母函數簡介


 

根據定義,這個序列作為函數的系數,稱G(x)就是序列的母函數。和一般意義上的函數相比,母函數的功能是計數。

 

從百度和維基上能找到的相關說明都顯得太學院派,不容易理解,還是用例子說明並引入吧。

 

有這樣一道例題:

 

到這一章為止,已知的計數法則就兩種,加法法則(或)和乘法法則(且)。前者是分類思想,后者是分步。

 

法1:分步來看,第一個骰子有1-5種可能,因為兩個骰子之和是6,所以一旦第一個骰子確定了,第二個骰子也就隨之確定。第一個骰子的每一種可能性都僅對應第二個骰子的唯一確定的點數。因此5*1=5種。

 

法2:分類來看,有可能是1+5=5+1或2+4=4+2或3+3=3+3,累加起來,一共五種可能。

 

當然這個是最最簡單的例子,也很容易想,但如果骰子有很多呢?

 

這種情況下,挨個挨個地枚舉顯然是愚蠢的。而伯努利在300年前已經研究過這個問題了,是關於“投擲m粒骰子時,點數總和為n的可能方案數”,這個問題乍看之下很復雜,令人懷疑人生。

 

那么先從簡單情形考慮,兩個骰子擲出n點,有多少種可能。這相當於把n拆分成兩個數的和,這時候對n枚舉就很復雜,所以對兩個骰子枚舉。第一個骰子,6種可能,相互之間是“或”的關系,對應的是加法,但是不能直接相加,因為這無法反映兩個骰子的疊加過程。

我們需要逐個分析一個骰子的不同情況,對於一個骰子,假如擲出2個點,就可以看作一個分步策略,相當於——先擲一個點,再擲一個點,所以是()^2,當然這樣不習慣,於是用x2來表示。那四個點是x4,因此可以用指數對應點數。

 

這樣就可以用(x+x2+…+x6)表示一個骰子的投擲過程,對於第二個骰子也是這樣,最后兩式相乘,x6前面的系數就是有多少種出現6點的方案。

 

最后的母函數求出來是

 

兩個骰子擲出n點的可能方法數就是求G(x)中xn的系數。實際上系數起了關鍵性的作用,母函數中的系數對應了計數序列。

 

 

那么回溯到最初伯努利提出的問題,m粒骰子就是m個多項式累乘

 

而要求點數總和為n的可能方案數,也就是求展開式中xn的系數。這可以看出來,對於這個多項式,我們並不關心它的值,現在關心的卻是它的系數了。(所以母函數確實是一位母親,計數序列作為系數就是她的孩子233)

 

所以母函數的定義我們可以進一步提煉出兩點

      1. 關注每一個計數的序列
      2. 每一個計數序列對應的是xn

而這個定義是拉普拉斯在研究概率的時候,研究了母函數的方法和相關定義。(1812年拉普拉斯在著作《概率的分析理論》第一卷中系統地研究了母函數的方法和有關理論)

 

 

最后總結一下,母函數實際上是用來做什么的,以及它和函數有什么區別。

對於母函數

      • 是計數工具,x的取值我們不關心,似乎只是個占位置的東西
      • 不考慮斂散性
      • 不考慮實際上的函數值
      • 形式冪級數(Formal power series)

 

雖然形式上是函數,但“似函數,非函數”。

 

那——為什么要引入一個母函數呢?因為在現實世界里,對於各種復雜的事件,我們要通過“映射”的方式將其簡化,比如說對於分數冪的運算十分困難,我們用一個對數映射將其簡化,再求原問題的解,就相對容易了。

 

 

 

在母函數中同樣如此,在一開始思考的骰子問題里,直接計算是十分困難的,后來發現通過分步來考慮的時候,把多項式引入,求出相應系數后再對應回來,就得到了解。

 

其實母函數蘊含的就是一種映射關系。

 

那么是什么原因使得母函數具備了計數的法則呢,在骰子那道題中,通過求系數來對應方案數是一個例子。分析一下,對於一般的多項式,可以寫成

 

這種形式,展開后的某個冪次的系數可以分為兩部分,分別來自於兩個括號里的某一項,這實際上就是對應的乘法法則

 

 所以實質上是多項式的乘法運算使母函數具有了計數能力。

 

“母函數就是一列用來展示一串數字序列的掛衣架”

——赫伯特·維爾夫

 

 


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