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03 Mathematical Induction

2025-04-07

Euclidean Algorithm#

Basic Recurrence#

\text{gcd}(a,b) = \left\{\begin{aligned} & b & \text{if }r = 0 \\ & a & \text{otherwise} \end{aligned}\right.\ \ \ \text{where } a = b\cdot k + r, 0\le r < b

with an arbitary $k$ . 證明： ${\text{gcd}(a,b) = \text{gcd}(b,r)}$ .

可以將問題拆解為「兩式互相小於等於對方」的兩個小命題，來簡化證明難度。

命題一， ${\text{gcd}(a,b) \le \text{gcd}(b,r)}$ .

Let ${d \in \text{common divisor}(a,b)}$ .
${\implies a = k_{1}d \land b = k_{2}d}$ , ${\exists k_{1}, k_{2} \in \mathbb{Z}}$ .
${a = bk + r \implies r = (k_{1} - kk_{2})d}$ ${\implies d | r}$ .
${\implies \forall d' \in \text{common divisor(a,b)} \implies d' | r}$ $⟹ \forall d^{'} \in common divisor(a,b) ⟹ d^{'} ∣ r$ .
- Every common divisor of $a$ and $b$ is a divisor of $r$ , which surely contains ${\text{gcd}(a,b)}$ . （略命題二。）故得證 $\blacksquare$

Estimating Steps Needed in Euclidean Algorithm#

Let ${r_{0} = a}$ , ${r_{1} = b}$ ; ${r_{0} \ge r_{1}}$ .

\begin{array}. r_{0} = r_{1}k_{1} + r_{2} \\ r_{1} = r_{2}k_{2} + r_{3} \\ r_{2} = r_{3}k_{3} + r_{4} \\ \dots \\ r_{n - 1} = r_{n}k_{n} + 0 \end{array}

我們想知道這個遞迴式共花了多少步完成。或者說，我們想求 $n$ 的值。在以上描述輾轉相除法的遞迴關係式中，我們可以觀察到 ${r_{i} \ge r_{i + 1} + r_{i + 2}}$ ，比如 ${r_{0} \ge r_{1} + r_{2}}$ 等。這之中還輕易地得到 ${r_{i} \ge r_{i + 1}}$ ，因此可以說：

r_{n} \ge 2\cdot r_{n + 2},

或者 ${r_{n + 2} \le \frac{1}{2}r_{n}}$ 。平均來說，也可說 $r_{n + 1} \le \frac{1}{2^{ 1/ 2}}r_{n}$ 。試著將這個新的遞迴不等式串起來：

r_{n} \le \frac{1}{2^{1/2}} r_{n - 1} \le \frac{1}{2^{2 / 2}} r_{n - 2} \le \dots \le \frac{1}{2^{n / 2}}r_{0} ,

而我們可以單獨將頭尾抽出來看，得一指數遞減關係：

r_{n} \le \frac{r_{0}}{2^{n/2}}.

設想一數 $x$ ，使得

\frac{r_{0}}{2^{x/2}} < 1

成立。那麼，考慮原本的遞減關係，當 $n$ 等於 $x$ 時，遞減關係必然成立：

r_{x} \le \frac{r_{0}}{2^{x/2}} < 1,

故若一數 $x$ 符合不等式 ${\frac{r_{0}}{2^{x/2}} < 1}$ ，則 $x$ 可作為 $n$ 之上界：

n \le x = 2\log r_{0} + 1.\ \blacksquare

可以說，找到的 $x$ 是一個保守解，這也是他作為「 $n$ 的上界」的含意。

Mathematical Induction#

Well-ordering Axiom#

Let $S$ be a set with some positive integers. Then if

\left\{\begin{aligned} & 1 \in S \\ & \forall n \in \mathbb{N},\ n \in S \implies n + 1 \in S \end{aligned}\right.\ ,

then $S$ is the set of all positive integers, namely $\mathbb{N}$ . 在這個公理之中便使用了數學歸納的概念。

Weak Mathematical Induction#

若要證明一個初階邏輯式 $P(n)$ 對於所有 $n \ge x$ 皆成立，則：

P(x) = \text{true} \land \forall k > x,\ P(k) \implies P(k + 1)

Strong Mathematical Induction#

P(x) = \text{true} \land \forall k > x,\ P(x) \land P(x + 1) \land \dots \land P(k) \implies P(k + 1)

Lame’s Theorem#

Generating function#

Infinite Sum vs. Closed Form#

Infinite sum: ${1 + x + x^{2} + \dots + x^{n} + \dots}$
Closed form: $\frac{1}{1 - x}$

例：自然數數列 $1,2,3,4,5,\dots$

列出生成函數 $A(x)= 1 + 2x + 3x^{2} + 4x^{3} + \dots$ 法一，轉換為一連串的closed form：

\begin{aligned} = 1 + x + x^{2} + x^{3} + \dots & \left( \frac{1}{1-x} \right)\\ + x + x^{2} + x^{3} + \dots & \left( \frac{x}{1 - x} \right)\\ +x^{2} + x^{3} + \dots & \left( \frac{x^{2}}{1 - x} \right) \\ +\dots.\ \square \end{aligned}

法二，兩邊微分：

\begin{aligned} & (1 + x + x^{2} + x^{3} + x^{4}+ \dots)' \\ = & 1 + 2x + 3x^{2} + 4x^{3}+ \dots; \end{aligned}

另一邊：

\left( \frac{1}{1 - x} \right)' = \frac{1}{(1 - x)^{2}}.\ \square

Solving Linear Recurrence by Generating Function#

數列 $\{ a_{n} \}$ 之生成函數乃其Formal power series:

\sum ^{n}_{i=0} a_{i} x^{i} = a_{0} + a_{1}x + a_{2}x^{2} + \dots + a_{n}x^{n} + \dots

例：給予一數列之遞迴關係 ${a_{n} = 8 a_{n - 1} + 10^{n}, a_{0} = 6}$ ，求數列之一般式。

推導：

\begin{aligned} A(x) & = a_{0} + a_{1}x + \dots \\ & = a_{0} + \sum ^{\infty}_{i = 1} (8a_{i - 1} + 10^{i}) x_{i} \\ & = a_{0} + 8\sum ^{\infty}_{i = 1} a_{i-1} x^{i} + \sum ^{\infty}_{i = 1} 10^{i}x^{i} .\\ \end{aligned}

前式的 $a_{i-1}x^{i}$ 可以寫為 ${x\cdot a_{i-1}x^{i-1}}$ ，可提出 $x$ ；後式的 $10^{i}x^{i}$ 則可寫為 ${(10x)^{i}}$ ，而變成無窮等比級數：

\begin{aligned} A(x) & = \dots \\ & = 6 + 8xA(x) + \frac{10x}{1 - 10x}. \end{aligned}

等式兩邊消除了所有的無窮級數，而兩邊都有 $A(x)$ 。只消移項整理即可得 $A(x)$ ：

\begin{aligned} & (1 - 8x) A(x) = 6 + \frac{10x}{1 -10x}, \\ & A(x) = \frac{6 - 50x}{(1 - 8x)(1 - 10x)} \underset{\text{(1)}}{=} \frac{1}{1-8x} + \frac{5}{1 - 10x}. \end{aligned}

接著，即可依照closed form來將其還原為一般項，

\frac{1}{1 - 8x} = 1 + 8x + (8x)^{2} + \dots,

\frac{5}{1 - 10x} = 5 + 5\cdot 10x + 5\cdot (10x)^{2} + \dots

而分別可以還原回一般式 ${8^{n}}$ 與 $5\cdot 10^{n}$ 。因此，便可以得一般項 ${a_{n} = 8^{n} +5\cdot 10^{n}}$ 。 $\blacksquare$

重點

在推導時重複出現原式，可以移項整理，消去麻煩的式子
$x$ 的一次分式是很有價值的。有他就可以構成無窮等比(closed form)。因此遇到可以拆分的二次分式（形如 $\frac{1}{()()}$ ）的話要多留意一下。

Manipulating Generating Function#

給兩個生成函式 ${A(x), B(x)}$ 分別對應到數列 $a_{0}, a_{1}, a_{2}, \dots, a_{n}$ 跟 ${b_{0}, b_{1}, b_{2}, \dots, b_{n}}$ 。一、乘以 $x$ 會達成「位移」(shifting)的效果：

xA(x) \leftrightarrow 0, a_{0}, a_{1}, \dots, a_{n-1}, \dots

二、生成函式的加法：

A(x) + B(x) \leftrightarrow a_{0} + b_{0},\ a_{1} + b_{1},\ a_{2} + b_{2}, \dots

三、生成函數的乘法：

A(x)\cdot B(x) \leftrightarrow a_{0}b_{0},\ a_{0} b_{1} + a_{1}b_{0},\ a_{0}b_{2} + a_{1}b_{1} + a_{2}b_{0}, \dots

我們可以說，兩個生成函數相乘，即得他們對應數列（此處為 ${\{ a_{n} \}}$ 與 ${\{ b_{n} \}}$ ）的卷積(convolution)。提示： ${A(x)\cdot B(x) = (a_{0} + a_{1}x + a_{2}x^{2} + \dots)(b_{0} + b_{1}x + b_{2}x^{2} + \dots)}$

例：計算費氏數列 ${f_{n} = f_{n - 1} + f_{n - 2}; f_{0} = 0, f_{1} = 1}$ 的一般項。

\begin{aligned} F(x) & = \sum ^{\infty}_{i = 0} f_{i}x^{i} \\ & = f_{0} + f_{1} x + \sum ^{\infty}_{i = 2} f_{i} x^{i} \\ & = x + \sum ^{\infty}_{i = 2} (f_{i - 1} + f_{i - 2})x^{i} \\ & = x + \sum ^{\infty}_{i = 2}f_{i - 1} x^{i} + \sum ^{\infty}_{i = 2}f_{i - 2} x^{i} \\ & = x + x \sum ^{\infty} _{i=2}f_{i - 1}x^{i - 1} + x^{2} \sum ^{\infty}_{i = 2}f_{i - 2} x^{i - 2} \end{aligned}

此時，兩個無窮級數事實上都可以轉換為生成函數 $F(x)$ 。

前式： ${\sum ^{\infty}_{i = 2}f_{i - 1}x^{i - 1} = \sum ^{\infty}_{i = 1} f_{i}x^{i} = F(x) - f_{0} = F(x)}$ ；
後式： ${\sum ^{\infty}_{i = 2}f_{i - 2}x^{i - 2} = \sum ^{\infty}_{i = 0}f_{i}x^{i} = F(x)}$ 。