求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

斐波那契数列通项公式:

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

斐波那契数列通项公式

可以由母函数推导得到,过程如下:

首先,我们不知道数列的母函数,先按照定义假设一个母函数

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

定义母函数

如上图,Fi为数列的项,i为下标,数列为母函数的各项系数,各项指数和i相同,因为是无限级数,所以定义一个无穷小量O(x),当x次数足够大的时候,此项就足够接近于零,前提是x是零附近的实数,按照数列的定义,每一项为前两项之和,我们来构建每一项与前两项的差值,从而利用到这个性质,看看有什么结果

既然要构建系数差值,那么就需要次数相同的项,那么前两项就要乘以x和x的平方,如下:

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

构建相同次数的系数关系

观察可以看见,可以使用这三个多项式相加减,构造形如Fn-1,Fn,Fn-2的关系

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

构造三者关系

这样,就构造出了连续三项之间的关系,显然,直到无穷项,大部分系数其实都等于零,基于斐波那契数列的定义

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

消除了无穷项

显然,F0=0,F1=1,F2=1,代入可得:

 

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化简

次数越高,无穷小量就越接近零,我们使用FG代表无穷级数,那么就有FG*(x^2+x-1)=-x,无穷小量就直接是零了

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

母函数的表达式

这里假设分母x^2+x-1的根为r和s,那么,母函数可以写成如下形式

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

使用根来定义母函数

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

想办法把r和s分开

之所以要把r和s分开,是因为分开后,可以分别做泰勒展开

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

泰勒展开结果

这样,我们就得到了每一项系数使用r和s的表达结果,规律很容易看出来

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

系数通项公式即为数列通项公式

我们来验证一下,r和s为x^2+x-1的两个根,解一下

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

解方程

 

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给r和s赋值

看数列前5项:

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

计算数列前几项

好像有什么奇怪的东西混进来了,不怕,mma给的是精确的结果,我们把结果化简

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

前10项和数列一致

那通项公式呢

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

通项公式化简

好像怎么化简都得不到网上的标准格式,不怕,我们来验证两种格式是否等价即可

 

求证斐波那契数列的通项公式(母函数求斐波那契数列)

两种格式等价

n在自然数内,可以使得Fn和标准格式的通项公式相等,推导过程到此结束。

 

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生成函数的数学推导过程

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