母関数                                   戻る

 私が「母関数」というものに初めて出会ったのは、高1の順列・組合せの計算のときだった
と思う。母関数は生成関数とも言われる。

 例えば、大小2個のさいころを投げて、目の和が8になる場合の数を求める場合、

  (大,小)=(2,6)、(3,5)、(4,4)、(5,3)、(6,2) の5通り

とすれば、特段問題はないが、次のように求めてもいいということを理解するには多少時間
を要した。

 2個のサイコロを投げるとき、目の和が8となる場合の数は、多項式

    (x+x2+x3+x4+x5+x6)2

を展開したときの、x8 の係数を調べればよい。これが母関数との出会いである。

 実際に、 (x+x2+x3+x4+x5+x6)2

     =x2+2x3+3x4+4x5+5x6+6x7+5x8+4x9+3x10+2x11+x12

 よって、求める場合の数は、5通りである。

 高1のときは、左右対称な係数を覚えるだけで、それ以上の進展はなかったように思う。

 しかし、「目の積」の問題で、n 個のサイコロを投げるとき、目の積が2a・3b・5c となる場

合の数が、(1+x+x2+y+xy+z)nを展開したときの、xa・yb・zc の係数に等しいというこ
とや、そのページでの at さんによる母関数の豊かな応用を目にすると、もう少し母関数のこ
とをまとめておく必要性を痛感した。

 母関数は、18世紀頃、ド・モアブルやスターリング、オイラーたちによって考案されたという。

 母関数を初めて使ったのは、ド・モアブル(1667〜1754)で、1730年のことらしい。

例 2項定理 (1+x)3=1+3x+3x2+x3 における xk の係数 3Ck からも分かるように
  xk の係数は、異なる3個の文字から k 個取る場合の数に等しい。

 異なる3個の文字 a、b、c から文字を選ぶ場合、各文字について

 その文字を選ぶ場合 と その文字を選ばない場合

の2つの場合がある。

 そこで、各 a、b、c について、選ぶ場合は x 、選ばない場合は 1 として、文字 a には、多
項式 1+ax、文字 b には、多項式 1+bx、文字 c には、多項式 1+cx を対応させて考
える。

 換言すれば、文字 a を高々1度とる組合せを表す多項式が、1+ax ということである。

 よって、文字 a を高々2度とる組合せを表す多項式は、1+ax+a2x2 となる。

 このとき、

 (1+ax)(1+bx)(1+cx)=1+(a+b+c)x+(ab+bc+ca)x2+abcx3

となる。上式で、1、x、x2、x3 の係数を見ると、

 1:異なる3個の文字 a、b、c のどれも選ばない場合は、1通り

 x:異なる3個の文字 a、b、c から1個の文字を選ぶ場合は、 a、b、c の3通り

 x2:異なる3個の文字 a、b、c から2個の文字を選ぶ場合は、 ab、bc、ca の3通り

 x3:異なる3個の文字 a、b、c から3個の文字を選ぶ場合は、 abc の1通り

 異なる3個の文字 a、b、c からいくつかの文字を選ぶ場合の数の計算だけだったら、

a=b=c=1として、

 (1+x)(1+x)(1+x)=1+(1+1+1)x+(1+1+1)x2+1x3

すなわち、 (1+x)3=1+3x+3x2+x3 であったわけである。

 したがって、異なる3個の文字 a、b、c から文字を選ぶ場合の母関数は、

 (1+x)3=1+3x+3x2+x3

である。一般に、

 数列{an}に対して、形式的なべき級数 a0+a1x+a2x2+a3x3+・・・+anxn+・・・ を、

その数列の通常型母関数という。

例 3個の文字 a、a、b から文字を選ぶ場合の母関数は、

 (1+x+x2)(1+x)=1+2x+2x2+x3 である。

 これは、(1+ax+a2x2)(1+bx) と考えれば明らかだろう。

例 4個の文字 a、a、b、b から文字を選ぶ場合の母関数は、

   (1+x+x2)(1+x+x2)=1+2x+3x2+2x3+x4 である。

  これは、(1+ax+a2x2)(1+bx+b2x2) と考えれば明らかだろう。

 一般に、次が成り立つ。

 n 個のうち、m1、m2、・・・、mk 個が同じものであるとき、n 個のものから重複を許
して r 個とる組合せの数は、次の多項式の xr の係数に等しい。


 (1+x+x2+・・・+xm1)(1+x+x2+・・・+xm2)・・・(1+x+x2+・・・+xmk)

 ただし、n=m1+m2+・・・+mk とする。


例 5個の文字 a、a、a、b、b から重複を許して3個とる組合せの数を求めよ。

 求める場合の数は、 aaa、aab、abb の3通りである。

 この計算を母関数の考えを用いて行ってみよう。

 (1+x+x2+x3)(1+x+x2)=・・・+x3+・・・+x3+・・・+x3+・・・

より、x3 の係数は、1+1+1=3 なので、求める場合の数は、3通りである。

(証明) n 個のうち、

 a が m1個 、b が m2個 、・・・、c が mk 個 (n=m1+m2+・・・+mk)

とする。このとき、k個の多項式

 1+ax+a2x2+・・・+am1xm1

 1+bx+b2x2+・・・+bm2xm2

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

 1+cx+c2x2+・・・+cmkxmk

の積を考え展開したとき、

 x の係数 : a、b、・・・、c の和

 x2 の係数 : a、b、・・・、c から重複を許して2個ずつの積

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

 xr の係数 : a、b、・・・、c から重複を許して r 個ずつの積

である。 (証終)

 上記では、組合せの数が母関数から得られることを見たが、順列の数も母関数から得ら
れる。

 (1+ax)(1+bx)(1+cx)=1+(a+b+c)x+(ab+bc+ca)x2+abcx3

において、

 異なる3個の文字 a、b、c のどれも選ばない場合は、1通り

 異なる3個の文字 a、b、c から1個とる順列の数は、 a、b、c の3通り

 異なる3個の文字 a、b、c から2個とる順列の数は、

   ab、ba、bc、cb、ca、ac の6通り

  そこで、 ab+ba=2ab、 bc+cb=2bc、 ca+ac=2ca と考えれば、

  x2 の項は、(ab+bc+ca)x2=2(ab+bc+ca)x2/2! とも変形できる。

 異なる3個の文字 a、b、c から3個とる順列の数は、

  abc、acb、bac、bca、cab、cba の6通り

  そこで、 abc+acb+bac+bca+cab+cba=6abc と考えれば、

  x3 の項は、abcx3=6abcx3/3! とも変形できる。

 すなわち、

(1+ax)(1+bx)(1+cx)

=1+(a+b+c)x+(ab+bc+ca)x2+abcx3

=1+(a+b+c)x/1!+2(ab+bc+ca)x2/2!+6abcx3/3!

と考えることができる。ここで、 a=b=c=1 とすると、

  (1+x)3=1+3x/1!+6x2/2!+6x3/3!

となり、xr/r!の係数が、異なる3個のものより r 個とる順列の数に等しい。一般に、

(1+x)n

=nC0+nC1x+nC2x2+・・・+nCrxr+・・・+nCnxn

=nP0+nP1x/1!+nP2x2/2!+・・・+nPrxr/r!+・・・+nPnxn/n!


が成り立つ。

 一般に、数列{an}に対して、形式的なべき級数

 a0+a1x/1!+a2x2/2!+a3x3/3!+・・・+anxn/n!+・・・

を、その数列の指数型母関数という。

例 4個の文字 a、a、b、b から文字をいくつか選んで並べる場合の母関数は、

(1+ax/1!+a2x2/2!)(1+bx/1!+b2x2/2!)

=1+(a+b)x/1!+(a2/2!+ab/1!1!+b2/2!)x2

  +(ab2/1!2!+a2b/1!2!)x3+(a2b2/2!2!)x4

=1+(a+b)x/1!+(a2+2ab+b2)x2/2!+(3ab2+3a2b)x3/3!+6a2b2x4/4!

 である。

 このとき、例えば、4個の文字 a、a、b、b から3個とって並べる順列の数は、

 aab、aba、baa、abb、bab、bba の6通り

であるが、母関数のx3/3!の係数 3ab2+3a2b から

 aab+aba+baa+abb+bab+bba の6項

を意味するので、求める場合の数は、6通りであることが分かる。

 一般に、次が成り立つ。

 n 個のうち、m1、m2、・・・、mk 個が同じものであるとき、n 個のものから r 個とる
順列の数は、次の多項式の xr の係数に r!を掛けたものに等しい。

 

 ただし、n=m1+m2+・・・+mk で、0≦r≦n とする。


例 5個の文字 a、a、a、b、b から3個とる順列の数を求めよ。

 a 3個のとき、 1通り
 a 2個、b 1個のとき、 3通り
 a 1個、b 2個のとき、 3通り   以上から、求める場合の数は、 1+3+3=7(通り)

 この計算を母関数の考えを用いて行ってみよう。

 (1+x+x2/2+x3/6)(1+x+x2/2)=・・・+x3/2+・・・+x3/2+・・・+x3/6+・・・

より、x3 の係数は、 1/2+1/2+1/6=7/6 なので、3!=6 を掛けて、

 求める場合の数は、 (7/6)×6=7(通り)

(証明) n 個のうち、

 a が m1個 、b が m2個 、・・・、c が mk 個 (n=m1+m2+・・・+mk)

とする。このとき、k個の多項式

 1+ax+a2x2/2!+・・・+am1xm1/m1!

 1+bx+b2x2/2!+・・・+bm2xm2/m2!

   ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

 1+cx+c2x2/2!+・・・+cmkxmk/mk!

の積を考え展開したとき、

(ar1xr1/r1!)(br2xr2/r2!)・・・(crkxrk/rk!)

={1/(r1!r2!・・・rk!)}ar1br2・・・crkxr (r=r1+r2+・・・+rk)

は、r個のうち、a を r1 個、b を r2 個、・・・、c を rk 個とった1つの組合せに対応している。

 このときの係数 1/(r1!r2!・・・rk!) (r=r1+r2+・・・+rk) の和に r!を掛けたも

のが求める場合の数を与える。 (証終)

 母関数というと馴染みがないように感じるが、パスカルの三角形を考えているとき、母関数
の概念を無意識に使っていたことに気づかされる。

 また、パスカルの三角形を縦方向に見ると、母関数 (1−x)-n を与えているという事実は
面白い。

 F(x)=(1−x)-n とおくと、 F(0)=1 で、

 F’(x)=n(1−x)-n-1 より、 F’(0)=n

 F”(x)=n(n+1)(1−x)-n-2 より、 F”(0)=n(n+1)

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

 F(k)(x)=n(n+1)・・・(n+k−1)(1−x)-n-k より、F(k)(0)=n(n+1)・・・(n+k−1)

  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

 以上から、(1−x)-n を x=0 のまわりでマクローリン展開すると、

 (1−x)-n=1+nx+{n(n+1)/2}x2+・・・+{n(n+1)・・・(n+k−1)/k!}xk+・・・

  因みに、パスカルの三角形から

 (1−x)-1=1+1・x+1・x2+・・・+1・xk+・・・

 (1−x)-2=1+2・x+3・x2+・・・+(k+1)・xk+・・・

 (1−x)-3=1+3・x+6・x2+・・・+{(k+1)(k+2)/2}・xk+・・・

   ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

となり、マクローリン展開の結果と一致する。


(コメント) この関係は面白いですね!ある意味で、裏技です...。


 さらに、Fn(x)=(1−x)-n として、

 G(x)=F1(x)+x2F2(x)+x4F3(x)+x6F4(x)+x8F5(x)+・・・

とおくと、フィボナッチ数列の母関数になることが知られている。

実際に、 G(x)=1+x+x2+x3+x4+x5+・・・
              +x2+2x3+3x4+4x5+・・・・
                      +x4+3x5+・・・・
                               ・・・・・・
         =1+x+2x2+3x3+5x4+8x5+・・・

から、フィボナッチ数列 1,1,2,3,5,8,・・・ が得られる。

 ここで、G(x)は初項が (1−x)-1 で公比 x2(1−x)-1 の無限等比級数であるので、

  G(x)=(1−x)-1/{1−x2(1−x)-1}=1/(1−x−x2)

となる。ただし、収束条件は、 −1<x2(1−x)-1<1 すなわち、|2x+1|<
(形式的なべき級数なので、収束条件を考えても意味がないかな?)


 フィボナッチ数列 {an}は、漸化式

  a0=1、a1=1、an+2=an+1+an (n=0、1、2、・・・)

により定義される。漸化式の解法にも母関数の考えは用いられる。

 フィボナッチ数列{an}に対して、形式的なべき級数

    F(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+・・・+anxn+・・・

を考える。このとき、

  −xF(x)= −a0x−a1x2−a2x3−a3x4−・・・・−anxn+1−・・・

  −x2F(x)=    −a0x2−a1x3−a2x4−a3x5−・・・・−anxn+2−・・・

より、 (1−x−x2)F(x)=1 なので、 F(x)=1/(1−x−x2)

  これは上記で得られた母関数 G(x) と一致している。


 ここで、1−x−x2=0 即ち x2+x−1=0 の2つの解を α、β(α>β) とすると、

    α=(−1+)/2 、β=(−1−)/2  より、 α−β=

 さらに、 1/α=(1+)/2 、 1/β=(1−)/2

 このとき、 F(x)={1/(α−x)−1/(β−x)}/(α−β)

       ={1/{α(1−x/α)}−1/{β(1−x/β)}/(α−β)

       ={(1/α)Σ(x/α)n−(1/β)Σ(x/β)n)}/(α−β)

 xn の係数に着目して、

   an={(1/α)(1/α)n−(1/β)(1/β)n}/(α−β)

     ={(1/α)n+1−(1/β)n+1}/(α−β)

     =[{(1+)/2}n+1−{(1−)/2}n+1]/  (n=0、1、2、・・・)

 これは、フィボナッチ数列の一般項で、「ビネの公式」と言われる。


 当HP読者のK.S.さんから上記の話題について、メールを頂いた。
                                     (平成23年11月11日付け)

 α=(1+)/2 、β=(1−)/2 とおくと、 α+β=1、αβ=−1 である。

 このとき、 x/(1−x−x2)=(1/){1/(1−αx)−1/(1−βx)}

      =(1/){1+αx+α2x2+・・・+αnxn+・・・

            −1−βx−β2x2−・・・−βnxn−・・・}

      =(1/){(1−1)+(α−β)x+(α2−β2)x2+・・・}

 ここで、an=[{(1+)/2}n+1−{(1−)/2}n+1]/  (n=0、1、2、・・・)

なので、 x/(1−x−x2)=(1/){a0x+a1x2+・・・+anxn+1+・・・}

という形のフィボナッチ数列の母関数が得られる。


(コメント) 上記の母関数の両辺を x で割ると、当初得られた母関数が得られる。どちらの
      導入がより易しいのだろう?


 母関数を利用した漸化式の解法を見ると、次の問題にも使いたくなるような...気分!

問 題  次の4項間漸化式を解け。

    a0=1、a1=0、、a2=−5、 an+3−4an+2+5an+1−2an=0 (n≧0)

(特性方程式を利用する解)  x3−4x2+5x−2=0 は因数分解されて、

  (x−1)2(x−2)=0 より、 解は x=1、2

このとき、 x3−(α+β+γ)x2+(αβ+βγ+γα)x−αβγ=0 は、

  x3−(β+γ)x2+βγx=α{x2−(β+γ)x+βγ}

と変形されるので、 

 α=1、β=1、γ=2 のとき、

  an+3−3an+2+2an+1=an+2−3an+1+2an=a2−3a1+2a0=−3

 α=2、β=1、γ=1 のとき、

  an+3−2an+2+an+1=2(an+2−2an+1+an)

 ここで、 a2−2a1+a0=−4 なので、 an+2−2an+1+an=−4・2n=−2n+2

 よって、連立方程式 an+2−3an+1+2an=−3 、an+2−2an+1+an=−2n+2 から、

 an+1−an=3−2n+2

 したがって、n≧1のとき、

 an=a0+Σ[k=0〜n-1](3−2k+2)=1+3n−4(2n−1)=5+3n−2n+2

 この式は、n=0 のときも成り立つ。

  以上から、 an=5+3n−2n+2 (n≧0)  (終)


(母関数を利用する解)  数列{an}に対して、形式的なべき級数

 F(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+・・・+anxn+・・・

を考える。このとき、

 −4xF(x)= −4a0x−4a1x2−4a2x3−4a3x4−・・・−4anxn+1−・・・

 5x2F(x)=        5a0x2+5a1x3+5a2x4+・・・+5anxn+2+・・・

 −2x3F(x)=           −2a0x3−2a1x4−・・・−2anxn+3−・・・

より、 (1−4x+5x2−2x3)F(x)=1−4x  なので、

 F(x)=(1−4x)/(1−4x+5x2−2x3)=(1−4x)/{(1−x)2(1−2x)}

部分分数に分解して、

 F(x)=2/(1−x)+3/(1−x)2−4/(1−2x)

 =2Σxn+3(Σxn)2−4Σ(2x)n

 =2Σxn+3Σ(n+1)xn−4Σ2nxn

 xn の係数に着目して、 an=2+3(n+1)−4・2n=5+3n−2n+2  (終)


(コメント) (特性方程式を利用する解)では非常に技巧的な趣きがあるが、(母関数を利用
      する解)の方では、自然な流れというものを感じます。


 上記の解における手法を用いると、次の漸化式も容易に解けるだろう。

問 題  次の n+1 項間漸化式を解け。

    a0=1 、an=a0・an-1+a1・an-2+a2・an-3+・・・+an-1・a0  (n≧1)

(解) 数列{an}に対して、形式的なべき級数

 F(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+・・・+anxn+・・・

を考える。このとき、

   xF(x)2=   a02x+(a0・a1+a1・a0)x2+(a0・a2+a1・a1+a2・a0)x3+・・・

より、 F(x)−xF(x)2=1 すなわち、 xF(x)2−F(x)+1=0 となる。

 F(0)=1 なので、

  

 (解の公式で、複号のうち、「+」とすると、x→0 のとき、F(x)は発散してしまう!)

 2項級数より、

 

なので、F(x)の xn の係数は、 −1/2Cn+1(−4)n+1/2 である。

 ここで、

 1/2Cn+1=(1/2)(−1/2)(−3/2)・・・(−(2n−1)/2)/(n+1)!

  =(−1)n・1・3・5・・・・・(2n−1)/{2n+1・(n+1)!}

  =(−1)n・1・2・3・・・・・・(2n−1)・2n/{22n+1・n!(n+1)!}

  =(−1)n・(2n)!/{22n+1・n!(n+1)!}

  =(−1)n・2nCn/{22n+1・(n+1)}

なので、

 −1/2Cn+1(−4)n+1/2

=−[(−1)n・2nCn/{22n+1・(n+1)}]・(−1)n+1・22n+1=2nCn/(n+1)

 したがって、 an=2nCn/(n+1) となる。(→ 参考:「カタラン数」)


(コメント) この漸化式を、母関数を用いないで解くなんて想像できない!


(追記) 「母関数の有効利用」と題して、当HPがいつもお世話になっているHN「GAI」さん
    からの投稿です。(平成28年10月20日付け)

 ここ何日かの計算を行っていて、次のようなテーマを一気に解決できる母関数を作れるこ
とに気づきました。

 例えば、10個の奇素数の集合W={3,5,7,11,13,17,19,23,29,31}があるとき、

(1) Wから相異なるk個の積(k=1,2,3,・・・,10)の和s1[k]を知りたいなら

 F1(x)=(1+3*x)(1+5*x)(1+7*x)・・・・・(1+31*x) を展開して、

 F1(x) = 1 + 158*x + 10805*x^2 + 419800*x^3 + 10224018*x^4 + 162393924*x^5
     + 1695059330*x^6 + 11412878200*x^7 + 47114595181*x^8 + 106868339918*x^9
     + 100280245065*x^10

より、s1[k]=x^k の項の係数

(2) Wから同じものを含めたk個の積(3^k,7^(k-3)*17^2*23,などを含む。)の和s2[k]は

 F2(x)=1/((1-3*x)(1-5*x)(1-7*x)・・・・・(1-31*x)) を級数展開して、

 F2(x) = 1+ 158*x + 14159*x^2 + 949732*x^3 + 53174043*x^4 + 2630591814*x^5
     + 118986775397*x^6 + 5031681224656*x^7 + 202010077418806*x^8
     + 7785253969285508*x^9 + 290375919746318634*x^10
     + 10546897376137664232*x^11 + O(x^12)

より、s2[k]=x^k の項の係数


(3) Wの各要素のk乗の和S[k](=3^k+5^k+7^k+・・・・・+31^k)(k=1,2,3,・・・,10)を知りたいなら、

  F3[x]=(x-3)(x-5)(x-7)・・・・・(x-31) を準備して、
 (x^10*x*F3[x])を微分したものをF3[x]で割り、その商を求める。(kは最大で10までなので)

<これをPARIのソフトで実行したもの>

 gp>F3(x)=prod(k=2,11,x-prime(k))
 gp>divrem(deriv(x^10*x*F3(x)),F3(x))[1]を実行して

 = 21*x^10 + 158*x^9 + 3354*x^8 + 82142*x^7 + 2170794*x^6 + 60025118*x^5
  + 1708278714*x^4 + 49554665822*x^3 + 1456444007754*x^2 + 43202201145758*x
  + 1290073179869274

より、S[k]=x^(10-k)の項の係数(S[10]は定数項に対応する。)

(確かめ) gp>for(k=1,10,print("S[",k,"]=",sum(i=2,11,prime(i)^k)))
S[1]=158
S[2]=3354
S[3]=82142
S[4]=2170794
S[5]=60025118
S[6]=1708278714
S[7]=49554665822
S[8]=1456444007754
S[9]=43202201145758
S[10]=1290073179869274


(追記) 令和3年4月26日付け

 数列{an}に対して、形式的なべき級数

   a0+a1x+a2x2+a3x3+・・・+anxn+・・・

は、その数列の通常型母関数と言われるが、具体的な例をまとめておこう。

例1. an=1 (n=0、1、2、3、・・・) のとき、

   1+x+x2+x3+・・・+xn+・・・=1/(1−x)

例2. an=(−1)n (n=0、1、2、3、・・・) のとき、

   1−x+x2−x3+・・・+(−1)nxn+・・・=1/(1+x)

例3. an=n (n=0、1、2、3、・・・) のとき、

   x+2x2+3x3+・・・+nxn+・・・=x/(1−x)2

 この母関数は、 1+x+x2+x3+・・・+xn+・・・=1/(1−x) の両辺を微分して、x を
掛けて得られる。

 実際に、まず、 1+x+x2+x3+・・・+xn+・・・=1/(1−x) を微分して、

     1+2x+3x2+4x3+・・・+nxn-1+・・・=1/(1−x)2

   よって、 x+2x2+3x3+・・・+nxn+・・・=x/(1−x)2

例4. an=2n (n=0、1、2、3、・・・) のとき、

   1+2x+22x2+23x3+・・・+2nxn+・・・=1/(1−2x)

例5. an=n2 (n=1、2、3、・・・) のとき、

   F(x)=1+22x+32x2+42x3+・・・+(n−1)2xn+・・・ とおくと、

  xF(x)=x+22x2+32x3+42x4+・・・+(n−1)2xn+1+・・・ より、

 (1−x)F(x)=1+3x+5x2+7x3+9x4+・・・+(2n−3)xn+・・・

 x(1−x)F(x)=x+3x2+5x3+7x4+9x5+・・・+(2n−5)xn+・・・

なので、

 (1−x)2F(x)=1+2x+2x2+2x3+2x4+2x5+・・・+2xn+・・・

          =2/(1−x)−1=(1+x)/(1−x)

 したがって、 F(x)=(1+x)/(1−x)3 が母関数となる。


 読者のために、練習問題を残しておこう。

練習問題  an=(2n−1)2 (n=1、2、3、・・・) のとき、母関数を求めよ。

(解) F(x)=1+x+32x2+52x3+・・・+(2n−1)2xn+・・・ とおくと、

  xF(x)=x+x2+32x3+52x4+・・・+(2n−3)2xn+・・・ より、

 (1−x)F(x)=1+8x2+16x3+24x4+・・・+(8n−8)xn+・・・

 =1+8x2(1+2x+3x2+・・・+(n−1)xn-2+・・・)

 =1+8x2(1+2x+3x2+・・・+nxn-1+・・・)

 =1+8x2/(1−x)2 (← 例3)

 =1+8x2/(1−x)2=(1−2x+9x2)/(1−x)2

 したがって、 F(x)=(1−2x+9x2)/(1−x)3 が母関数となる。  (終)


(追記) 令和5年6月30日付け

 上記の問題で、漸化式を通して求める解法もある。

(別解) an+1−an=(2n+1)2−(2n−1)2=8n なので、

 (an+2−an+1)−(an+1−an)=8(n+1)−8n=8 から、 an+2−2an+1+an=8

 よって、数列{an}に対して、形式的なべき級数

 F(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+・・・+anxn+・・・ について、

 F(x)−2xF(x)+x2F(x)=1−x+8x2(1+x+x2+x3+・・・+xn+・・・) より、

 (1−2x+x2)F(x)=1−x+8x2/(1−x)=(1−2x+9x2)/(1−x)

 よって、 F(x)=(1−2x+9x2)/(1−x)3  (終)


問題  漸化式 a0=1 、an+1=2an+1 を母関数を用いて解け。

(解) 数列{an}に対して、形式的なべき級数

 F(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+・・・+anxn+・・・ について、

 F(x)−2xF(x)=1+x+x2+x3+・・・+xn+・・・=1/(1−x)

よって、F(x)=1/{(1−2x)(1−x)}=2/(1−2x)−1/(1−x) すなわち、

 F(x)=Σn=0∞ 2n+1xn−Σn=0∞ xn=Σn=0∞ (2n+1−1)xn

 よって、数列{an}の一般項 an は、 an=2n+1−1  (終)


 読者のために、練習問題を残しておこう。

練習問題  漸化式 a0=1 、a1=3 、an+2=an+1+2an を母関数を用いて解け。

(解) 数列{an}に対して、形式的なべき級数

 F(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+・・・+anxn+・・・ について、

 F(x)=1+3x+Σn=0∞an+2xn+2=1+3x+Σn=0∞(an+1+2an)xn+2

すなわち、 F(x)=1+3x+x(Σn=0∞anxn−1)+2x2Σn=0∞anxn より、

 F(x)=1+3x+x(F(x)−1)+2x2F(x)

よって、 F(x)=(1+2x)/(1−x−2x2)=(4/3)/(1−2x)−(1/3)/(1+x) より、

 F(x)=(4/3)(Σn=0∞2nxn)−(1/3)(Σn=0∞(−1)nxn)

 =Σn=0∞{(2n+2−(−1)n)/3}xn

 よって、数列{an}の一般項 an は、 an=(2n+2−(−1)n)/3  (終)


(コメント) 教科書的には次のように解かれる。

 漸化式より、 an+2+an+1=2(an+1+an) を解いて、 an+1+an=4・2n=2n+2

また、 an+2−2an+1=−(an+1−2an) を解いて、 an+1−2an=(−1)n

辺々引いて、 3an=2n+2−(−1)n より、 an=(2n+2−(−1)n)/3


#こちらの方が慣れているせいか、しっくりきますね...。


 さらに、練習問題を残しておこう。

練習問題  an=3n+1 (n=1、2、3、・・・) のとき、母関数を求めよ。

(解) an−an-1=3 なので、数列{an}に対して、形式的なべき級数

 F(x)=Σn=0∞anxn について、

 F(x)−xF(x)=Σn=0∞anxn1−Σn=0∞anxn+1=1+3xΣn=0∞xn=1+3x/(1−x)

よって、 F(x)=(1+2x)/(1−x)2 が求める母関数である。  (終)


(コメント) F(x)=(1+2x)/(1−x)2=1/(1−x)+3x/(1−x)2 において、

 x+2x2+3x3+・・・+nxn+・・・=x/(1−x)2 を用いて、

 F(x)=Σn=0∞xn+3Σn=0∞nxn=Σn=0∞(3n+1)xn

となるので、確かに、F(x)は、数列{3n+1}の母関数となっている。


練習問題 漸化式 a0=1、a1=−3、an+2+2an+1+an=0 を解け。

(解) an+2+an+1=−(an+1+an) と変形し、bn=an+1+an とおくと、

漸化式 b0=−2、bn+1=−bn を得る。

 このとき、 bn=(−2)・(−1)n=2・ (−1)n+1 となるので、

 漸化式 a0=1、a1=−3、an+1+an=2・(−1)n+1 を得る。

両辺を、(−1)n+1 で割って、 an+1/(−1)n+1−an/(−1)n=2

よって、数列 {an/(−1)n}は、初項が1で公差が2の等差数列となるので、

 an/(−1)n=1+2(n−1)=2n+1 より、 an=(2n+1)(−1)n  (終)


 この問題を、母関数を用いて解いてみよう。

(別解)  数列{an}に対して、形式的なべき級数

 F(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+・・・+anxn+・・・ について、

 F(x)+2xF(x)+x2F(x)=1−x 即ち、 (1+x)2F(x)=1−x となるので、

 F(x)=(1−x)/(1+x)2=2/(1+x)2−1/(1+x) と書ける。

 ここで、 1/(1+x)=Σn=0∞ (−x)n=Σn=0∞ (−1)nxn で、

両辺を微分すれば、 −1/(1+x)2=Σn=1∞ (−1)nnxn-1 なので、

 F(x)=Σn=1∞ 2n(−1)n-1xn-1−Σn=0∞ (−1)nxn

   =Σn=0∞ 2(n+1)(−1)nxn−Σn=0∞ (−1)nxn=Σn=0∞ (2n+1)(−1)nxn

 よって、数列{an}の一般項 an は、 an=(2n+1)(−1)n  (終)


練習問題 漸化式 a0=1、a1=0、a2=−5、an+3−4an+2+5an+1−2an=0 を解け。

 4項間漸化式の解法は、高校ではあまり扱われないと思うが、その解法は、既存の知識を
用いて十分対応できる。

(解) an+3+pan+2+qan+1=r(an+2+pan+1+qan) とし、展開して係数比較すると、

 −p+r=4 、−q+pr=−5 、qr=2

 q=pr+5 を、qr=2 に代入して、pr2+5r=2

 p=r−4 を代入して整理すると、 r3−4r2+5r−2=0

このとき、 (r−1)2(r−2)=0 より、 r=1 、2

 r=1 のとき、 p=−3 、q=2 なので、 an+3−3an+2+2an+1=an+2−3an+1+2an

  よって、 an+2−3an+1+2an=a2−3a1+2a0=−3 ・・・ (*)

 r=2 のとき、 p=−2 、q=1 なので、 an+3−2an+2+an+1=2(an+2−2an+1+an)

  よって、 an+2−2an+1+an=2n(a2−2a1+a0)=−4・2n=−2n+2 ・・・ (**)

(**)−(*) より、 an+1−an=−2n+2+3 となるので、n≧1 のとき、

 an=a0+Σk=0n-1 (−2k+2+3)=1−4(2n−1)+3n=−2n+2+3n+5

 この式は、n=0 のときも成り立つ。

 したがって、数列{an}の一般項 an は、 an=−2n+2+3n+5  (終)


 この問題を、母関数を用いて解いてみよう。

(別解)  数列{an}に対して、形式的なべき級数

 F(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+・・・+anxn+・・・ について、

 F(x)−4xF(x)+5x2F(x)−2x3F(x)=1−4x 即ち、

 (1−4x+5x2−2x3)F(x)=1−4x より、(1−x)2(1−2x)F(x)=1−4x となるので、

 F(x)=(1−4x)/(1−x)2(1−2x) と書ける。右辺を部分分数分解して、

 F(x)=5/(1−x)+3x/(1−x)2−4/(1−2x)

  =5Σn=0∞xn+3Σn=0∞nxn−4Σn=0∞2nxn=Σn=0∞(−2n+2+3n+5)xn

 よって、数列{an}の一般項 an は、 an=−2n+2+3n+5  (終)


(追記) 令和5年7月8日付け

 自然対数の底の定義から、Σn=0∞ (1/n!)=e であるが、Σn=0∞ ((n+1)/n!)の
値はいくつになるだろうか?

 結論から言えば、 Σn=0∞ ((n+1)/n!)=2e である。

実際に、部分和 Sn=Σk=0n ((k+1)/k!) について、

 Sn=1+Σk=1n ((k+1)/k!)=1+Σk=1n ((1/(k−1)!)+1+Σk=1n (1/k!)

すなわち、 Sn=Σk=0n-1 ((1/k!)+Σk=0n (1/k!) と書けるので、

 n → ∞ のとき、 Sn → 2e なので、 Σn=0∞ ((n+1)/n!)=2e である。


 これに対して、母関数を用いると、次のように解かれる。

 数列 {an} において、an=1/n!の母関数は、F(x)=Σn=0∞ (1/n!)xn であるが、

これは指数関数 ex のマクローリン展開そのものである。すなわち、

  ex =Σn=0∞ (1/n!)xn ・・・ 収束半径は∞で、すべての実数に対して定義される。

 両辺に x を掛けて、 x・ex =Σn=0∞ (1/n!)xn+1

 両辺を微分して、 (1+x)・ex =Σn=0∞ ((n+1)/n!)xn

 ここで、x=1 とおくと、 Σn=0∞ ((n+1)/n!)=2e であることが分かる。


 読者のために、練習問題を残しておこう。

練習問題  Σn=0∞ ((n+1)2/n!) の値を求めよ。

(解) ex =Σn=0∞ (1/n!)xn から、 (1+x)・ex =Σn=0∞ ((n+1)/n!)xn

 両辺に x を掛けて、 (x+x2)・ex =Σn=0∞ ((n+1)/n!)xn+1

 両辺を微分して、 (1+3x+x2)・ex =Σn=0∞ ((n+1)2/n!)xn

 ここで、x=1 とおくと、 Σn=0∞ ((n+1)2/n!)=5e であることが分かる。  (終)

(別解) 部分和 Sn=Σk=0n ((k+1)2/k!) について、

Sn=1+Σk=1n ((k+1)2/k!) 

 =1+Σk=1n ((k2+2k+1)/k!) 

 =1+Σk=1n (k/(k−1)!)+2Σk=1n (1/(k−1)!)+Σk=1n (1/k!)

 =Σk=1n ((k−1+1)/(k−1)!)+2Σk=0n-1 (1/(k−1)!)+Σk=0n (1/k!)

 =1+Σk=2n (1/(k−2)!)+Σk=2n (1/(k−1)!)

  +2Σk=0n-1 (1/(k−1)!)+Σk=0n (1/k!)

 =1+Σk=0n-2 (1/k!)+Σk=1n-1 (1/k!)+2Σk=0n-1 (1/(k−1)!)+Σk=0n (1/k!)

 =Σk=0n-2 (1/k!)+Σk=0n-1 (1/k!)+2Σk=0n-1 (1/(k−1)!)+Σk=0n (1/k!)

よって、n → ∞ のとき、 Sn → 5e なので、

  Σn=0∞ ((n+1)2/n!)=5e である。  (終)


(コメント) 母関数を用いた方が、あまり気を使わず、形式的に求められますね!



    以下、工事中