线性与整式递推数列在信息学竞赛中的应用探索

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"国家集训队2019论文集1" 这篇论文集是关于信息学竞赛中的算法和数学问题的深度探讨,其中一篇由钟子谦撰写的论文着重讨论了线性递推数列和整式递推数列。线性递推数列在算法竞赛中已有一定的历史,但其应用并未广泛普及,而整式递推数列作为线性递推数列的扩展,相对较新,近年来开始进入信息学竞赛领域。 线性递推数列的定义基于一个简单的概念:数列中的每一项都是前几项的线性组合。这类数列在数学和计算机科学中有着重要的地位,因为它们经常出现在动态规划问题和序列的生成中。论文的第一部分详细阐述了线性递推数列的定义,包括如何构建生成函数,以及与线性代数的联系,如特征多项式和解的结构。此外,论文还可能涵盖了线性递推数列的性质,如周期性、闭合形式解的寻找,以及在实际问题中的应用案例。 整式递推数列则是线性递推数列的扩展,允许每一项是前几项的任意整式组合,而不局限于线性关系。这增加了表达复杂序列的能力,但也带来了新的挑战,如求解更复杂的特征方程和处理更高阶的关系。论文的第二部分预计详细讨论了整式递推数列的定义、性质和算法,可能包括如何通过生成函数来处理这类数列,以及它们在信息学竞赛中的具体应用场景。 论文集的其他章节涵盖了各种算法和数学问题,例如随机游走、图的着色、树上分治、数论问题、数据结构设计以及特定类型的问题(如子串周期查询)的算法。这些章节分别由不同的作者撰写,展示了信息学竞赛中多样化的问题和解决方案。 这篇论文集是信息学竞赛参与者和算法研究者的宝贵资源,它深入剖析了线性递推数列和整式递推数列,以及它们在解决实际问题中的应用。通过阅读,读者不仅可以理解这两种数列的基本理论,还能了解到如何将这些理论应用于实际竞赛情境中,提升解决问题的能力。
2020-04-04 上传
IOI国家集训队2019论文集,目录: 钟子谦 - 《两类递推数列的性质和应用》 王修涵 - 《浅谈图模型上的随机游走问题》 杨骏昭 - 《“小水题”命题报告》 高嘉煊 - 《浅谈图的点着色问题》 戴 言 - 《浅谈格路计数相关问题》 李佳衡 - 《算法竞赛中一些数论问题的推广与高斯整数初探》 范致远 - 《“基础圆方树练习题”命题报告》 徐翊轩 - 《“整点计数”命题报告以及对高斯整数的若干研究》 张哲宇 - 《浅谈树上分治算法》 吴思扬 - 《“组合数求和”命题报告》 王思齐 - 《浅谈一类简洁数据结构》 陈孙立 - 《子串周期查询问题的相关算法及其应用》 吴作同 两关递推数列的性质和应用 福州第中学钟了谦 两类递推数列的性厉和应用 福州第三中学钟子谦 摘要 线性递推数列和整式递搾数列是数学中常见的两类递推数列,本文介绍了这两类递推 数列的定义、性质和有关算法,并展示了它们在信息学竞赛中的一些应用。 前言 线性递推数列被引入算法竞赛界凵经有至少互年,但是直没有得到特别广泛的普及 整式递推数列是线性递推数列的一个自然的拓展,近两年才被引入信息学竞赛。本文希望 能够系统介绍这两类数列的性质和在信息学竞赛中的用途,使读者在思考有关问题时有迹 可循 本文首先在第1节介绍了线性递推数列,接下来在第2节介绍了整式递推数列。对于 这两类数列,本文介绍了它们的定义、性质、有关算法和实际例题,对于线性递推数列本文 还介绍了些与线性代数相关的应用。 1线性递推数列 1.1定义 定义1.1.我们称长度有限的数列为有限数列,长度无限的数列为无限数列。 定义1.2.我们称形式幂级教F最高次项的次数为形式幂级数F的次数,记为deg(F) (可能为α)。特别地,我们定义零多项式的次数为负无穷大(-0)。 定义13.对于有限数列{a0,a1,a2…an-1},我们定义它的生成函数为多项式A(x) ∑=ax。对于无限数列{ao,a1,a2…},我们类似地定义它的生成函数为形式幂级数A(x) 定义1.4.对于无限效列{0,a1,u2…}和有限非空数列{ro,r1,r2…rm-n},若对于任意 卩≥m-1,有∑ank=0,则称数列r为数列a的线性递归式。若ro=1,我们称数 列r为数列a的线性递推式。我们称存在线性递推式的无限数列为线性递推数列 两关递推数列的性质和应用 福州第中学钟了谦 对于有限数列{a0,a1,a2…an-l和有限非空教列{ro,r1,r2…rm-1},类似地,若对于任 意m-1≤卩≤n-1,有∑四=an-k-0,则称数列r为数列a的线性递归式。若10-1 我们称数列r为数列a的线性递推式。 我们称这个线性递推式的阶数为它的长度减一,称数列a阶数最小的线性递推式为数 列a的最短线性递推式。 12基本性质和判定方法 在生成函数的观点下看线性递归式,我们有如下结论 定理11.对于无限数列{a,a1,a2…}和有限非空数列{ro,n1,r2…rm-1},设数列a和数列 r所对应的生成函数为A和R,数列r为数列a的线性递归式等价于存在次数不超过m-2 的多项式S满足AR+S=0。 对于有限数列{a0,a1,a2…an-1}和有限数列{r,r1,r2…Fm-1},设数列a和数列r所对 应的生成函数为A和R,数列厂为数列a的线性递归式等价于存在次数不超过m-2的多 项式S满足AR+S≡0(modx)。 证明.下面证明无限数列的情况,有限数列的情况也是类似的 对于k≥m-1,考察两侧x次项的系数,我们有[x(x)R(x)=∑mbra-=0。只 需要取适当的S使得低次项系数为0即可 接下来我们介绍儿种常见的判定线性递推数列的方法。 推论1.1.对于无限数列{a,a1,a2∵},设数列a所对应的生成函数为A,a为线性递推 数列当且仅当存在常敖项为1的多项式R和多项式S满足A=是。数列a的最短线性递 推式阶数就是对于这样的R和S,max(deg(R),deg(S)+1)的最小可能值。 证明.由定理1.1移项即得 定理1.2.对于一个nXn的矩阵M,无限数列{,M,M2,M3…)是一个线性递推数列,它 的最短线性递推式阶数不超过n 证明.考虑矩阵M的特征多项式p,它满足deg(p)=n,xlp(x)=1。 I Cayley-Hamilton 定理,我们有p(M)=0。该定理的证明可参见参考文献2],由于和本文主题关系不大,这 里略厶。 设p(x)=∑=0Cnx,P(M)=0即∑:0Cm-M=0,两边乘M得∑=0CnM+!=0 即∑0c;M件+=0。所以{c,C1…cn}即为