Przeskocz do treści

Delta mi!

Kombinatoryka i nieskończoność

Wojciech Guzicki

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: lipiec 2013
  • Publikacja elektroniczna: 30-06-2013
  • Autor: Wojciech Guzicki
    Afiliacja: Instytut Matematyki, Uniwersytet Warszawski
  • Wersja do druku [application/pdf]: (260 KB)

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:

obrazek

Rys. 1

Rys. 1

Oznaczmy przez math liczbę dróg żaby na math-ty kamień. Oczywiście, math Na kamień z numerem 1 żaba może bowiem dostać się tylko w jeden sposób – ma wykonać jeden pojedynczy skok (Rys. 1).

obrazek

Rys. 2

Rys. 2

Następnie math 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 math Ma ona math różnych dróg na kamień o numerze mathmath dróg na kamień o numerze math Ponieważ ostatni skok żaby jest skokiem podwójnym z kamienia o numerze math lub pojedynczym z kamienia o numerze math więc łącznie istnieje math dróg żaby na kamień math A więc math Zatem na trzeci kamień żaba może dostać się na math sposoby, na czwarty na math sposobów i tak dalej. Zauważmy, że jeśli przyjmiemy math (co jest całkiem naturalne: istnieje jeden sposób dostania się na kamień o numerze 0, mianowicie nie robić nic), to okaże się, że math Zatem ciąg math jest określony wzorami

display-math

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 math ale w zależności od wyrazów poprzednich. Powstaje pytanie, czy możemy znaleźć wzór ogólny, zależny tylko od math Jedna z metod otrzymywania wzorów ogólnych korzysta z tzw. funkcji tworzących.

Definiujemy funkcję tworzącą dla ciągu Fibonacciego wzorem

display-math

Mamy teraz

pict

Otrzymaliśmy równanie

display-math

z którego dostajemy wzór na math :

display-math

Teraz otrzymaną funkcję tworzącą rozwijamy w szereg potęgowy. W tym celu rozkładamy ułamek

display-math

na tzw. ułamki proste. Szczegóły obliczeń pominę tutaj; Czytelnik może się natomiast łatwo przekonać (dodając ułamki), że

display-math

gdzie

display-math

Korzystamy teraz ze znanego wzoru na sumę nieskończonego szeregu geometrycznego. Mianowicie dla dowolnej liczby math i takiej liczby math że math mamy

display-math

Stąd dostajemy rozwinięcie funkcji math w szereg potęgowy

display-math

Porównując współczynniki przy kolejnych potęgach math dostajemy następujący wzór ogólny:

display-math

Ten wzór jest nazywany wzorem Bineta.

obrazek

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 math), ale w znaczeniu aktualnym: mamy do czynienia z rzeczywiście nieskończonym szeregiem potęgowym.