Top Banner
Дискретные структуры МФТИ, весна 2014 Александр Дайняк www.dainiak.com
43

Производящие функции

Jul 07, 2015

Download

Education

Alex Dainiak
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Производящие функции

Дискретные структурыМФТИ, весна 2014

Александр Дайняк

www.dainiak.com

Page 2: Производящие функции

Формальные степенные ряды

Формальный степенной ряд — это запись вида 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥

2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥𝑘 +⋯

Числа 𝑎0, 𝑎1, … называются коэффициентами ряда.

Page 3: Производящие функции

Операции над рядами

Обозначим𝐴 𝑥 ≔ 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥

2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥𝑘 +⋯

𝐵 𝑥 ≔ 𝑏0 + 𝑏1𝑥 + 𝑏2𝑥2 +⋯+ 𝑏𝑘𝑥

𝑘 +⋯

• Сумма рядов 𝐴 и 𝐵— это ряд𝑐0 + 𝑐1𝑥 + 𝑐2𝑥

2 +⋯+ 𝑐𝑘𝑥𝑘 +⋯

с коэффициентами 𝑐𝑘 = 𝑎𝑘 + 𝑏𝑘• Разность рядов 𝐴 и 𝐵— это ряд с коэффициентами 𝑐𝑘 = 𝑎𝑘 − 𝑏𝑘

Page 4: Производящие функции

Операции над рядами

Обозначим𝐴 𝑥 ≔ 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥

2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥𝑘 +⋯

𝐵 𝑥 ≔ 𝑏0 + 𝑏1𝑥 + 𝑏2𝑥2 +⋯+ 𝑏𝑘𝑥

𝑘 +⋯

• Произведение рядов 𝐴 и 𝐵— это ряд𝑐0 + 𝑐1𝑥 + 𝑐2𝑥

2 +⋯+ 𝑐𝑘𝑥𝑘 +⋯

с коэффициентами

𝑐𝑘 =

𝑖=0

𝑘

𝑎𝑖𝑏𝑘−𝑖

Page 5: Производящие функции

Операции над рядами

Обозначим𝐴 𝑥 ≔ 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥

2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥𝑘 +⋯

𝐵 𝑥 ≔ 𝑏0 + 𝑏1𝑥 + 𝑏2𝑥2 +⋯+ 𝑏𝑘𝑥

𝑘 +⋯

Пусть 𝑏0 ≠ 0.

• Частное рядов 𝐴 и 𝐵— это ряд𝑐0 + 𝑐1𝑥 + 𝑐2𝑥

2 +⋯+ 𝑐𝑘𝑥𝑘 +⋯

коэффициенты которого определяются последовательно из соотношений:

𝑐0 ≔𝑎0

𝑏0, 𝑐1 ≔

𝑎1−𝑏1𝑐0

𝑏0, 𝑐2 ≔

𝑎2−𝑏2𝑐0−𝑏1𝑐1

𝑏0, …

Page 6: Производящие функции

Операции над рядами

Производная ряда𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥

2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥𝑘 +⋯

— это ряд 𝑐0 + 𝑐1𝑥 + 𝑐2𝑥

2 +⋯+ 𝑐𝑘𝑥𝑘 +⋯

с коэффициентами 𝑐𝑘 ≔ 𝑘 + 1 𝑎𝑘+1

Page 7: Производящие функции

Производящие функции

Производящая функция числовой последовательности 𝑎0, 𝑎1, … — это сумма ряда

𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥

𝑘 +⋯

(при условии, что в окрестности нуля ряд сходится)

Например, производящая функция последовательности 𝑛0, 𝑛1, 𝑛2…

— это ряд𝑛

0+𝑛

1𝑥 +𝑛

2𝑥2 +⋯+

𝑛

𝑛𝑥𝑛 +⋯

Мы знаем, что этот ряд можно «свернуть»:1 + 𝑥 𝑛

Page 8: Производящие функции

Производящие функции

Основное правило применения производящих функций:

Любая функция может быть производящей функцией не более чем одной последовательности.

А это значит, что если мы взяли две последовательности, на первый взгляд «разные», и доказали, что их производящие функции равны в окрестности нуля, то и сами последовательности совпадают.

Page 9: Производящие функции

Радиус сходимости

Для применимости метода нужно проверять, что ряды сходятся в окрестности нуля.

Радиус сходимости ряда ∑𝑎𝑘𝑥𝑘 — это такое 𝑟, что ряд сходится

при всех 𝑥, таких, что 𝑥 < 𝑟. (𝑥 в общем случае комплексное)

Радиус сходимости помогает найти Теорема Коши:

𝑟 = lim𝑘→∞

𝑘 𝑎𝑘−1

Page 10: Производящие функции

Рациональные производящие функции

Утверждение.Если последовательность 𝑎𝑘 удовлетворяет л.р.с. с п.к., то производящая функция 𝑓 для 𝑎𝑘 представима в виде

𝑓 𝑥 =𝑃 𝑥

𝑄 𝑥,

где 𝑃, 𝑄 ∈ ℝ 𝑥 .

Page 11: Производящие функции

Доказательство утверждения

Пусть п-ть 𝑎𝑘 удовлетворяет соотношению 𝑐𝑟𝑎𝑘+𝑟 +⋯+ 𝑐0𝑎𝑘 = 0, или, что то же самое, 𝑐𝑟𝑎𝑘 + 𝑐𝑟−1𝑎𝑘−1…+ 𝑐1𝑎𝑘−𝑟+1 + 𝑐0𝑎𝑘−𝑟 = 0.

Пусть 𝑓 𝑥 ≔ ∑𝑎𝑘𝑥𝑘. Имеем

𝑐0𝑥𝑟 ⋅ 𝑓 𝑥 =

𝑘=𝑟

𝑐0𝑎𝑘−𝑟𝑥𝑘

𝑐1𝑥𝑟−1 ⋅ 𝑓 𝑥 =

𝑘=𝑟−1

𝑐1𝑎𝑘−𝑟+1𝑥𝑘

𝑐𝑟 ⋅ 𝑓 𝑥 =

𝑘=0

𝑐𝑟𝑎𝑘𝑥𝑘

Отсюда 𝑐0𝑥𝑟 + 𝑐1𝑥

𝑟−1 +⋯+ 𝑐𝑟 ⋅ 𝑓 𝑥 = 𝑃 𝑥 + ∑𝑘=𝑟∞ 𝑐𝑟𝑎𝑘 + 𝑐𝑟−1𝑎𝑘−1…+ 𝑐1𝑎𝑘−𝑟+1 + 𝑐0𝑎𝑘−𝑟

=0

𝑥𝑘,

где 𝑃— многочлен степени не выше 𝑟 − 1 .

Page 12: Производящие функции

Применение производящих функций

Пусть надо вычислить сумму

𝑘=0

𝑛

𝑘2𝑛

𝑘

1

2𝑘

Заметим, что она равняется 𝑔 1 2 , где 𝑔 𝑥 — производящая функция для последовательности

𝑎𝑘 = 𝑘2𝑛

𝑘то есть

𝑔 𝑥 ≔

𝑘=0

𝑘2𝑛

𝑘𝑥𝑘

Page 13: Производящие функции

Применение производящих функций

Имеем 𝑔 𝑥 = ∑𝑘=0∞ 𝑘2 𝑛

𝑘𝑥𝑘

Пусть 𝑓 𝑥 ≔ ∑𝑘=0∞ 𝑛𝑘𝑥𝑘 = 1 + 𝑥 𝑛.

Заметим, что 𝑔 𝑥 = 𝑥 𝑥𝑓′ 𝑥′, а значит

𝑔 𝑥 = 𝑥 𝑥 1 + 𝑥 𝑛′ ′= 𝑥 𝑥𝑛 1 + 𝑥 𝑛−1 ′ =

= 𝑥𝑛 1 + 𝑥 𝑛−1 + 𝑥 𝑛 − 1 1 + 𝑥 𝑛−2

И теперь легко вычислить

𝑔 1/2 =𝑛

232

𝑛−1+ 12𝑛 𝑛 − 1 ⋅

32

𝑛−2

Page 14: Производящие функции

Обобщённая формула бинома

«Обычная» формула бинома для 𝑛 ∈ ℕ:

1 + 𝑥 𝑛 = 1 +𝑛

1𝑥 +𝑛

2𝑥2 +⋯+

𝑛

𝑛𝑥𝑛

Обобщённая формула бинома для 𝛼 ∈ ℝ:

1 + 𝑥 𝛼 = 1 +𝛼

1𝑥 +𝛼

2𝑥2 +⋯+

𝛼

𝑘𝑥𝑘 +⋯

Здесь 𝛼𝑘

— обобщённые биномиальные коэффициенты:

𝛼

𝑘=𝛼 𝛼 − 1 𝛼 − 2 ⋅ … ⋅ 𝛼 − 𝑘 − 1

𝑘!

Page 15: Производящие функции

Обобщённая формула бинома

1 + 𝑥 𝛼 = 1 + 𝛼1𝑥 + 𝛼

2𝑥2 +⋯, где 𝛼

𝑘=𝛼 𝛼−1 𝛼−2 ⋅…⋅ 𝛼− 𝑘−1

𝑘!

Пример применения:

1 + 𝑥 1/2 = 1 +1

2𝑥 +1212− 1

2!𝑥2 +

1212− 1

12 − 2

3!𝑥3 +⋯ =

= 1 +1

2𝑥 +1 − 2

2! ⋅ 22𝑥2 +1 − 2 1 − 4

3! ⋅ 23𝑥3 +⋯

= 1 +1

2𝑥 −1

2! ⋅ 22𝑥2 +1 ⋅ 3

3! ⋅ 23𝑥3 −1 ⋅ 3 ⋅ 5

4! ⋅ 24+⋯

= 1 + 𝑥

𝑘=0

−1 𝑘1 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ … ⋅ 2𝑘 − 1

𝑘 + 1 ! 2𝑘+1𝑥𝑘

Page 16: Производящие функции

Обобщённая формула бинома

Ещё немного преобразуем:

1 + 𝑥 1/2 = 1 + 𝑥

𝑘=0

−1 𝑘1 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ … ⋅ 2𝑘 − 1

𝑘 + 1 ! 2𝑘+1𝑥𝑘

= 1 + 𝑥

𝑘=0

−1 𝑘1 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ 4 ⋅ 5 ⋅ … ⋅ 2𝑘 − 2 2𝑘 − 1

2 ⋅ 4 ⋅ 6 ⋅ … ⋅ 2𝑘 − 2 ⋅ 𝑘 + 1 ! 2𝑘+1𝑥𝑘

= 1 + 𝑥

𝑘=0

−1 𝑘2𝑘 − 1 !

2𝑘−1 𝑘 − 1 ! ⋅ 𝑘 + 1 ! 2𝑘+1𝑥𝑘

= 1 + 𝑥

𝑘=0

∞2𝑘 − 1 !

𝑘 − 1 ! ⋅ 𝑘 + 1 !−14𝑥𝑘

Page 17: Производящие функции

Числа Каталана

Одно из многочисленных определений:

Число Каталана 𝑎𝑛 — это количество правильных скобочных последовательностей из 𝑛 пар скобок

Пример, при 𝑛 = 3 имеем 𝑎3 = 5:

, , , ,

Page 18: Производящие функции

Числа Каталана: рекуррентное соотношение

Рекуррентное соотношение для чисел Каталана:

𝑎𝑛+1 =

𝑘=0

𝑛

𝑎𝑘𝑎𝑛−𝑘

Обоснование: прав. ск. посл.внутри 𝑘 пар скобок

прав. ск. посл.𝑛−𝑘 пар скобок

Начальные условия: 𝑎0 = 𝑎1 = 1

Page 19: Производящие функции

Числа Каталана: производящая функция

Рассмотрим производящую функцию для последовательности чисел Каталана:

𝐴 𝑥 = 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥2 + 𝑎3𝑥

3 +⋯

Заметим, что соотношение 𝑎𝑛+1 = ∑𝑘=0𝑛 𝑎𝑘𝑎𝑛−𝑘 похоже по форме

на то, что возникает при произведении рядов. Рассмотрим𝐴 𝑥 ⋅ 𝐴 𝑥 == 𝑎02 + 𝑎0𝑎1 + 𝑎1𝑎0 𝑥 + 𝑎0𝑎2 + 𝑎1𝑎1 + 𝑎2𝑎0 𝑥

2

+ 𝑎0𝑎3 + 𝑎1𝑎2 + 𝑎2𝑎1 + 𝑎3𝑎0 𝑥3 +⋯ == 𝑎1 + 𝑎2𝑥 + 𝑎3𝑥

2 + 𝑎4𝑥3 +⋯

Page 20: Производящие функции

Числа Каталана: производящая функция

Итак,

𝐴 𝑥2= 𝑎1 + 𝑎2𝑥 + 𝑎3𝑥

2 + 𝑎4𝑥3 +⋯

Отсюда

𝑎0 + 𝑥 𝐴 𝑥2= 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥

2 +⋯ = 𝐴 𝑥

Получаем уравнение для производящей функции 𝐴:

𝑎0 + 𝑥 𝐴 𝑥2= 𝐴 𝑥

Page 21: Производящие функции

Числа Каталана: производящая функция

Уравнение для производящей функции:

𝑥 𝐴 𝑥2− 𝐴 𝑥 + 1 = 0

Отсюда

𝐴 𝑥 =1 ± 1 − 4𝑥

2𝑥Теперь воспользуемся обобщённой формулой бинома, чтобы записать 𝐴 𝑥 в виде ряда:

𝐴 𝑥 =1 ± 1 + (−4𝑥) 1 2

2𝑥

Page 22: Производящие функции

Числа Каталана: вывод формулы

𝐴 𝑥 =1 ± 1 + (−4𝑥) 1 2

2𝑥

где по формуле обобщённого бинома

1 + (−4𝑥) 1 2 =

= 1 +1

2−4𝑥 +

1212 − 1

2!−4𝑥 2 +

1212 − 1

12− 2

3!−4𝑥 3 +⋯

Отсюда уже видно, что на самом деле

𝐴 𝑥 =1 − 1 + (−4𝑥) 1 2

2𝑥

Page 23: Производящие функции

Числа Каталана: вывод формулы

Подставим в выражение для 𝐴 𝑥 ряд для 1 + (−4𝑥) 1 2:

𝐴 𝑥 =1 − 1 + (−4𝑥)∑𝑘=0

∞ 2𝑘−1 !𝑘−1 !⋅ 𝑘+1 !

𝑥𝑘

2𝑥Отсюда

𝐴 𝑥 = 2

𝑘=0

∞2𝑘 − 1 !

𝑘 − 1 ! ⋅ 𝑘 + 1 !𝑥𝑘

В итоге

𝑎𝑘 = 22𝑘 − 1 !

𝑘 − 1 ! ⋅ 𝑘 + 1 !=2𝑘 − 1 ! ⋅ 2𝑘

𝑘 − 1 ! ⋅ 𝑘 ⋅ 𝑘 + 1 !=2𝑘 !

𝑘! ⋅ 𝑘 + 1 !=

2𝑘𝑘

𝑘 + 1

Page 24: Производящие функции

Числа Каталана

Итак,

𝑎𝑘 =

2𝑘𝑘

𝑘 + 1Асимптотика:

𝑎𝑘 ∼4𝑘

𝜋 ⋅ 𝑘 3 2

Page 25: Производящие функции

Теорема Эйлера

Обозначим 𝑝чёт(𝑁) и 𝑝неч 𝑁 количества разбиений 𝑁соответственно на чётное и нечётное число различных слагаемых.

Теорема.

𝑝чёт 𝑁 − 𝑝неч 𝑁 = −1 𝑘 , если 𝑁 = 3𝑘

2±𝑘2

0, иначе

Page 26: Производящие функции

Производящая функция для числа неупорядоченных разбиений

Утверждение.

Если 𝑝 𝑁 — количество неупорядоченных разбиений числа 𝑁, то для производящей функции последовательности 𝑝 0 , 𝑝 1 ,…справедлива формула

𝑛=0

𝑝 𝑛 ⋅ 𝑥𝑛 =

𝑘=1

∞1

1 − 𝑥𝑘

Page 27: Производящие функции

Производящая функция для числа неупорядоченных разбиений

Т.к. 1 − 𝑡 −1 = 1 + 𝑡 + 𝑡2 +⋯, то

𝑘=1

1 − 𝑥𝑘−1=

𝑖1

𝑥𝑖1

𝑖2

𝑥2𝑖2

𝑖3

𝑥3𝑖3 ⋅ … =

𝑛=0

𝑎𝑛𝑥𝑛

где 𝑎𝑛 — количество наборов 𝑖1, 𝑖2, 𝑖3, … таких, что

𝑛 = 𝑖1 + 2𝑖2 + 3𝑖3 +⋯

Page 28: Производящие функции

Производящая функция для числа неупорядоченных разбиений

𝑘=1

1 − 𝑥𝑘−1=

𝑛=0

𝑎𝑛𝑥𝑛

где 𝑎𝑛 — количество наборов 𝑖1, 𝑖2, 𝑖3, … таких, что𝑛 = 𝑖1 + 2𝑖2 + 3𝑖3 +⋯

Любой такой набор 𝑖1, 𝑖2, 𝑖3, … однозначно соответствует разбиению числа 𝑛, в котором 𝑖1 слагаемых равны 1,𝑖2 слагаемых равны 2, и т.д.

Отсюда следует, что 𝑎𝑛 = 𝑝 𝑛 .

Page 29: Производящие функции

Вывод рекуррентного соотношения для числа неупорядоченных разбиенийИтак,

𝑘=1

∞1

1 − 𝑥𝑘=

𝑛=0

𝑝 𝑛 𝑥𝑛

Отсюда

𝑛=0

𝑝 𝑛 𝑥𝑛 ⋅

𝑘=1

1 − 𝑥𝑘 = 1

Page 30: Производящие функции

Вывод рекуррентного соотношения для числа неупорядоченных разбиений

𝑛=0

𝑝 𝑛 𝑥𝑛 ⋅

𝑘=1

1 − 𝑥𝑘 = 1

Разложим в ряд произведение 𝑘=1∞ 1 − 𝑥𝑘 :

1 − 𝑥 1 − 𝑥2 1 − 𝑥3 ⋅ … =

𝑚=0

𝑏𝑚𝑥𝑚

где 𝑏𝑚 = 𝑝чёт 𝑚 − 𝑝неч 𝑚 .

Page 31: Производящие функции

Вывод рекуррентного соотношения для числа неупорядоченных разбиений

𝑛=0

𝑝 𝑛 𝑥𝑛 ⋅

𝑚=0

𝑏𝑚𝑥𝑚 = 1

где

𝑏𝑚 = −1 𝑘 , если ∃𝑘:𝑚 = 3𝑘

2±𝑘2

0, иначе

Итак,

𝑛=0

𝑝 𝑛 𝑥𝑛 ⋅ 1 +

𝑘=1

−1 𝑘 𝑥 3𝑘2−𝑘 2 + 𝑥 3𝑘2+𝑘 2 = 1

Page 32: Производящие функции

Вывод рекуррентного соотношения для числа неупорядоченных разбиений

𝑗=0

𝑝 𝑗 𝑥𝑗 ⋅ 1 +

𝑘=1

−1 𝑘 𝑥 3𝑘2−𝑘 2 + 𝑥 3𝑘2+𝑘 2 = 1

При раскрытии скобок и приведении подобных слагаемых коэффициенты при всех положительных степенях 𝑥 должны быть нулевыми, отсюда для любого 𝑚 > 0 выполнено

𝑝 𝑚 +

𝑘>0

−1 𝑘 𝑝 𝑚 − 3𝑘2−𝑘2 + 𝑝 𝑚 −

3𝑘2+𝑘2 = 0

(считаем формально, что 𝑝 𝑁 = 0 при любом 𝑁 < 0)

Page 33: Производящие функции

Рекуррентное соотношение для числа неупорядоченных разбиений

Теорема.Для любого 𝑚 > 0 выполнено равенство

𝑝 𝑚 =

𝑘>0

−1 𝑘+1 𝑝 𝑚 − 3𝑘2−𝑘2 + 𝑝 𝑚 −

3𝑘2+𝑘2

Несколько первых слагаемых ряда:𝑝 𝑚 == 𝑝 𝑚 − 1 + 𝑝 𝑚 − 2 − 𝑝 𝑚 − 5 − 𝑝 𝑚 − 7 + 𝑝 𝑚 − 12+ 𝑝 𝑚 − 15 −⋯

Page 34: Производящие функции

Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝

Пусть 𝑓1, 𝑓2, … — последовательность всех простых нормногочленов над ℤ𝑝, в порядке неубывания их степеней.

Обозначим 𝑑𝑖 ≔ deg 𝑓𝑖.

Любой нормногочлен 𝑓 представляется единственным образом в виде

𝑓 = 𝑓𝑖1𝛼𝑖1 ⋅ … ⋅ 𝑓𝑖𝑠

𝛼𝑖𝑠

где 𝑖1 < 𝑖2 < ⋯ < 𝑖𝑠 и 𝛼𝑖1 , … , 𝛼𝑖𝑠 > 0. При этом

deg 𝑓 = 𝑑𝑖1𝛼𝑖1 +⋯+ 𝑑𝑖𝑠𝛼𝑖𝑠

Page 35: Производящие функции

Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝

Любой нормногочлен 𝑓 представляется единственным образом в виде

𝑓 = 𝑓𝑖1𝛼𝑖1 ⋅ … ⋅ 𝑓𝑖𝑠

𝛼𝑖𝑠

где 𝑖1 < 𝑖2 < ⋯ < 𝑖𝑠 и 𝛼𝑖1 , … , 𝛼𝑖𝑠 > 0.

Поэтому для любого 𝑛 число наборов 𝛼1, 𝛼2, 𝛼3, … , удовлетворяющих уравнению

𝑛 = 𝑑1𝛼1 + 𝑑2𝛼2 + 𝑑3𝛼3 +⋯

равно 𝑝𝑛 (т.к. каждому такому набору 𝛼1, 𝛼2, 𝛼3, … можно взаимно однозначно сопоставить многочлен степени 𝑛).

Page 36: Производящие функции

Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝

Утверждение.Выполнено равенство

1

1 − 𝑝𝑡=

𝑖=1

∞1

1 − 𝑡𝑑𝑖

Page 37: Производящие функции

Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝

Доказательство:

Т.к. 1 − 𝑡𝑑𝑖−1= 1 + 𝑡𝑑𝑖 + 𝑡2𝑑𝑖 + 𝑡3𝑑𝑖 +⋯, то

𝑖=1

1 − 𝑡𝑑𝑖−1=

𝑗1=0

𝑡𝑑1𝑗1

𝑗2=0

𝑡𝑑2𝑗2

𝑗3=0

𝑡𝑑3𝑗3 … =

𝑘=0

𝑎𝑘𝑡𝑘

где 𝑎𝑘 — количество наборов (𝑗1, 𝑗2, 𝑗3, … ), удовлетворяющих соотношению 𝑘 = 𝑑1𝑗1 + 𝑑2𝑗2 +⋯. Значит, 𝑎𝑘 = 𝑝

𝑘, и отсюда

𝑖=1

1 − 𝑡𝑑𝑖−1=

𝑘=0

𝑝𝑘𝑡𝑘 =

𝑘=0

𝑝𝑡 𝑘 =1

1 − 𝑝𝑡

Page 38: Производящие функции

Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝

1

1 − 𝑝𝑡=

𝑖=1

∞1

1 − 𝑡𝑑𝑖

Пусть 𝑀𝑘 — количество простых нормногочленов степени 𝑘.

Тогда

1

1 − 𝑝𝑡=

𝑘=1

∞1

1 − 𝑡𝑘

𝑀𝑘

Page 39: Производящие функции

Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝

1

1 − 𝑝𝑡=

𝑘=1

∞1

1 − 𝑡𝑘

𝑀𝑘

Прологарифмируем обе части:

ln1

1 − 𝑝𝑡=

𝑘=1

𝑀𝑘 ln1

1 − 𝑡𝑘

Page 40: Производящие функции

Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝

ln1

1 − 𝑝𝑡=

𝑘=1

𝑀𝑘 ln1

1 − 𝑡𝑘

Если разложить ln 1 − 𝑥 −1 в ряд, получится

ln 1 − 𝑥 −1 =

𝑗=1

∞𝑥𝑗

𝑗

Отсюда следует

𝑗=1

∞𝑝𝑡 𝑗

𝑗=

𝑘=1

𝑀𝑘

𝑗=1

∞𝑡𝑘𝑗

𝑗

Page 41: Производящие функции

Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝

𝑗=1

∞𝑝𝑡 𝑗

𝑗=

𝑘=1

𝑀𝑘

𝑗=1

∞𝑡𝑘𝑗

𝑗

Коэффициенты при 𝑡𝑛 для каждого 𝑛 должны совпадать в левой и правой частях равенства.

Поэтому𝑝𝑛

𝑛=

𝑘|𝑛

𝑀𝑘 𝑛 𝑘

Окончательно,

𝑝𝑛 =

𝑘|𝑛

𝑘𝑀𝑘

Page 42: Производящие функции

Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝

𝑝𝑛 =

𝑘|𝑛

𝑘𝑀𝑘

Применяя обращение Мёбиуса, получаем следующую теорему.

Теорема.Число нормногочленов степени 𝑛, неприводимых над ℤ𝑝, равно

1𝑛

𝑘|𝑛

𝑝𝑘𝜇 𝑛 𝑘

где 𝜇— функция Мёбиуса.

Page 43: Производящие функции

Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝

Следствие 1.При каждом 𝑝 и при каждом 𝑛 ≥ 2 существует хотя бы один неприводимый над ℤ𝑝 нормногочлен степени 𝑛.

Следствие 2.Число нормногочленов степени 𝑛, неприводимых над ℤ𝑝,

при 𝑛 → ∞ асимптотически равно𝑝𝑛

𝑛

(См. доказательство асимптотики для числа циклических слов)