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数学杂记

时间:2022-10-16 23:56:21浏览次数:46  
标签:frac sum leq 数学 choose 杂记 displaystyle mathrm

排序不等式:设 \(a_1 \leq a_2 \leq ... \leq a_n, b_1 \leq b_2 \leq ... \leq b_n\),\(P\) 是 \(\{1, 2, ..., n\}\) 的一个排列,则有

\[\displaystyle\sum_{i = 1}^n a_ib_{n - i + 1} \leq \displaystyle\sum_{i = 1}^n a_ib_{P(i)} \leq \displaystyle\sum_{i = 1}^n a_ib_i \]

切比雪夫单调不等式:设 \(a_1 \leq a_2 \leq ... \leq a_n, b_1 \leq b_2 \leq ... \leq b_n\),有

\[n\displaystyle\sum_{i = 1}^n a_ib_{n - i + 1} \leq (\displaystyle\sum_{i = 1}^na_i)(\displaystyle\sum_{i = 1}^nb_i) \leq n\displaystyle\sum_{i = 1}^n a_ib_i \]

即设 \(f(x), g(x)\) 在区间 \([a, b]\) 上单调不减,有

\[(b - a)\displaystyle\int_a^b f(x)g(a + b - x) \, \mathrm{d}x \leq (\displaystyle\int_a^b f(x) \, \mathrm{d}x)(\displaystyle\int_a^b g(x) \, \mathrm{d}x) \leq (b - a)\displaystyle\int_a^b f(x)g(x) \, \mathrm{d}x \]

以上前两式在 \(a_1 = a_2 = ... = a_n\) 或 \(b_1 = b_2 = ... = b_n\) 时取等,后一式在 \(f(x)\) 或 \(g(x)\) 在区间 \([a, b]\) 上的每个值都相等时取等.


拉格朗日插值:对于一个 \(n\) 次函数 \(f(x)\),若已知 \(x_i\) 与 \(f(x_i) (1 \leq i \leq n + 1\) 且 \(x_i\) 互不相同 \()\)(即已知该函数经过平面上 \(n + 1\) 个点的位置,且点两两不重合),则

\[f(x) = \displaystyle\sum_{i = 1}^{n + 1} f(x_i) \cdot \frac{\displaystyle\prod_{1 \leq k \leq n + 1, k \neq i} (x - x_k) }{ \displaystyle\prod_{1 \leq k \leq n + 1, k \neq i} (x_i - x_k) } \]

例如未知 \(f(x) = 3x^2 + 2x + 5\),而知道 \(f(1) = 10, f(3) = 38, f(7) = 166\),则

\[f(x) = f(1) \cdot \frac{ (x - 3)(x - 7) }{(1 - 3) \times (1 - 7)} + f(3) \cdot \frac{ (x - 1)(x - 7) }{(3 - 1) \times (3 - 7)} + f(7) \cdot \frac{ (x - 1)(x - 3) }{(7 - 1) \times (7 - 3)} \]

\[= 5 \times \frac{ (x - 3)(x - 7) }{6} - 19 \times \frac{ (x - 1)(x - 7) }{4} + 83 \times \frac{ (x - 1)(x - 3) }{12} \]

将 \(x = 2\) 代入上式,可得

\[f(2) = 5 \times \frac{ (2 - 3) \times (2 - 7) }{6} - 19 \times \frac{ (2 - 1) \times (2 - 7) }{4} + 83 \times \frac{ (2 - 1) \times (2 - 3) }{12} \]

\[= 21 \]


设 \(H_k = \displaystyle\sum_{i = 1}^k \dfrac{1}{i}\)(调和级数),则 \(\displaystyle\sum_{i = 1}^{n - 1} H_i = nH_n - n\)

证明:

\[\displaystyle\sum_{i = 1}^{n - 1} H_i = (n - 1) + \frac{n - 2}{2} + \frac{n - 3}{3} + ... + \frac{1}{n - 1} \]

\[= \displaystyle\sum_{i = 1}^{n - 1} \frac{n - i}{i} \]

\[= \displaystyle\sum_{i = 1}^{n - 1} \frac{n}{i} - \displaystyle\sum_{i = 1}^{n - 1} 1 \]

\[= n\displaystyle\sum_{i = 1}^{n - 1} \frac{1}{i} - n + 1 \]

\[= n(H_{n - 1} + \frac{1}{n}) - n \]

\[= nH_n - n \]

证毕.


\(\mathrm{D}(x^m) = mx^{m - 1}, \mathrm{\Delta}(x^{\underline{m}}) = mx^{\underline{m - 1}}\),其中 \(x^{\underline{m}} = \displaystyle\prod_{i = 0}^{m - 1} (x - i) = x(x - 1)(x - 2) ... (x - m + 1)\),\(\mathrm{D}\) 为微分算子,\(\mathrm{\Delta}\) 为差分算子.

\(g(x) = \mathrm{D}f(x)\) 当且仅当 \(\displaystyle\int g(x) \, \mathrm{d}x = f(x) + C\),则 \(\displaystyle\int_a^b g(x) \, \mathrm{d}x = f(x) \big|_a^b\)

\(g(x) = \mathrm{\Delta}f(x)\) 当且仅当 \(\displaystyle\sum g(x) \, \mathrm{\delta}x = f(x) + C\),则 \(\displaystyle\sum_a^b g(x) \, \mathrm{\delta}x = f(x) \big|_a^b = \displaystyle\sum_{i = a}^{b - 1} g(x)\)

\(\displaystyle\int_0^n x^m \, \mathrm{d}x = \dfrac{n^{m + 1}}{ m + 1}\),\(\displaystyle\sum_0^n x^{\underline{m}} = \dfrac{n^{\underline{m + 1}}}{m + 1} (m, n \in \N)\).


扩展欧拉定理:

\[a^b \equiv \left\{ \begin{array}{rcl} a^{b \bmod \varphi(m)} & \gcd(a, m) = 1, \\ a^b & \gcd(a, m) \neq 1, b < \varphi(m), \\ a^{(b \bmod \varphi(m)) + \varphi(m)} & \gcd(a, m) \neq 1, b \geq \varphi(m). \end{array} \right. \]

延伸:若 \(a, m\) 互质,有

\[a \cdot a^{\varphi(m) - 1} \equiv 1 \pmod m \]

上式当 \(m\) 是质数时即为费马小定理.


泰勒公式:若 \(f(x)\) 在包含 \(x_0\) 的某个开区间 \((a, b)\) 上有 \((n + 1)\) 阶的导数,则对于任一 \(x \in (a, b)\),有

\[f(x) = \displaystyle\sum_{i = 0}^{n} \frac{f^{(i)}(x_0)}{i!}(x - x_0)^i + R_n(x) \]

其中 \(R_n(x) = \dfrac{f^{(n + 1)}(\varepsilon)}{(n + 1)!}(x - x_0)^{(n + 1)}\),其中 \(\varepsilon\) 是 \(x\) 与 \(x_0\) 之间的某个数。其中 \(P_n(x) = \displaystyle\sum_{i = 0}^n \dfrac{f^{(i)}(x_0)}{i!} (x - x_0)^i\) 称为 \(n\) 阶泰勒多项式,其与 \(f(x)\) 的误差 \(R_n(x)\) 称为 \(n\) 阶泰勒余项。


组合

\[\text{阶乘展开式:} {n \choose k} = \dfrac{n!}{k!(n - k)!} \]

\[\text{对称恒等式:} {n \choose k} = {n \choose {n - k}} \]

\[\text{吸收恒等式:} {n \choose k} = \dfrac{n}{k} {{n - 1} \choose {k - 1}} \]

\[\text{归纳恒等式:} {n \choose k} = {{n - 1} \choose k} + {{n - 1} \choose {k - 1}} \]

\[\text{上指标反转:} {n \choose k} = {{k - n - 1} \choose k} \]

\[\text{三项式版恒等式:} {n \choose m} {m \choose k} = {n \choose k} {{n - k} \choose {m - k}} \]

\[\text{二项式定理:} (a + b)^p = \displaystyle\sum_{k = 0}^p {p \choose k} a^kb^{p - k} \]

\[\text{平行求和法:} \displaystyle\sum_{k = 0}^n {{m + k} \choose k} = {{m + n + 1} \choose n} \]

\[\text{上指标求和法:} \displaystyle\sum_{k = 0}^n {k \choose m} = {{n + 1} \choose {m + 1}} \]

\[\text{范德蒙德卷积:} \displaystyle\sum_{k} {s \choose {m + k}}{l \choose {n - k}} = {{s + l} \choose {m + n}} \]

标签:frac,sum,leq,数学,choose,杂记,displaystyle,mathrm
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