问题

这个递推数列如何能手工解出来?

回答
好的,我们来聊聊怎么“玩转”这个递推数列,把它从一堆数字变成一个清晰可见的通项公式。我尽量用最接地气的方式,把整个过程讲明白,让你感觉就像在跟老朋友一块儿琢磨问题一样。

咱们先假设一下,你遇到的这个递推数列长得大概是这个样子:

$a_n = p cdot a_{n1} + q cdot a_{n2} + f(n)$

其中,$p$ 和 $q$ 都是常数,$a_{n1}$ 和 $a_{n2}$ 是它前面两项,$f(n)$ 呢,就是个额外的“捣乱分子”,可能是个常数,也可能是个关于 $n$ 的函数。我们今天就先聚焦在 $f(n)$ 是常数或者简单函数的情况,因为这些是最常见也最容易手工解的。

第一步:认识你的“对手”——递推数列的类型

就像打仗需要先了解敌情一样,咱们得先看看这个递推数列属于哪一类,这样才能对症下药。

1. 齐次线性递推数列 (Homogeneous Linear Recurrence Relation): 如果你看到的是 $a_n = p cdot a_{n1} + q cdot a_{n2}$ (也就是 $f(n) = 0$),那它就是个齐次的。这类最简单,一般通过特征方程来搞定。

2. 非齐次线性递推数列 (Nonhomogeneous Linear Recurrence Relation): 如果 $f(n)$ 不是零,比如是个常数、一个指数函数、或者一个多项式函数,那就是非齐次的。这类稍微麻烦点,我们一般会把它拆成两部分来解决:通解 = 齐次部分的通解 + 特解。

第二步:对付齐次部分——特征方程立大功

假设我们现在处理的是 $a_n = p cdot a_{n1} + q cdot a_{n2}$。怎么解它呢?秘密武器就是“特征方程”。

我们先猜一个解的形式,比如 $a_n = r^n$ (这个 $r$ 是个未知数)。为什么猜成这样?因为如果每一项都是前一项的某个常数倍,那整个数列就像是等比数列一样增长,指数形式很合适。

把 $a_n = r^n$ 代入到递推公式里:

$r^n = p cdot r^{n1} + q cdot r^{n2}$

为了简化,我们把两边同时除以 $r^{n2}$(假设 $r eq 0$):

$r^2 = p cdot r + q$

移项一下,你就得到了我们的明星——特征方程:

$r^2 pr q = 0$

这是一个关于 $r$ 的二次方程。解这个方程,我们就能得到 $r$ 的值。根据 $r$ 的值会有几种情况:

情况一:两个不相等的实根 $r_1, r_2$
如果特征方程有两个不同的实根,比如 $r_1$ 和 $r_2$,那么齐次部分的通解就是:
$a_n^{(h)} = C_1 cdot r_1^n + C_2 cdot r_2^n$
这里的 $C_1$ 和 $C_2$ 是常数,它们的值需要根据数列的初始条件(比如 $a_0, a_1$ 的值)来确定。

情况二:两个相等的实根 $r$
如果特征方程只有一个实根,也就是 $r_1 = r_2 = r$,那么齐次部分的通解是:
$a_n^{(h)} = (C_1 + C_2 n) cdot r^n$
注意这里的区别,多了一个 $n$ 的因子。

情况三:一对共轭复根 $r_{1,2} = alpha pm ieta$
如果解出来的是复数根,通常可以写成极坐标形式 $r = ho (cos heta pm isin heta)$。这时候通解可以写成:
$a_n^{(h)} = ho^n (A cos(n heta) + B sin(n heta))$
或者也可以用指数形式 $a_n^{(h)} = C_1 r_1^n + C_2 r_2^n$,只不过计算起来可能更复杂一点。

求常数 $C_1, C_2$ (或者 $A, B$)

一旦你有了齐次部分的通解表达式,就需要用数列的初始条件(比如 $a_0, a_1$)来“锁定”这些常数。假设你知道 $a_0$ 和 $a_1$:

1. 将 $n=0$ 代入通解公式,得到一个关于 $C_1, C_2$ 的方程。
2. 将 $n=1$ 代入通解公式,再得到一个关于 $C_1, C_2$ 的方程。
3. 解这个方程组,就能算出 $C_1, C_2$ 的具体值了。

第三步:搞定非齐次部分——特解的“猜想”

现在轮到那个 $f(n)$ 了。对于非齐次线性递推数列 $a_n = p cdot a_{n1} + q cdot a_{n2} + f(n)$,它的通解是:

$a_n = a_n^{(h)} + a_n^{(p)}$

其中,$a_n^{(h)}$ 是同质部分的通解(我们刚才讲的),$a_n^{(p)}$ 就是特解。特解怎么找?这就要看 $f(n)$ 的“脸色”了,我们得“猜”一个特解的形式。

如果 $f(n) = k$ (一个常数)
咱们猜特解形式是 $a_n^{(p)} = A$ (一个常数)。代入原式:
$A = pA + qA + k$
解出 $A = frac{k}{(1 p q)}$。当然,前提是 $1 p q eq 0$。如果分母是零,那可能要换个思路了,或者这个猜想就不适用了。

如果 $f(n) = k cdot x^n$ (指数函数)
猜特解形式是 $a_n^{(p)} = A cdot x^n$。代入原式:
$A cdot x^n = p cdot A cdot x^{n1} + q cdot A cdot x^{n2} + k cdot x^n$
两边同时除以 $x^{n2}$:
$A cdot x^2 = p cdot A cdot x + q cdot A + k cdot x^2$
移项并合并同类项:
$A(x^2 px q) = k cdot x^2$
解出 $A = frac{k cdot x^2}{x^2 px q}$。
但是要注意! 如果你猜的 $x$ 恰好是特征方程的根(也就是 $x^2 px q = 0$),那这个公式就不适用了!这时候就需要稍微调整一下特解的形式:
如果 $x$ 是单根,猜 $a_n^{(p)} = A cdot n cdot x^n$。
如果 $x$ 是重根,并且 $f(n)$ 也是重根对应的形式,那可能要猜 $a_n^{(p)} = A cdot n^2 cdot x^n$。

如果 $f(n)$ 是一个关于 $n$ 的多项式,比如 $f(n) = c_m n^m + dots + c_0$
我们就猜特解形式是一个同次数的多项式:$a_n^{(p)} = A_m n^m + A_{m1} n^{m1} + dots + A_0$。
然后把这个多项式代入原递推公式,两边都是关于 $n$ 的多项式,比较系数就能求出 $A_m, dots, A_0$ 了。
同样要注意! 如果特征方程的根是 1,并且 $f(n)$ 是常数项(比如 $f(n)=k$),这时候单纯猜常数特解可能不行。如果特征方程有根 1,并且 $f(n)$ 是 $n$ 的多项式,那么你猜的特解多项式的次数需要相应地提高。比如,如果 $f(n)$ 是一个 $m$ 次多项式,而特征方程的根 1 是 $s$ 重根(比如 $s=1$ 或 $s=2$),你就需要猜一个 $(m+s)$ 次的多项式作为特解。

最后一步:整合答案——通解到具体解

当你找到了齐次部分的通解 $a_n^{(h)}$ 和特解 $a_n^{(p)}$ 后,把它们加起来,就得到了非齐次递推数列的通解:

$a_n = a_n^{(h)} + a_n^{(p)}$

最后,就像我们解齐次部分时那样,再利用数列的初始条件(比如 $a_0, a_1$)去确定这个包含 $a_n^{(h)}$ 和 $a_n^{(p)}$ 的新表达式中的常数,就能得到最终的、满足特定初始条件的那个数列的通项公式了。

举个小例子让你感受一下

假设我们要求解递推数列 $a_n = 3a_{n1} 2a_{n2}$,并且已知 $a_0 = 0, a_1 = 1$。

1. 类型判断: 这是个齐次线性递推数列。
2. 特征方程: $r^2 3r + 2 = 0$
3. 解特征方程: $(r1)(r2) = 0$,所以根是 $r_1 = 1, r_2 = 2$。这是两个不相等的实根。
4. 齐次通解: $a_n^{(h)} = C_1 cdot 1^n + C_2 cdot 2^n = C_1 + C_2 cdot 2^n$
5. 利用初始条件求常数:
$n=0: a_0 = 0 = C_1 + C_2 cdot 2^0 = C_1 + C_2$
$n=1: a_1 = 1 = C_1 + C_2 cdot 2^1 = C_1 + 2C_2$
解方程组:
$(C_1 + 2C_2) (C_1 + C_2) = 1 0 implies C_2 = 1$
$C_1 + 1 = 0 implies C_1 = 1$
6. 最终通项公式: 将 $C_1, C_2$ 代回 $a_n^{(h)}$:
$a_n = 1 + 1 cdot 2^n = 2^n 1$

你看,通过这一步步的分析和计算,一个看似复杂的递推数列就变得清晰起来了。虽然一开始可能会觉得有点绕,但掌握了特征方程和特解的猜想技巧,很多常见类型的递推数列都可以“降服”!关键是要多练习,熟悉各种情况的处理方法。

网友意见

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看我这篇文章(B15是我自己瞎搞的一个编号,不要在意细节)


这来源于一个观察,对于 ,如果说 是方程 的解,那么是公比为等比数列(点进链接查看推导过程),然后就能解出 了。这个可以分几个小问包装成高考题,建议高中生按这个步骤动手试试。(在很多高考内卷的地区这种方法可能甚至都是必教的)

其实核心就是特征方程,simplex给出的是常见的一种处理手段,就是通过把它归结到矩阵的幂,然后用矩阵对角化来算这个幂。如果矩阵没法对角化,那就用Jordan标准型去算那个幂。建议大家学习。

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