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  • [学习笔记] 拉格朗日反演

    1、前言

    我真的是吐了,最近学什么都学不懂。

    这个东西还是 ( t oneindark) 去翻论文搞懂的,我只能拾人牙慧了。

    2、概述

    对于原函数 (y=f(x)),我们想求一个 反向映射 (g(y)=x),也就是满足下列的关系式:

    [g(f(x))=x ]

    但是这个反演是有限制的,(f,g) 只能含有 (x) 的正整数次幂,在下面的推导中我会告诉你为什么。

    3、求法

    ([x^k]) 表示 (f(x)) 中第 (k) 项的系数,先写结论:

    [[x^n]g(x)=frac{1}{n}[x^{-1}]frac{1}{f(x)^n}=frac{1}{n}[x^{n-1}]frac{x^n}{f(x)^n} ]

    上面的结论给出了 (g) 怎么求,设 (g(x)=sum_{i=1}^infty b_ix^i),我们把它带进定义式 (g(f(x))=x) 里面:

    [sum_{i=1}^infty b_if(x)^i=x ]

    两边以自变量 (x) 求导:

    [sum_{i=1}^infty ib_if(x)^{i-1}f'(x)=1 ]

    仔细观察结论式,现在我们已经得到 (1) 了,所以两边除以 (f(x)^n) 可以得到类似的结构:

    [sum_{i=1}^infty ib_if(x)^{i-n-1}f'(x)=frac{1}{f(x)^n} ]

    继续观察结论式,我们把 (n) 这一样单独拆出来才可能得到系数:

    [nb_nfrac{f'(x)}{f(x)}+sum_{i=1,i ot=n}^infty ib_if(x)^{i-n-1}f'(x)=frac{1}{f(x)^n} ]

    下一步就需要逆向思维了,根据链式法则我们知道 ((f(x)^{i-n})'=(i-n)f(x)^{i-n-1}f'(x)),那么把这个东西再换回去:

    [nb_nfrac{f'(x)}{f(x)}+sum_{i=1,i ot=n}^inftyfrac{ib_i}{i-n}(f(x)^{i-n})'=frac{1}{f(x)^n} ]

    因为 (f(x)^{i-n}) 是形式幂级数,而形式幂级数求导永远不会得到 ([x^{-1}]) 这一项,如果我们单看这一项就可以把这个形式幂级数扔掉了,那么式子就简单很多,我们和结论式愈加接近了:

    [[x^{-1}]nb_nfrac{f'(x)}{f(x)}=[x^{-1}]frac{1}{f(x)^n} ]

    剩下的工作就是暴力把 (frac{f'(x)}{f(x)}) 展开:

    [frac{f'(x)}{f(x)}=frac{sum_{i=1}^infty ia_ix^{i-1}}{sum_{i=1}^infty a_ix^i} ]

    [=frac{sum_{i=1}^infty ia_ix^{i-1}}{a_1x} imesfrac{1}{1+sum_{i=2}^inftyfrac{a_i}{a_1}x^{i-1}} ]

    [=(x^{-1}+A)frac{1}{1+B} ]

    [=(x^{-1}+A)(1+sum_{i=1}^{infty}(-1)^iB^i) ]

    其中 (A,B) 都代表了两个无关紧要的形式幂级数,他们都不会给 (x^{-1}) 造成影响,那么:

    [[x^{-1}]frac{f'(x)}{f(x)}=1 ]

    把他带到我们推出的式子中,得到:

    [b_n=frac{1}{n}[x^{-1}]frac{1}{f(x)^n} ]

    [[x^n]g(x)=frac{1}{n}[x^{-1}]frac{1}{f(x)^n}=frac{1}{n}[x^{n-1}]frac{x^n}{f(x)^n} ]

    4、拓展

    这个只能背结论了,我也没办法,若 (h(0)=0)

    [[x^n]h(g(x))=frac{1}{n}[x^{-1}]frac{h'(x)}{f(x)^n} ]

    5、例题

    例题1:大朋友和多叉树,这是很基本的应用了

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