Kombinatoryka i nieskończoność
Kombinatoryka zajmuje się własnościami zbiorów skończonych, w szczególności zagadnieniem zliczania elementów takich zbiorów. Czy może zatem w kombinatoryce znaleźć się miejsce dla nieskończoności? Okazuje się, że tak – pokażę jedno z takich zastosowań nieskończoności: funkcje tworzące...
Zacznę od następującego zadania:
Oznaczmy przez liczbę dróg żaby na -ty kamień. Oczywiście, Na kamień z numerem 1 żaba może bowiem dostać się tylko w jeden sposób – ma wykonać jeden pojedynczy skok (Rys. 1).
Następnie Na kamień z numerem 2 żaba może dostać się dwoma sposobami – wykonać dwa skoki pojedyncze lub jeden podwójny (Rys. 2).
Zobaczmy teraz, na ile sposobów żaba może się dostać na kamień o numerze Ma ona różnych dróg na kamień o numerze i dróg na kamień o numerze Ponieważ ostatni skok żaby jest skokiem podwójnym z kamienia o numerze lub pojedynczym z kamienia o numerze więc łącznie istnieje dróg żaby na kamień A więc Zatem na trzeci kamień żaba może dostać się na sposoby, na czwarty na sposobów i tak dalej. Zauważmy, że jeśli przyjmiemy (co jest całkiem naturalne: istnieje jeden sposób dostania się na kamień o numerze 0, mianowicie nie robić nic), to okaże się, że Zatem ciąg jest określony wzorami
Ten ciąg jest dobrze znany w matematyce: jest to tzw. ciąg Fibonacciego. Powyższy wzór definiujący ten ciąg jest wzorem rekurencyjnym: kolejny wyraz ciągu nie jest zdefiniowany wzorem uzależniającym ten wyraz od indeksu ale w zależności od wyrazów poprzednich. Powstaje pytanie, czy możemy znaleźć wzór ogólny, zależny tylko od Jedna z metod otrzymywania wzorów ogólnych korzysta z tzw. funkcji tworzących.
Definiujemy funkcję tworzącą dla ciągu Fibonacciego wzorem
Mamy teraz
Otrzymaliśmy równanie
z którego dostajemy wzór na :
Teraz otrzymaną funkcję tworzącą rozwijamy w szereg potęgowy. W tym celu rozkładamy ułamek
na tzw. ułamki proste. Szczegóły obliczeń pominę tutaj; Czytelnik może się natomiast łatwo przekonać (dodając ułamki), że
gdzie
Korzystamy teraz ze znanego wzoru na sumę nieskończonego szeregu geometrycznego. Mianowicie dla dowolnej liczby i takiej liczby że mamy
Stąd dostajemy rozwinięcie funkcji w szereg potęgowy
Porównując współczynniki przy kolejnych potęgach dostajemy następujący wzór ogólny:
Ten wzór jest nazywany wzorem Bineta.
Zauważmy, że w tej metodzie otrzymywania wzoru ogólnego konieczne było rozwijanie funkcji w nieskończony szereg potęgowy. Tak więc nieskończoność została użyta nie tylko w znaczeniu potencjalnym (wzór obowiązuje dla każdej, dowolnie dużej, ale skończonej liczby ), ale w znaczeniu aktualnym: mamy do czynienia z rzeczywiście nieskończonym szeregiem potęgowym.