利用牛頓恒等式解決對(duì)稱和問(wèn)題
之前在評(píng)論區(qū)立過(guò)flag要寫篇文章講解,今兒就來(lái)兌現(xiàn)承諾~
開頭不想賣關(guān)子了,直奔主題吧~

設(shè)一個(gè)多項(xiàng)式方程(~為常系數(shù))的根為
,那么根據(jù)因式定理,該多項(xiàng)式可以分解為
如果我們將下面的式子進(jìn)行展開,再與前面的常系數(shù)進(jìn)行對(duì)比,就可以得到根與系數(shù)之間的關(guān)系。
然而,直接暴力展開來(lái)觀察未免過(guò)于“呆”了,那么有什么巧妙的方法更方便歸納么?答案是利用組合的思想
多項(xiàng)式相乘,根據(jù)分步乘法原理,其完全展開的每一項(xiàng)均可以視為經(jīng)n次挑選后相乘的結(jié)合:
ps:對(duì)于完全展開式中的其中一項(xiàng),要經(jīng)歷這n次選擇后(這件事)才完成,因此采用分步乘法原理
第1個(gè)括號(hào)有選x和選-x?兩種選擇;第2個(gè)括號(hào)有選x和選-x?兩種選擇;第3個(gè)括號(hào)有選x和選-x?兩種選擇;以此類推
經(jīng)過(guò)這n步后,于是就有種選擇方案,也即完全展開后一個(gè)有
項(xiàng)
我們要對(duì)這項(xiàng)按x的次數(shù)由高到低進(jìn)行歸納:
求項(xiàng)的系數(shù):
代表有n個(gè)x相乘,僅當(dāng)每個(gè)括號(hào)都選x時(shí)相乘才能得到,因此只有1種方案,即:
,因此
項(xiàng)的系數(shù)為1;

求項(xiàng)的系數(shù):
代表有n-1個(gè)x相乘,由此說(shuō)明n個(gè)括號(hào)中有n-1個(gè)括號(hào)選x,1個(gè)括號(hào)不選x
那么我們就要對(duì)這1個(gè)不選x括號(hào)進(jìn)行討論:
若第1個(gè)括號(hào)不選x,則該項(xiàng)為:
若第2個(gè)括號(hào)不選x,則該項(xiàng)為:
若第3個(gè)括號(hào)不選x,則該項(xiàng)為:
以此類推,那么根據(jù)分類加法原理,進(jìn)行合并同類項(xiàng)得:
ps:選出還
項(xiàng)有n種方案(即完成這種事情有n種方案),因此采用分類加法原理
因此項(xiàng)的系數(shù)為
;

暫時(shí)還沒發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律,不妨繼續(xù)探索~
求項(xiàng)的系數(shù):
代表有n-2個(gè)x相乘,由此說(shuō)明n個(gè)括號(hào)中有n-2個(gè)括號(hào)選x,2個(gè)括號(hào)不選x
那么我們就要對(duì)這2個(gè)不選x括號(hào)進(jìn)行討論:
若第1個(gè)和第2個(gè)括號(hào)不選x,則該項(xiàng)為:
若第1個(gè)和第3個(gè)括號(hào)不選x,則該項(xiàng)為:
以此類推直到輪完
然后就輪到"不選第2個(gè)"放前面了,這里就要與"不選第3個(gè)"之后的每個(gè)進(jìn)行組合,因?yàn)?#34;不選第2個(gè)"與"不選第1個(gè)"組合前面已經(jīng)討論過(guò)了,因此就類似于小學(xué)時(shí)學(xué)的"打電話"問(wèn)題,當(dāng)然其實(shí)也是高中學(xué)的組合問(wèn)題:從n個(gè)"不選第~個(gè)"中選擇不選x的兩項(xiàng),選出這兩項(xiàng)沒有先后順序
然后輪完
再?gòu)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=x_3x_4x%5E%7Bn-2%7D" alt="x_3x_4x%5E%7Bn-2%7D">輪到
以此類推又進(jìn)行了一次歸納,再根據(jù)分類加法原理進(jìn)行合并同類項(xiàng),于是得到
項(xiàng)的系數(shù)為

到此式子就有些復(fù)雜了,因此我們需要察覺下其規(guī)律:
其相當(dāng)于從中任選2個(gè)相乘,再把這
種結(jié)果進(jìn)行相加,我們給其取名曰:初等對(duì)稱多項(xiàng)式
,這便是牛頓恒等式中的內(nèi)容之一
我們記
以此類推,也即表示從這n個(gè)根中任選k個(gè)根進(jìn)行相乘,再把這
種結(jié)果進(jìn)行相加

定義了初等對(duì)稱多項(xiàng)式,我們便可以對(duì)原方程的系數(shù)進(jìn)行高度概括了,即:
也就是從第二項(xiàng)起由e?往右依次到,且前面的正負(fù)號(hào)交替
這里有兩點(diǎn)需要解釋:1是x的次數(shù)是n-幾,那么就有幾個(gè)括號(hào)不選x,那么系數(shù)自然就是對(duì)這幾個(gè)根的輪換和,因此初等對(duì)稱式的下標(biāo)就是幾;
然后就是正負(fù)號(hào)問(wèn)題:由于我們先前定義的是對(duì)的輪換和,然而原方程中由于是將
視為整體,因此原式中是對(duì)
的輪換和,那么如何轉(zhuǎn)化把前面的符號(hào)去掉呢?就是奇偶討論了:
當(dāng)不選x的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí),-1的奇數(shù)次方=-1,因此前面最終帶負(fù)號(hào),因此原式中這些前面會(huì)多帶個(gè)負(fù)號(hào);
當(dāng)不選x的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí),-1的偶數(shù)次方=1,因此前面最終帶正號(hào),正號(hào)可省略,因此原式中這些前面是正號(hào);
于是,我們便對(duì)多項(xiàng)式方程根與系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)雅而高度的概括!
讓我們?cè)傩蕾p一番這和諧完美的形式:

特殊的情況,如果取n=2就會(huì)得到一元二次方程x2-e?x+e?=0,那么這系數(shù)就是:-e?=-(x?+x?),e?=x?x?
這也就是我們熟知的韋達(dá)定理!原來(lái),證明兩根之和/兩根之積,用求根公式暴推是“”粗魯?shù)摹啊?/span>,其背后竟有如此優(yōu)雅美妙的組合證明!

我們?cè)賮?lái)看,如果把根代進(jìn)方程會(huì)如何?
由于是原方程的n個(gè)根,那么分別將其代入方程組,就有:
相加,即有:
為此,我們?cè)俣x冪和對(duì)稱多項(xiàng)式,這便是牛頓恒等式中的內(nèi)容之二
我們記
...
以此類推,也即表示所有根的k次方和
于是上式簡(jiǎn)化為:
這也就得到了牛頓恒等式(初級(jí)版)
而上式可以再進(jìn)一步拓展,我們把前文中的每一個(gè)式子都乘以其對(duì)應(yīng)根的λ次方,即第1個(gè)式子兩邊同乘;第2個(gè)式子兩邊同乘
;以此類推得:
相加,即有:
這也就得到了牛頓恒等式(終極版)
也即滿足冪和對(duì)稱式下標(biāo)由左到右依次-1即可
這時(shí)就又跟遞推可以構(gòu)建關(guān)系了!??!

我們先來(lái)小試牛刀:
已知x?,x?,x?是方程x3-x2+1=0的根
求
依方程可寫出對(duì)應(yīng)的牛頓恒等式:
P(n+3)-P(n+2)+0P(n+1)+P(n)=0
即P(n+3)=P(n+2)-P(n)
這是個(gè)3階遞推,因此需要3個(gè)初始值
其中P(0)=x?o+x?o+x?o=3
P(1)=x?1+x?1+x?1=e?=1
這兩個(gè)是比較容易得知的,下面還要再求一個(gè)初值,比如P(2)
需要利用到恒等式
(a+b+c)2=a2+b2+c2+2(ab+ac+bc)
于是P(2)=x?2+x?2+x?2=e?2-2e?=1
然后就可以遞推了:
即
ps:求初值時(shí)若求P(-1),即:
與已求的P(0),P(1)一起也可以完成遞推

例2:已知,求
這題已經(jīng)寫過(guò)了,就直接截圖貼上來(lái)好了

ps:如果不知道三次函數(shù)判別式,那就分離參數(shù)轉(zhuǎn)化為水平線b=e?與三次函數(shù)f(a)=a3-a2交點(diǎn)來(lái)做,也能求出e?的取值范圍

拓展:如果遇到的不是對(duì)稱式,而是下面這種加權(quán)的這種又該怎么辦呢?
已知,求
這個(gè)就不是牛頓恒等式了,不過(guò)仍可以轉(zhuǎn)化為遞推來(lái)求解
如果熟知二階線性遞推那就迎刃而解
二階線性遞推(
為常數(shù))對(duì)應(yīng)的特征根方程為
,若該方程有2個(gè)不同的根(兩個(gè)不等實(shí)根或一對(duì)共軛虛根,也即判別式不為0)時(shí),其通項(xiàng)公式可以寫成
ps:關(guān)于二階線性遞推筆者寫過(guò)兩篇文章分享自己個(gè)人粗淺的理解,可以參考:
有了這一背景,我們就可以快速找到突破口了
設(shè)為關(guān)于t的方程
的兩根
記數(shù)列
則該數(shù)列對(duì)應(yīng)的線性遞推式為:
條件化為已知:,目標(biāo)化為求
遞推式賦值n=1得:
①
遞推式賦值n=2得:
②
聯(lián)立①②解得:
因此遞推式即:
遞推式賦值n=3得:

題后思考:牛頓恒等式以及二階線性遞推相同點(diǎn)是都涉及了二次方程的根的問(wèn)題,那么產(chǎn)生最后一題這種非對(duì)稱式的原因在何處呢?答案是初始值問(wèn)題。
舉一例為說(shuō)明:
線性遞推,其對(duì)應(yīng)特征根方程為
則其通項(xiàng)公式形式:
顯然,這里的待定常數(shù)C?,C?由初值a?,a?決定(將a?,a?代入解線性方程組即得)
因此只有當(dāng)初值滿足特殊情況時(shí)通項(xiàng)公式才會(huì)是對(duì)稱的
即當(dāng)初值滿足時(shí)通項(xiàng)公式對(duì)稱,此時(shí)遞推式即牛頓恒等式

遞推是數(shù)學(xué)中及其重要且美妙的思想,其是通過(guò)概括前后關(guān)系來(lái)反應(yīng)規(guī)律的一種重要手段。還有許多的遞推應(yīng)用就不一一枚舉了,有待通過(guò)研究去發(fā)掘其精華,發(fā)覺數(shù)學(xué)那份優(yōu)雅樸素的美感!