递推关系的求解及其应用-组合数学(2)

2019-04-09 22:48

2)叠乘法

aaa2?1,3?2?n?n?1a2an?1所谓叠乘法:如a1将所有等式叠乘后就是

an1?2?3???(n?1)?a1就是将中间的a2,a3,a4,等项消去,找到与a1与an的关

系。它的目的就是找到a1与后面的关系,从而推出通项公式。

叠乘法在生活中不是很常见,但是在数列中我们会经常用到它,能把复杂的问题通过相互叠乘使之化简,从而解决问题。

例2.5 在数列?an?中,

a1?1n?1,an??an?1(n?2)2n?1,求an.

1234n?1a2??a1,a3??a2,a4??a3,a5??a4,?,an??an?13456n?1解:

因此用叠乘法可得出3)待定系数法

an?1n(n?1)

待定系数法,一种求未知的方法。将一个多项式表示成另一种含有待定系数的新的形式,这样就得到一个恒等式。然后根据恒等式的性质得出系数满足的方程或方程组,其通过方程或方程组可求出待定系数,或找出某些系数所满足的关系式,这种解决问题的方法叫做待定系数法。然而求数列的通项公式,最为广泛的的办法是:把所给的递推关系变形,使之成为某个等差数列或等比数列的形式,于是就可以由此推得所给数列的通项公式。求解的关健在于变形的技巧,而变形的技巧主要在于引进待定系数,接下来就看看与之相关的内容。

例2.6 设x1?2,且xn?5xn?1?7,求数列的通项公。 解:所给递推公式变形为,左右两边同时加m,

7m7m7?),令m??,则m?55554

7??77715xn??5(xn-1?),x???xn??4?是等比数列,44由此?44,于是其首项是 xn?m?5xn?1?7?m?5(xn?1q?5,于是xn?715n?1??544

公比是所以

xn?15n?17?5?44

3 递推关系在生活中的应用

递推关系中存在着三大基本问题:如何建立递推关系,已给的递推关系有何性质,递推关系如何求解。本节围绕如何求解递推关系,归类说明其广泛的应用价值.

3.1 染色问题

问题1:将一个圆分成t 个扇形(t≥2),每个扇形只能用五种不同颜色中的任意一种涂色,且相邻扇形颜色互不相同,共有多少中不同的涂法?

分析:记涂法种数为Xt(t≥2),分析Xt与t 的关系,1 有5 种涂法,2 有4 种涂法,?,t 有4 种涂法(无论是否与1 同色),这样共有5×4n-1种涂法。5×4n-1种涂法分两类:一类是t 与1 同色,另一类是t 和1 不同色,前者不合题意,但可看成t 和1 合为一个扇形,此时有涂法种数Xt-1,故递推关系为Xt+Xt-1=5×4n-1.

例3.1:在六边形区域内饲养动物,要求同一区域饲养同一种动物,相邻区域饲养不同动物,现要饲养4 种不同动物,则有多少种

饲养方案。

解:从问题1,我们知a2=12,a3=4×32-12=24,a4=4×33-24=84,a5=4×34-84=240,a6=4×35-240=732.故不同的栽种方案有732种。

3.2 平面分割问题

问题2:设有n 条封闭曲线画在平面上,而任何两条封闭曲线恰相交于两点,任何三条封闭曲线不相交于同一点,问这些封闭曲线把平面分割成的区域个数。

分析:设an为n 条封闭曲线把平面分割成的区域个数,当平面上已有n-1 条曲线将平面分割成an-1个区域后,第n-1 条曲线每与曲线相交一次,就会增加一个区域,因为平面上已有了n-1 条封闭曲线,且第n 条曲线与已有的每一条封闭曲线恰好相交于两点,且不会与任何两条曲线交于同一点,故平面上一共增加2(n-1)个区域,加上已有的an-1个区域,一共有an-1+2(n-1)个区域,故递推关系是an=an-1+2(n-1),初始条件是a1=1.

例3.2:球面上有n(n≥3)个大圆,且任何三个都不相交于同一点,设球面被这n 个大圆分成bn个部分,求bn.

解:通过问题2 知,在n 个大圆基础上增加一个圆,产生2n 个交点,在第n+1 个圆上这2n 个点将圆分成2n 段弧,且每一段弧将原来的一块分成2 块,从而有bn+1=bn+2n,且b3=8. 于是有bn=b3+(b4-b3)+?+(bn-bn-1)=n2-n+2.

3.3 匹配问题

问题3:在由整数1,2,i,?,n 构成的排列中,如果i 不出现在第i 个位置,则这些整数的一个排列说成是它们的一个匹配。

分析:记1,2,i,?,n 这n 个数匹配的个数为Xn,考虑将此n个数的匹配问题行恰当分类:

若第一个位置由整数r,则第一个位置的填法有n-1 种,余下的n-2 个数2,3,?,r-1,r+1,?,n 的排法数等价于整数1,2,?,n-2 的匹配数,即有Xn-2种排法;第二类,如果第r 个位置不是1,则填入2,3,?,r-1,r+1,?,n 的排法数等价于在第2 到第n 位置上先错位排列2,3,?,r-1,r,r+1,?,n,而后将r 改为1 即可,即有Xn-1种排法,可得到递推关系式:Xn=(n-1)(Xn-1+Xn-2).

例3.3:一个班有40 名同学,每个同学写一封信并集中起来,然后每人从中拿一张别人写的信,则40 封信存在多少种不同的分配方式?

解:根据问题3,显然a1=0,a2=1,a3=2×(1+0)=2,?,a40=39×(38+37)=2925.故四张贺年卡的分配方式有2925 种。

3.4 上楼问题

问题4:某人上楼梯,要么每次向上走一阶,要么每次向上走二阶,如果用Xn表示该人走到第n 个阶梯时所有可能的不同走法的种数,求Xn.

分析:显然X1=1,X2=2.如果从最后一步走的方法来分类讨论:

①若最后一步走一阶,那么该人走到第n 个阶梯可能分成两步骤,先走到第n-1 个阶梯,此时所有可能的不同走法有Xn-1种,再从第n-1 个阶梯走一阶到第n 阶梯有一种走法,从而这一类有Xn-1种;

②若最后一步跨两阶,同理可得这一类有Xn-2种走法。 综上所述,该人走到第n 个阶梯时,所有可能的不同走法的种数:.Xn=Xn-1+Xn-2(n≥3)

例3.4:假定一对兔子(雄和雌的),从出生第二个月开始,每个月繁殖一对新的兔子,那么,从饲养第一对兔子开始起一年后有多少对兔子呢?

解:根据问题4 知a1=1,a2=2,a3=3,a4=5,a5=8,a6=13,a7=21,a8=34,a9=55,a10=89,a11=144,a12=233.故一年后有233 对兔子。

3.5 传球问题

问题5:X(X≥2)个人在一起相互传球,规定甲首先发球,则经过Y(Y≥2)次传球后,球再次回到甲手中的不同传球方式有多少种?

分析:设经过Y(Y≥2)次传球又回到甲的手中的不同传球方式有an 种,每次传球都有m-1 种可能,故前n-1 次传球一共有(m-1)n-1种方法,但第n-1 次传球不能传给甲,而第n-1 次传球给甲的方法总数即为an-1,故递推关系an=(m-1)n-1-an-1.

4 总结

不管是数学中还是在其它方面,递推关系都占据着举足轻重的地位。每一个知识点都不是单一存在的,它通常都是和其它相关知识综合运用,并达到解决问题目的。

虽然递推关系的求解没有一个固定的模式和固定的方法可寻,但从总体上来说,若能根据题目的重要信息,明确所属类型,或者可变形为某种类型,我们就可参照介绍的求解方法,轻松地解答。


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