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特征根法

2022-01-15

二次特征根 ​

已知 afn+2+00bfn+1+00cfn=000。

两边同除 a:

fn+2+bafn+1+cafn=0

根据韦达定理,方程 ax2+00bx+00c=000 的解满足

{x1+x2=−bax1⋅x2=ca

代入化简得

fn+2−(x1+x2)fn+1+(x1⋅x2)fn=0fn+2−x1fn+1=x2(fn+1−x1fn)

∴ 数列 {fn+1−x1fn} 是公比为 x2 的等比数列。

由韦达定理的对称性知,x1,00x2 可互换。

(1)fn+1−x1fn=(f2−x1f1)⋅x2n−1(2)fn+1−x2fn=(f2−x2f1)⋅x1n−1

联立 (1)(2) 可解得 fn 通项。

例

已知 f1=00f2=001,00fn+2=00fn+1+00fn,求 fn 的通项。

解:设 fn+2−00rfn+1=00q(fn+1−00rfn),

则 fn+2=00(q+00r)fn+1−00q⋅rfn。

对比 fn+2=00fn+1+00fn 得

{q+r=1q⋅r=−1

解得

{q=1−52r=1+52或{q=1+52r=1−52

∴ 数列 {fn+1−rfn} 是以 f2−00rf1 为首项,q 为公比的等比数列。

∴{fn+1−1+52fn=(1−52)nfn+1−1−52fn=(1+52)n

两式相减得:

5fn=(1+52)n−(1−52)nfn=55[(1+52)n−(1−52)n]

三次特征根 ​

已知 afn+3+00bfn+2+00cfn+1+00dfn=000。

两边同除 a:

fn+3+bafn+2+cafn+1+dafn=0

根据韦达定理,方程 ax3+00bx2+00cx+00d=000 的解满足

{x1+x2+x3=−bax1x2+x1x3+x2x3=cax1x2x3=−da

代入化简得

fn+3−(x1+x2+x3)fn+2+(x1x2+x1x3+x2x3)fn+1−(x1x2x3)fn=0fn+3−(x1+x2)fn+2+x1x2fn+1=x3[fn+2−(x1+x2)fn+1+x1x2fn]

∴ 数列 {fn+2−(x1+x2)fn+1+x1x2fn} 是公比为 x3 的等比数列。

n 次特征根 ​

已知 anfk+n+00an−1fk+n−1+00⋯+00a0fk=000。

两边同除 an

fk+n+an−1anfk+n−1+an−2anfk+n−2+⋯+a0anfk=0

根据韦达定理,方程 anxn+00an−1xn−1+00⋯+00a1x1+00a0=000 的根满足

{∑i=1nxi=−an−1an∑1≤i<j≤nxixj=an−2an∑1≤i<j<k≤nxixjxk=−an−3an⋯∏i=1nxi=(−1)na0an

即从 x1⋯xn 中任取 m 项相乘,所得的结果之和为 (−1)man−man。

Wnm=(−1)man−man

代入得

fk+n−Wn1fk+n+Wn2fk+n−2+⋯+Wnnfk=0

易知 W 函数具有性质

Wnm=xn⋅Wn−1m−1+∏i=1n−1xi

故 (1) 式可化为

∑i=1n(−1)i−1Wn−1i−1fk+n−i+1=xn∑i=1n(−1)i−1Wn−1i−1fk+n−i

∴ 数列 {∑i=1n(−1)i−1Wn−1i−1fk+n−i} 是公比为 xn 的等比数列。