二項式反演小記

Imcaigou發表於2024-06-07

篇幅有限,僅記錄公式及極簡證明。

定義

\[\begin{aligned} &f(n)=\sum_{i=0}^n(-1)^i{n\choose i}g(i)\Leftrightarrow g(n)=\sum_{i=0}^n(-1)^i {n\choose i} f(i) & (1) \\ &f(n)=\sum_{i=0}^n{n\choose i}g(i)\Leftrightarrow g(n)=\sum_{i=0}^n(-1)^{n+i} {n\choose i} f(i) & (2) \\ &f(n)=\sum_{i=0}^m{i\choose n}g(i)\Leftrightarrow g(n)=\sum_{i=0}^m(-1)^{n+i}{i\choose n} f(i),m\ge n & (3) \end{aligned} \]

注意 \((2)(3)\) 式的 \((-1)\) 的指數可能和別處不一樣,但是本質是一樣的,而且我更傾向用這種表述,理由見下。

證明

\((1)\)

實際上組合意義同樣而可以證明,但是並不完美。

因此從代數角度證明:

\[\begin{aligned} &\sum_{i=0}^n (-1)^i {n\choose i} f(i) \\ =&\sum_{i=0}^n(-1)^i{n\choose i}\sum_{j=0}^i(-1)^j{i\choose j}g(j) \\ =&\sum_{i=0}^n(-1)^{n}\sum_{j=0}^i (-1)^{j} (-1)^{n-i}{n\choose i}{i\choose j}g(j) \end{aligned} \]

這裡可以很容易發現不同的意義,\((-1)^{n-i}{n\choose i}\) 的意義是 \((x-1)^n\)\(x^{i}\) 中的係數;而 \(i\choose j\) 表示 \((x+1)^i\)\(x^{j}\) 的係數,也可以表示 \(x^i\)\((x-1)^j\) 的係數。合在一起可以容易得到意義是 \((x-1)^n\)\((x-1)^j\) 的係數,顯然等於 \(\delta_{nj}\),因此有:

\[\begin{aligned} &\sum_{i=0}^n (-1)^i {n\choose i} f(i) \\ =&\sum_{i=0}^n(-1)^{n}\sum_{j=0}^i (-1)^j (-1)^{n-i}{n\choose i}{i\choose j}g(j) \\ =&\sum_{i=0}^n(-1)^{n}\sum_{j=0}^i (-1)^j \delta_{nj} g(j) \\ =&\sum_{i=0}^n(-1)^{n}(-1)^i\delta_{ni} g(i) \\ =&g(n) \end{aligned} \]

即證。

\((2)(3)\) 同理。

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