En annan formel för koefficienterna, , utökas med Bell-polynomen som

där anger Pochhammer-symbolen .

Logaritmer för en OGF

Om vi ​​låter och definierar , då har vi en effektserieexpansion för den sammansatta genererande funktionen som ges av

där koefficienterna, , i den föregående expansionen uppfyller återfallsrelationen som ges av

och en motsvarande formel utökad med Bell-polynomen i form av potensseriekoefficienterna för följande genererande funktion:

Faà di Brunos formel

Låt beteckna sekvensens EGF, , och anta att är EGF för sekvensen, . Faà di Brunos formel innebär att sekvensen, , genererad av kompositionen den exponentiella klockan polynom enligt följande:

Integrerade transformationer

OGF ⟷ EGF-konverteringsformler

Vi har följande integralformler för som kan tillämpas termiskt med avseende på när tas som valfri formell potensvariabel:

Lägg märke till att den första och sista av dessa integralformler används för att konvertera mellan EGF till OGF för en sekvens och från OGF till EGF för en sekvens närhelst dessa integraler är konvergenta.

Den första integralformeln motsvarar Laplace-transformationen (eller ibland den formella Laplace–Borel- transformationen) för genererande funktioner, betecknad med , definieras i. Andra integralrepresentationer för gammafunktionen i den andra av de föregående formlerna kan naturligtvis också användas för att konstruera liknande integraltransformationer. En speciell formel resulterar i fallet med exemplet med dubbelfaktoriell funktion som ges omedelbart nedan i detta avsnitt. Den sista integralformeln jämförs med Hankels loopintegral för den reciproka gammafunktionen som tillämpas termiskt på potensserien för .

Exempel: En dubbelfaktoriell integral för EGF av Stirlingtalen av det andra slaget

Den enda faktoriella funktionen , , uttrycks som en produkt av två dubbla faktorfunktioner av formen

där en integral för dubbelfaktorfunktionen, eller rationell gammafunktion , ges av

för naturliga tal . Denna integrerade representation av innebär då att för fast icke-noll och eventuella integralpotenser , vi har formeln

För vilket som helst föreskrivet heltal kan vi använda den föregående integralrepresentationen tillsammans med formeln för att extrahera aritmetiska progressioner från en sekvens OGF som ges ovan, för att formulera nästa integralrepresentation för den så kallade modifierade Stirling nummer EGF as

som är konvergent förutsatt att lämpliga villkor för parametern .

Exempel: En EGF-formel för de högre ordningens derivator av den geometriska serien

För fast icke-noll definierad så att , låt den geometriska serien över de icke-negativa integralpotenserna för betecknas med . De motsvarande högre ordningens derivatorna av den geometriska serien med avseende på betecknas med sekvensen av funktioner

för icke-negativa heltal . Dessa derivator av den vanliga geometriska serien kan visas, till exempel genom induktion, för att tillfredsställa en explicit formel i sluten form som ges av

för alla när som helst . Som ett exempel på den tredje OGF EGF-konverteringsformeln som citeras ovan, kan vi beräkna följande motsvarande exponentiella former av genereringsfunktionerna :

Bråkintegraler och derivator

Bråkintegraler och bråkderivata (se huvudartikeln) bildar en annan generaliserad klass av integrations- och differentieringsoperationer som kan appliceras på OGF för en sekvens för att bilda motsvarande OGF för en transformerad sekvens. För definierar vi bråkintegraloperatorn (av ordningen genom integraltransformationen

som motsvarar den (formella) potensserien som ges av

För fast definierade så att , vi har att operatorerna . Dessutom, för fast och heltal som uppfyller vi kan definiera begreppet bråkderivatan som uppfyller egenskaperna som

och

för

där vi har semigroup-egenskapen att endast när ingen av är heltalsvärde.

Polylogaritmserietransformationer

För fasta har vi det (jämför med specialfallet för integralformeln för Nielsens generaliserade polylogaritmfunktion definierad i)

Lägg märke till att om vi sätter integralen med avseende på genereringsfunktionen, , i den sista ekvationen när motsvarar den Dirichlet-genererande funktionen , eller DGF, , ​​i sekvensen av förutsatt att integralen konvergerar. Denna klass av polylogaritmrelaterade integraltransformationer är relaterad till de derivatbaserade zetaserietransformationer som definieras i nästa avsnitt.

Fyrkantiga serier som genererar funktionstransformationer

För fast icke-noll så att och , vi har följande integralrepresentationer för den så kallade kvadratseriegenererande funktionen associerad med sekvensen som kan integreras termiskt med avseende på :

Detta resultat, som bevisas i referensen, följer av en variant av transformationsintegralen för dubbelfaktorialfunktioner för Stirlingtalen av det andra slaget som ges som exempel ovan. I synnerhet sedan

derivatbaserade OGF-transformationer som definieras i nästa avsnitt som involverar Stirlingtalen av det andra slaget för erhålla en integralformel för sekvensens genererande funktion, , och utför sedan en summa över derivatorna av den formella OGF, för att erhålla resultatet i föregående ekvation där den aritmetiska progressionsgenererande funktionen betecknas med

för varje fast .

Hadamard-produkter och diagonalgenererande funktioner

Vi har en integrerad representation för Hadamard-produkten av två genererande funktioner, och , angivna i följande form:

där jag är den imaginära enheten .

Mer information om Hadamard-produkter som diagonalgenererande funktioner för multivariata sekvenser och/eller genererande funktioner och klasserna av genererande funktioner som dessa diagonala OGF:er tillhör finns i Stanleys bok. Referensen tillhandahåller också kapslade koefficientextraktionsformler för formuläret

som är särskilt användbara i de fall där de komponentsekvensgenererande funktionerna, , kan expanderas i en Laurent-serie , eller bråkserie, i , såsom i det speciella fallet där alla de komponentgenererande funktionerna är rationella, vilket leder till en algebraisk form av motsvarande diagonalgenererande funktion.

Exempel: Hadamard-produkter med rationella genererande funktioner

I allmänhet är Hadamard-produkten av två rationella genererande funktioner i sig själv rationell. Detta ses genom att notera att koefficienterna för en rationell genererande funktion bildar kvasipolynomtermer av formen

där de reciproka rötterna, är fasta skalärer och där är en polynom i för alla . Till exempel Hadamard-produkten av de två genererande funktionerna

och

ges av formeln för rationell genererande funktion

Exempel: Faktoriella (ungefärliga Laplace) transformationer

Vanliga genererande funktioner för generaliserade faktoriella funktioner bildade som specialfall av de generaliserade stigande faktoriella produktfunktionerna, eller Pochhammer k-symbol , definierad av

där är fast, , och anger att Pochhammer-symbolen genereras (åtminstone formellt) av de Jacobi-typ J-fraktioner (eller speciella former av fortsatta fraktioner ) som fastställs i referensen. Om vi ​​låter : konvergent till dessa oändliga fortsatta bråk där komponentens konvergenta funktioner är definierade för alla heltal av

och

där anger ett associerat Laguerre-polynom , då har vi att konvergent funktion, , räknar upp produktsekvenserna exakt, , för alla . För varje utökas den

Dessutom, eftersom den enda faktoriella funktionen ges av både och vi kan generera de enskilda faktoriella funktionstermerna med hjälp av de ungefärliga rationella konvergenta genereringsfunktionerna upp till ordningen . Denna observation föreslår ett tillvägagångssätt för att approximera den exakta (formella) Laplace–Borel-transformen som vanligtvis ges i termer av den integrerade representationen från föregående avsnitt av en Hadamard-produkt, eller diagonalkoefficient, genererande funktion. I synnerhet, givet vilken OGF , kan vi bilda den ungefärliga Laplace-transformen, som är -ordning noggrann, genom den diagonala koefficientextraktionsformeln som anges ovan ges av

Exempel på sekvenser som räknas upp genom dessa diagonalkoefficientgenererande funktioner som härrör från sekvensfaktorialfunktionsmultiplikatorn som tillhandahålls av de rationella konvergenta funktionerna inkluderar

där anger en modifierad Bessel-funktion , betecknar underfaktorfunktionen , betecknar den alternerande faktoriella funktionen, och är ett Legendre-polynom . Andra exempel på sekvenser som räknas upp genom tillämpningar av dessa rationella Hadamard-produktgenererande funktioner som ges i artikeln inkluderar Barnes G-funktionen , kombinatoriska summor som involverar den dubbla faktorialfunktionen , summor av potenssekvenser och sekvenser av binomialer.

Derivattransformationer

Positiva och negativa ordningens zetaserietransformationer

För fast har vi att om sekvensen OGF har derivator av alla erforderliga ordningsföljder för , att zetaserietransformationen av positiv ordning ges av

där anger ett Stirlingtal av det andra slaget . I synnerhet har vi följande specialfallsidentitet när när anger triangeln av första ordningens Eulerska tal :

Vi kan också expandera negativa ordningens zetaserietransformationer med en liknande procedur som ovanstående expansioner som ges i termer av -ordningens derivator av vissa och en oändlig, icke-triangulär uppsättning generaliserade stirlingtal omvänt , eller generaliserade stirlingtal av det andra slaget som definieras i detta sammanhang.

Speciellt för heltal , definiera dessa generaliserade klasser av Stirlingtal av det andra slaget med formeln

Sedan för och några föreskrivna OGF, , dvs så att de högre ordningens derivatorna av existerar för alla , vi ha det

En tabell över de första zetaseriens transformationskoefficienter, , visas nedan. Dessa viktade övertonstalsexpansioner är nästan identiska med de kända formlerna för Stirlingtalen av det första slaget upp till det inledande tecknet på de viktade övertonstalstermen i expansionerna.

k
2
3
4
5
6

Exempel på transformationer av negativa ordningens zetaserier

Nästa serie relaterade till polylogaritmfunktionerna ( dilogaritm- respektive trilogaritmfunktioner ), den alternerande zetafunktionen och Riemann-zetafunktionen är formulerade från de tidigare resultat av negativa ordningsserier som finns i referenserna. Speciellt när (eller motsvarande, när i tabellen ovan), har vi följande specialfallsserier för dilogaritmen och motsvarande konstant värde för den alternerande zetafunktionen:

När (eller när i notationen som användes i föregående underavsnitt), får vi på samma sätt specialfallsserier för dessa funktioner som ges av

Det är känt att de första ordningens övertonstalen har en exponentiell genererande funktion i sluten form expanderad i termer av den naturliga logaritmen , den ofullständiga gammafunktionen och den exponentiella integralen som ges av

Ytterligare serierepresentationer för r-ordningens harmoniska tal exponentiellt genererande funktioner för heltal bildas som specialfall av dessa negativa ordningsderivatbaserade serietransformationsresultat. Till exempel andra ordningens övertonstal en motsvarande exponentiell genererande funktion utökad med serien

Generaliserade negativa ordningens zetaserietransformationer

En ytterligare generalisering av de negativa ordningens serietransformationer som definieras ovan är relaterad till mer Hurwitz-zeta-liknande eller Lerch-transcendent-liknande genererande funktioner. Specifikt, om vi definierar de ännu mer generella parametriserade Stirlingtalen av det andra slaget med

,

för icke-noll så att , och några fasta , vi har det

Dessutom, för alla heltal , har vi de partiella seriens approximationer till den fullständiga oändliga serien i den föregående ekvationen som ges av

Exempel på generaliserade zetaserietransformationer av negativ ordning

Serier för speciella konstanter och zeta-relaterade funktioner som härrör från dessa generaliserade derivatbaserade serietransformationer involverar vanligtvis de generaliserade övertonstalen av r-ordningen som definieras av för heltal . Ett par speciella serieexpansioner för följande konstanter när är fixerade följer av specialfall av identiteter av BBP-typ som

Flera andra serier för de zeta-funktionsrelaterade fallen av Legendre chi-funktionen , polygamma -funktionen och Riemann zeta-funktionen inkluderar

Dessutom kan vi ge en annan ny explicit serierepresentation av den inversa tangentfunktionen genom dess relation till Fibonacci-talen utökad som i referenserna med

för och där det gyllene snittet (och dess reciproka) respektive definieras av .

Inversionsrelationer och genererande funktionsidentiteter

Inversionsförhållanden

En inversionsrelation är ett par ekvationer av formen

vilket är ekvivalent med ortogonalitetsrelationen

Med tanke på två sekvenser, och , relaterade med en omvänd relation av den föregående formen, kan vi ibland försök att relatera OGF:erna och EGF:erna för sekvensparet genom funktionella ekvationer som impliceras av inversionsrelationen. Detta mål speglar i vissa avseenden den mer talteoretiska ( Lambert-serien ) genererande funktionsrelationen som garanteras av Möbius-inversionsformeln , som föreskriver att närhelst

genereringsfunktionerna för sekvenserna, och , är relaterade av Möbius-transformen som ges av

På liknande sätt, Euler-transformen av genererande funktioner för två sekvenser, och , som uppfyller relationen

ges i form av

där motsvarande inversionsformler mellan de två sekvenserna ges i referensen.

Resten av resultaten och exemplen som ges i detta avsnitt skisserar några av de mer välkända genererande funktionstransformationerna som tillhandahålls av sekvenser relaterade till inversionsformler (binomialtransformen och Stirlingtransformen ) , och tillhandahåller flera tabeller över kända inversionsrelationer av olika typer citeras i Riordans bok Combinatorial Identities . I många fall utelämnar vi motsvarande funktionella ekvationer som antyds av inversionsförhållandena mellan två sekvenser ( denna del av artikeln behöver mer arbete) .

Den binomala transformationen

Den första inversionsrelationen som tillhandahålls nedan implicit till den binomala transformen är kanske den enklaste av alla inversionsrelationer vi kommer att överväga i detta avsnitt. För två valfria sekvenser, och , relaterade av inversionsformlerna

vi har funktionella ekvationer mellan OGF:erna och EGF:erna för dessa sekvenser tillhandahållna av den binomala transformationen i form av

och

Stirlingförvandlingen

För alla sekvenspar, och { , relaterade till Stirlingtalsinversionsformeln

dessa inversionsrelationer mellan de två sekvenserna översätts till funktionella ekvationer mellan sekvens-EGF:erna som ges av Stirling-transformen som

och

Tabeller över inversionspar från Riordans bok

Dessa tabeller förekommer i kapitel 2 och 3 i Riordans bok som ger en introduktion till inversa relationer med många exempel, men som inte betonar funktionella ekvationer mellan genererande funktioner för sekvenser som är relaterade till dessa inversionsrelationer. Den intresserade läsaren uppmanas att hämta ett exemplar av originalboken för mer information.

Flera former av de enklaste omvända relationerna

Relation Formel Omvänd formel Genererande funktioner (OGF) Generera funktioner (EGF) Anteckningar / referenser
1 Se den binomala transformationen
2
3
4
5
6
7
8
Ser.
9
Generalisering av binomialtransformen för så att .
10
k -binomialtransformen (se )
11
Den fallande -binomialtransformen (se Spiveys artikel i )
12
Den stigande -binomialtransformen (se Spiveys artikel i )

Gould-klasser av omvända relationer

Termerna, och , i formulärets inversionsformler

som bildar flera specialfall av Gould-klasser av omvända relationer ges i nästa tabell.

Klass
1
2
3
4

För klass 1 och 2 uppfyller intervallet på summan och för klass 3 och 4 ges gränserna för summeringen av . Dessa termer är också något förenklade från deras ursprungliga former i tabellen genom identiteterna

De enklare Chebyshev omvända relationerna

De så kallade enklare fallen av Chebyshev-klasserna av omvända relationer i underavsnittet nedan ges i nästa tabell.

Relation Formel för Invers formel för
1
2
3
4
5
6
7

Formlerna i tabellen förenklas något av följande identiteter:

Dessutom gäller de inversionsrelationer som ges i tabellen när i en given relation.

Chebyshev klasser av omvända relationer

Termerna, och , i formulärets inversionsformler

för heltal som inte är noll ges som bildar flera specialfall av Chebyshev-klasser av omvända relationer i nästa tabell.

Klass
1
2
3
4

Dessutom gäller dessa inversionsrelationer även när för vissa eller när teckenfaktorn för skiftas från termerna till termerna . Formlerna i föregående tabell förenklas något av identiteterna

Den enklare Legendre omvända relationer

Relation Formel för Invers formel för
1
2
3
4
5
6
7
8

Legendre–Chebyshev klasser av omvända relationer

Legendre –Chebyshev av omvända relationer motsvarar formens inversionsrelationer

där termerna, och , implicit beror på någon fast icke-noll . I allmänhet, givet en klass av Chebyshev omvända par av formen

om ett primtal, ersättandet av , , och (eventuellt ersätter ) leder till en Legendre–Chebyshev par i formen

På liknande sätt, om det positiva heltal är sammansatt, kan vi härleda inversionspar av formen

Nästa tabell sammanfattar flera generaliserade klasser av Legendre–Chebyshev inversa relationer för något heltal som inte är noll .

Klass
1
2
3
4
5
6
7
8

Abel omvända relationer

Abels omvända relationer motsvarar Abels omvända par av formen

där termerna, och , implicit kan variera med någon obestämd summeringsparameter . Dessa relationer gäller även om binomialkoefficienten ersätter utförs för något icke-negativt heltal . Nästa tabell sammanfattar flera anmärkningsvärda former av dessa Abels omvända relationer.

siffra Generera funktionsidentitet
1
2
3
3a
4
4a
5

Inversa relationer härledda från vanliga genererande funktioner

Om vi ​​låter de konvolverade Fibonacci-talen , , definieras av

vi har nästa tabell med omvända relationer som erhålls från egenskaper hos vanliga sekvensgenererande funktioner som bevisats som i avsnitt 3.3 i Riordans bok.

Relation Formel för Invers formel för
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Observera att relationerna 3, 4, 5 och 6 i tabellen kan transformeras enligt substitutionerna och för något fast heltal som inte är noll .

Inversa relationer härledda från exponentiella genererande funktioner

Låt och beteckna Bernoulli-talen respektive Euler-talen och anta att sekvenserna, , och definieras av följande exponentiellt genererande funktioner :

Nästa tabell sammanfattar flera anmärkningsvärda fall av inversionsrelationer erhållna från exponentiella genererande funktioner i avsnitt 3.4 i Riordans bok.

Relation Formel för Invers formel för
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Multinomiala inverser

De inversa relationerna som används för att formulera den binomala transformationen som citeras i föregående underavsnitt är generaliserade till motsvarande tvåindex-inversa relationer för sekvenser av två index, och till multinomial inversionsformler för sekvenser av -index som involverar binomialkoefficienterna i Riordan. I synnerhet har vi formen av en tvåindex invers relation som ges av

och den mer allmänna formen av ett multinomiellt par av inversionsformler som ges av

Anteckningar

externa länkar