母函数详解

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　母函数详解

在数学中，某个序列的母函数(Generating function，又称生成函数)是一种形式幂级数，其每一项的系数可以提供关于这个序列的信息。使用母函数解决问题的方法称为母函数方法。
母函数可分为很多种，包括普通母函数、指数母函数、L级数、贝尔级数和狄利克雷级数。对每个序列都可以写出以上每个类型的一个母函数。构造母函数的目的一般是为了解决某个特定的问题，因此选用何种母函数视乎序列本身的特性和问题的类型。

这里先给出两句话，不懂的可以等看完这篇文章再回过头来看：

1.“把组合问题的加法法则和幂级数的乘幂对应起来”

2.“母函数的思想很简单 — 就是把离散数列和幂级数一 一对应起来，把离散数列间的相互结合关系对应成为幂级数间的运算关系，最后由幂级数形式来确定离散数列的构造. “

我们首先来看下这个多项式乘法：

 

由此可以看出:

1.x的系数是a1,a2,…an 的单个组合的全体。

2. x^2的系数是a1,a2,…a2的两个组合的全体。

………

n. x^n的系数是a1,a2,….an的n个组合的全体（只有1个）。

进一步得到：

 

母函数的定义

对于序列a₀，a₁，a₂，…构造一函数：

称函数G(x)是序列a₀，a₁，a₂，…的母函数。

这里先给出2个例子，等会再结合题目分析：

 

第一种：

有1克、2克、3克、4克的砝码各一枚，能称出哪几种重量？每种重量各有几种可能方案？

考虑用母函数来解决这个问题：

我们假设x表示砝码，x的指数表示砝码的重量，这样：

1个1砝码可以用函数1+1*x^1表示，

1个2克的砝码可以用函数1+1*x^2表示，

1个3克的砝码可以用函数1+1*x^3表示，

1个4克的砝码可以用函数1+1*x^4表示，克的

上面这四个式子懂吗？

们拿1+x^2来说，前面已经说过，x表示砝码，x的指数表示砝码的重量！初始状态时，这里就是一个质量为2的砝码。

那么前面的1表示什么？按照上面的理解，1其实应该写为：1*x^0,即1代表重量为0的砝码数量为1个。

所以这里1+1*x^2 = 1*x^0 + 1*x^2，即表示1个0克的砝码（相当于没有，只是形象说明）和2克的砝码，不取或取，不取则为1*x^0，取则为1*x^2

 

不知道大家理解没，我们这里结合前面那句话：

“把组合问题的加法法则和幂级数的乘幂对应起来“

 

接着讨论上面的1+x^2，这里x前面的系数有什么意义？

这里的系数表示状态数(方案数)

1+x^2，也就是1*x^0 + 1*x^2，也就是上面说的不取2克砝码，此时有1种状态；或者取2克砝码，此时也有1种状态。(分析！)

 

所以，前面说的那句话的意义大家可以理解了吧？

几种砝码的组合可以称重的情况，可以用以上几个函数的乘积表示：

(1+x)(1+x^2)(1+x^3)(1+x^4)

=(1+x+x^2+x^4)(1+x^3+^4+x^7)

=1 + x + x^2 + 2*x^3 + 2*x^4 + 2*x^5 + 2*x^6 + 2*x^7 + x^8 + x^9 + x^10

从上面的函数知道：可称出从1克到10克，系数便是方案数。（！！！经典！！！）

例如右端有2^x^5 项，即称出5克的方案有2种：5=3+2=4+1；同样，6=1+2+3=4+2；10=1+2+3+4。

故称出6克的方案数有2种，称出10克的方案数有1种 。

---

接着上面，接下来是第二种情况：

 

第二种：

求用1分、2分、3分的邮票贴出不同数值的方案数：

大家把这种情况和第一种比较有何区别？第一种每种是一个，而这里每种是无限的。

 

以展开后的x^4为例，其系数为4，即4拆分成1、2、3之和的拆分方案数为4；

 

即 ：4=1+1+1+1=1+1+2=1+3=2+2

 

 

 

这里再引出两个概念"整数拆分"和"拆分数"：

 

所谓整数拆分即把整数分解成若干整数的和（相当于把n个无区别的球放到n个无标志的盒子，盒子允许空，也允许放多于一个球）。

 

整数拆分成若干整数的和，办法不一，不同拆分法的总数叫做拆分数。

 

 接下来给出第二种无限的情况的一个模板：

 

#include<iostream>

using namespace std;

#define M 1000

int a[M],b[M];//a[M]中存最终项系数;b[M]中存取中间变量;

int main()

{

    int m,n;

    int i,j,k;

    cout<<"请输入最初有几项表达式相乘: "<<endl;

    cin>>m;

    while(1)

    {

        //可以加一个跳出循环的条件

        cout<<"请输入所求的指数 n 的值: ";

        cin>>n;

        //因为只求指数为n的系数的值:所以循环只到n就结束

        for(i=0;i<=n;i++)//初始化第一个式子:(1+X^2+X^3+...) 所以将其系数分别存到a[n]

        {

            a[i]=1;

            b[i]=0;    

        }

        for(i=2;i<=m;i++)//从第2项式子一直到第n项式子与原来累乘项的和继续相乘

        {

            for(j=0;j<=n;j++)//从所累乘得到的式子中指数为0遍历到指数为n 分别与第i个多项式的每一项相乘

                 for(k=0;k+j<=n;k+=i)//第i个多项式的指数从0开始,后面的每项指数依次比前面的多i,比如当i=3时,第3项的表达式为(1+x^3+x^6+x^9+……),直到所得指数的值i+j>=n退出

                 {

                     b[j+k]+=a[j];//比如前面指数为1,系数为3,即a[1]=3 的一项和下一个表达式的指数为k=3的相乘,则得到的式子的系数为,b[j+k]=b[4]+=a[1],又a[1]=3,所以指数为4的系数为b[4]=3;

                 }    

                 

             for(j=0;j<=n;j++)//  然后将中间变量b数组中的值依次赋给数组a,然后将数组b清零,继续接收乘以下一个表达式所得的值

              {

                  a[j]=b[j];

                  b[j]=0;

              }

        }

        printf("指数为%d的项的系数为:%d\n\n",n,a[n]);

    }

    

    return 0;

}

 

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参考大牛Tank Woo的文章：http://www.wutianqi.com/?p=596