Una recurrencia nos dice cómo obtener un término usando los anteriores. Una función generadora guarda la sucesión entera en los coeficientes de una serie. Comenzaremos calculando términos, veremos qué información aportan los valores iniciales y después moveremos las columnas de una tabla para entender los cambios de índice.
Si necesitas repasar:
1. La regla y los valores iniciales determinan la sucesión
Sin a₀ hay muchas sucesiones posibles: elegir a₀=1 o a₀=2 produce listas distintas. Para una regla que despeja aₙ a partir de k términos anteriores, dar esos k términos de inicio permite continuar por iteración.
Una fórmula explícita calcula aₙ directamente en función de n. Para probar que resuelve la recurrencia hay que verificar el inicio y la regla para todo índice de su rango. Si ambos se cumplen, la unicidad por iteración, o una inducción equivalente, identifica toda la sucesión.
Comprobar solo varios términos no es una demostración general.
Una regla, dos inicios
aₙ₊₁=3aₙ para n≥0.
Con a₀=1
Se obtiene 1,3,9,27,…
Con a₀=2
Se obtiene 2,6,18,54,…
Fórmula
En ambos casos aₙ=a₀·3ⁿ: parte del inicio y al multiplicar por tres da el siguiente término.
El dato a₀ fija qué solución de la familia estamos usando.
La comprobación aₙ₊₁=a₀3ⁿ⁺¹=3aₙ vale para todo n≥0.
Construir una recurrencia contando la última pieza
Tₙ cuenta recubrimientos de una fila de longitud n con piezas de longitud uno o dos.
Inicio
T₀=1 por el recubrimiento vacío; T₁=1.Última pieza
Si mide uno queda una fila de n−1; si mide dos queda una de n−2.
Regla
Los casos son disjuntos y reversibles: Tₙ=Tₙ₋₁+Tₙ₋₂ para n≥2.
Primeros términos
T₂=2, T₃=3, T₄=5.
La recurrencia cuenta cinco recubrimientos de longitud cuatro.
T₀=1 permite contar correctamente la fila de longitud dos cubierta por una única pieza de dos.
2. La ecuación característica organiza las soluciones lineales homogéneas
Para aₙ=c₁aₙ₋₁+⋯+cₖaₙ₋ₖ, con coeficientes constantes y cₖ≠0, probamos una solución rⁿ.
Sus raíces no son términos de la sucesión: son bases de soluciones que combinaremos para ajustar los valores iniciales.
Sobre los complejos, una raíz r de multiplicidad m aporta rⁿ, nrⁿ,…, nᵐ⁻¹rⁿ. Estas k soluciones forman una base del espacio de soluciones, que tiene dimensión k por la elección libre de los k inicios. Una forma de entender los factores n es el operador de avance E: (E−r)(rⁿp(n))=rⁿ⁺¹[p(n+1)−p(n)], que reduce el grado del polinomio p.
Aplicarlo m veces anula grados menores que m.
Con coeficientes reales las raíces complejas aparecen conjugadas; sus combinaciones reales se expresan con cosenos y senos. No se omiten las raíces repetidas ni la segunda solución de una pareja conjugada: hacen falta suficientes constantes para ajustar todos los inicios.
Dos raíces distintas y dos datos de inicio
aₙ=3aₙ₋₁−2aₙ₋₂, a₀=1, a₁=3.
Característica
r²−3r+2=(r−1)(r−2).Familia
aₙ=A+B2ⁿ.Ajustar
A+B=1 y A+2B=3; de aquí B=2, A=−1.Comprobar
aₙ=2ⁿ⁺¹−1 da 1,3,7,… y satisface la regla al sustituir.
aₙ=2ⁿ⁺¹−1.
Las dos constantes se fijaron con los dos valores iniciales, no solo con uno.
Una raíz doble necesita un factor n
aₙ=2aₙ₋₁−aₙ₋₂, a₀=2, a₁=5.
Raíz repetida
r²−2r+1=(r−1)².Familia completa
aₙ=A+Bn; usar solo A·1ⁿ perdería soluciones.Inicio
A=2 y 2+B=5, así B=3.Verificar
2(2+3(n−1))−(2+3(n−2))=2+3n.
aₙ=2+3n.
La sucesión 2,5,8,11,… tiene segunda diferencia cero, coherente con la regla.
Raíces complejas pueden describir una sucesión real
aₙ=−aₙ₋₂, a₀=1, a₁=0.
Característica
r²+1=0 tiene raíces i y −i.Forma real
aₙ=A cos(nπ/2)+B sin(nπ/2).Inicios
A=1 y B=0; queda cos(nπ/2).
Los términos son 1,0,−1,0,1,0,…
Aumentar n en dos cambia el signo del coseno, verificando la recurrencia.
3. Un término añadido requiere una solución particular
Si aₙ satisface una regla lineal con un término conocido gₙ, la diferencia entre dos soluciones satisface la regla homogénea. Por eso buscamos una solución particular y le sumamos la familia homogénea. Los valores iniciales fijan después las constantes que faltan.
A veces un cambio de variable elimina el término añadido. Si se ensaya una forma que ya es solución homogénea, puede no servir como particular: aparece resonancia y se necesitan factores n apropiados. Este método de coeficientes constantes no resuelve por sí solo toda recurrencia, como una que dependa de a⌊n/2⌋ o incluya productos de términos.
Desplazar la sucesión convierte la regla en geométrica
aₙ=3aₙ₋₁+2 para n≥1, con a₀=0.
Buscar un desplazamiento
Definimos bₙ=aₙ+1.Nueva regla
bₙ=3aₙ₋₁+3=3bₙ₋₁ y b₀=1.Resolver y volver
bₙ=3ⁿ; aₙ=3ⁿ−1.
La solución es 3ⁿ−1.
Los primeros términos 0,2,8,26 cumplen la regla y la sustitución general la verifica.
El mismo crecimiento de la homogénea produce un factor n
aₙ=2aₙ₋₁+2ⁿ, a₀=0.
Normalizar
bₙ=aₙ/2ⁿ está definido porque 2ⁿ≠0.Restar
bₙ=bₙ₋₁+1, con b₀=0.Acumular
bₙ=n; por tanto aₙ=n2ⁿ.Verificar
2(n−1)2ⁿ⁻¹+2ⁿ=n2ⁿ.
La solución es n2ⁿ, no una constante multiplicada por 2ⁿ.
La suma añadida crece con la misma base que la solución homogénea y obliga a ese factor n.
4. Una serie formal es una lista de coeficientes con posiciones
Aquí z es un símbolo: dos series son iguales si coinciden todos sus coeficientes. [zⁿ]A(z) significa “coeficiente de grado n”. No estamos todavía sumando números ni eligiendo un valor de z.
Sumar es sumar columnas. En un producto, el coeficiente de grado n recibe las contribuciones de grados k y n−k para 0≤k≤n: una suma finita. Esa finitud define el producto formal sin discutir convergencia. Operaciones infinitas que aporten infinitos sumandos a una misma columna necesitarían una definición adicional.
Las posiciones conservan términos que valen cero
La sucesión comienza a₀=0, a₁=3, a₂=0, a₃=5.
Escribir
A(z)=0+3z+0z²+5z³+⋯.Leer
[z²]A=0 y [z³]A=5.Distinguir
B(z)=3+5z+⋯ guarda otra sucesión: no se eliminan columnas porque contengan ceros.
El índice es parte de la información, incluso cuando su coeficiente es cero.
La serie no es solo una lista de los términos no nulos.
La existencia formal no promete convergencia numérica
A(z)=Σₙ≥₀n!zⁿ.
Formalmente
Cada coeficiente n! es un número definido; la serie formal existe.
Si z=1/10
Los términos son n!/10ⁿ; el cociente de términos sucesivos es (n+1)/10.
Problema numérico
Ese cociente acaba siendo mayor que uno y los términos no tienden a cero; la suma numérica no converge.
Se puede tratar como serie formal aunque no pueda evaluarse en z=1/10 mediante esa suma.
Multiplicar formalmente por otra serie sigue teniendo una cantidad finita de aportes a cada coeficiente.
5. Al desplazar índices hay que recuperar los términos del borde
zA(z) tiene coeficientes 0, a₀, a₁, a₂,…: multiplicar por z mueve una columna.
Si la suma empieza en n=2, se restan a₀ y a₁z del lado no desplazado.
Escribe primero el rango y solo después cambia el índice. Los términos que se restan contienen las condiciones iniciales. Un denominador correcto con un numerador equivocado puede describir una sucesión diferente. La tabla muestra la progresión 2,6,18,54,… y cómo se desplaza.
Traducir una progresión usando la tabla
a₀=2 y aₙ=3aₙ₋₁ para n≥1.
Sumar en el mismo rango
Σₙ≥₁aₙzⁿ=3Σₙ≥₁aₙ₋₁zⁿ.Identificar series
A−2=3zA.Reagrupar
(1−3z)A=2; A=2/(1−3z).
El numerador dos conserva a₀=2.
Si se olvidara restar el dos, se obtendría otra ecuación que no conserva el inicio.
Cambiar los inicios cambia el numerador
a₀=2, a₁=3 y aₙ=aₙ₋₁+aₙ₋₂ para n≥2.
Izquierda
Σₙ≥₂aₙzⁿ=A−2−3z.Derecha
Σₙ≥₂aₙ₋₁zⁿ=z(A−2); Σₙ≥₂aₙ₋₂zⁿ=z²A.Resolver
A−2−3z=zA−2z+z²A, así (1−z−z²)A=2+z.
A(z)=(2+z)/(1−z−z²).
Sus coeficientes comienzan 2,3,5,8,…; el mismo denominador que Fibonacci no obliga a los mismos inicios.
6. El producto de generadoras reparte el grado entre dos factores
Si A tiene coeficientes aₙ y B tiene bₙ, el coeficiente de zⁿ en AB es Σₖ₌₀ⁿaₖbₙ₋ₖ. Esto es una convolución: escogemos cuánto grado aporta el primer factor y cuánto falta en el segundo, multiplicamos los coeficientes y sumamos todos los repartos.
En conteo, si un objeto es un par ordenado de componentes de tamaños k y n−k, los coeficientes cuentan opciones para cada componente. La construcción debe ser única. Cuando los tamaños solo pueden valer cero o uno, las generadoras son polinomios; cuando pueden ser cualquier entero no negativo, aparece la geométrica formal.
Multiplicar dos series término a término no basta
A=1+2z+3z²+⋯ y B=4+5z+6z²+⋯; buscamos grado dos.
Repartos
Los grados posibles son (0,2),(1,1),(2,0).
Productos
Aportan 1·6,2·5 y 3·4.
Suma
6+10+12=28.
[z²](AB)=28.
Multiplicar solo a₂b₂ daría grado cuatro, no grado dos.
Dos cantidades que suman n
Cada componente admite una única opción de cada tamaño 0,1,2,…; su generadora es G=1/(1−z).
Pares de tamaños
Para total n: (0, n),(1, n−1),…,(n,0).
Convolución
Cada par pesa 1·1 y hay n+1 pares.
Coeficiente
[zⁿ]G²=n+1; en grado tres da cuatro.
1/(1−z)² tiene coeficientes 1,2,3,4,…
Los pares son ordenados: (0,3) y (3,0) son dos resultados distintos.
7. Una inversa formal existe si el término constante se puede invertir
Trabajamos con coeficientes reales o complejos.
Recíprocamente, si q₀≠0, se fija b₀=1/q₀ y cada coeficiente siguiente se despeja a partir de los anteriores: bₙ=−(Σⱼ₌₁ⁿqⱼbₙ₋ⱼ)/q₀. Eso construye una inversa única.
Como 1−cz tiene constante uno, su inversa es Σcⁿzⁿ. La misma expansión como función numérica converge cuando |cz|<1, pero la identidad formal no necesita escoger z. La serie z no tiene inversa dentro de series de potencias con exponentes no negativos: su producto con cualquier serie tiene constante cero.
Construir una inversa por columnas
Q(z)=1−z−z² y Q(z)B(z)=1.
Constante
b₀=1.Grado uno
b₁−b₀=0, así b₁=1.Grados siguientes
b₂−b₁−b₀=0 da b₂=2; b₃−b₂−b₁=0 da b₃=3.
B comienza 1+z+2z²+3z³+⋯ y existe formalmente.
Que Q tenga ceros como función numérica no impide invertirlo como serie formal alrededor de su constante no nula.
Una constante distinta de uno también sirve
Q(z)=2−z.
Sacar constante
Q=2(1−z/2).Geométrica
1/Q=(1/2)Σ(z/2)ⁿ.Coeficientes
Son bₙ=1/2ⁿ⁺¹: 1/2,1/4,1/8,…
La inversa formal existe porque q₀=2≠0.
Para evaluar esa serie numéricamente se necesita |z|<2; para multiplicarla formalmente, no.
8. Los cocientes racionales permiten recuperar fórmulas explícitas
Al sumar una recurrencia lineal homogénea de coeficientes constantes, el denominador recoge la regla y el numerador los términos iniciales. Factorizar el denominador y usar fracciones simples transforma el cociente en series cuyos coeficientes conocemos. Un factor (1−cz) se corresponde con potencias cⁿ.
Un factor repetido (1−cz)ᵐ aporta C(n+m−1, m−1)cⁿ: al multiplicar m geométricas, cada reparto de n en m cantidades no negativas pesa cⁿ. Para c≠0, ese coeficiente es un polinomio en n de grado m−1 por cⁿ, coherente con raíces repetidas de la ecuación característica.
Los recubrimientos del dibujo tienen T₀=T₁=1 y generadora 1/(1−z−z²); la sucesión Fibonacci del ejercicio final empieza con 0,1 y tiene z/(1−z−z²). La relación es Tₙ=Fₙ₊₁: reconocer la regla no permite olvidar el índice inicial.
Fracciones simples separan dos crecimientos
A(z)=2/[(1−z)(1−3z)].
Separar
A=−1/(1−z)+3/(1−3z), pues −(1−3z)+3(1−z)=2.Extraer
El coeficiente es −1+3·3ⁿ.
Inicio
a₀=2, a₁=8, a₂=26.
aₙ=3ⁿ⁺¹−1.
La suma de las dos fracciones recupera exactamente el numerador original, no solo sus primeros coeficientes.
Un polo doble produce el factor n+1
A(z)=1/(1−2z)².
Dos geométricas
Cada factor tiene coeficiente 2ᵏ en grado k.
Convolución
En grado n, cada uno de los n+1 repartos aporta 2ᵏ2ⁿ⁻ᵏ=2ⁿ.
Resultado
aₙ=(n+1)2ⁿ; empieza 1,4,12,32,…
El factor polinómico n+1 viene de la multiplicidad dos.
La fórmula general con m=2 da C(n+1,1)2ⁿ, el mismo coeficiente.
9. La derivada formal introduce el índice como factor
La derivada formal se define por (zⁿ)′=nzⁿ⁻¹ y linealidad coeficiente a coeficiente.
El cero en n=0 aparece automáticamente: derivar elimina el término constante.
Las reglas de suma y producto se verifican comparando los coeficientes finitos correspondientes; se puede derivar también una identidad formal. No es una justificación para evaluar fuera de un radio de convergencia. La operación zD, derivar y luego multiplicar por z, permite ponderar repetidamente por n sin desplazar las posiciones finales.
Generar la sucesión de los naturales con su cero
G(z)=1/(1−z)=Σₙ≥₀zⁿ.
Derivar
G′=1/(1−z)²=Σₙ≥₁nzⁿ⁻¹.Volver al grado n
zG′=z/(1−z)²=Σₙ≥₀nzⁿ.Leer
La sucesión empieza 0,1,2,3,…
La generadora de aₙ=n es z/(1−z)².
Sin multiplicar por z los coeficientes serían n+1 en grado n, otra sucesión.
Ponderar por n dos veces genera los cuadrados
Partimos de H(z)=z/(1−z)², cuyos coeficientes son n.
Aplicar zD
zH′ tiene coeficientes n·n=n².Derivar
H′=(1−z)⁻²+2z(1−z)⁻³.Simplificar
zH′=z[(1−z)+2z]/(1−z)³=z(1+z)/(1−z)³.
La generadora de n² es z(1+z)/(1−z)³.
En grado tres el coeficiente es C(4,2)+C(3,2)=6+3=9, y la constante es cero.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Una progresión
a₀=2,aₙ₊₁=3aₙ. Halla A(z).
Inicio y regla
a₀=2 y aₙ₊₁=3aₙ; los términos son 2,6,18,54,…Fórmula explícita
Por inducción, aₙ=2·3ⁿ para todo n≥0.Serie
A(z)=Σₙ≥₀2·3ⁿzⁿ=2Σₙ≥₀(3z)ⁿ.Identidad geométrica
La serie Σ(3z)ⁿ es la inversa formal de 1−3z, cuya constante es uno.
Resultado
A(z)=2/(1−3z).Comprobar
La constante es dos y (1−3z)A=2 conserva toda la recurrencia.La expansión como suma numérica exige |z|<1/3.
A(z)=2/(1−3z).
Los coeficientes empiezan 2,6,18,54. La igualdad formal vale sin escoger z; la expansión numérica converge si |z|<1/3.
EJEMPLO RESUELTO 2
Fibonacci
F₀=0,F₁=1,Fₙ=Fₙ₋₁+Fₙ₋₂. Halla F(z).
Datos de inicio
F₀=0, F₁=1; F(z)=Σₙ≥₀Fₙzⁿ.Rango
Sumamos Fₙ=Fₙ₋₁+Fₙ₋₂ desde n=2, multiplicando por zⁿ.Izquierda
Σₙ≥₂Fₙzⁿ=F(z)−z.Derecha
El primer sumando da z(F−F₀)=zF; el segundo da z²F.Resolver
F−z=zF+z²F, así (1−z−z²)F=z y F=z/(1−z−z²).Comprobar
La constante es cero, el coeficiente lineal es uno y los siguientes son 1,2,3,…; la identidad formal prueba la regla para todos los grados.
F(z)=z/(1−z−z²).
El coeficiente constante es0 y el lineal1. Los términos iniciales y la identidad formal prueban la sucesión completa.
Los símbolos que hemos usado
- aₙ
- Término de índice entero no negativo n de una sucesión.
- A(z)
- Generadora ordinaria Σₙ≥₀aₙzⁿ.
- [zⁿ]A(z)
- Coeficiente de z elevado a n en la serie A.
- Orden
- Número de términos previos necesarios en una recurrencia resuelta hacia delante.
- Convolución
- Sucesión cₙ=Σₖ₌₀ⁿaₖbₙ₋ₖ, que aparece al multiplicar generadoras.
- r
- Raíz de la ecuación característica usada en una solución de tipo rⁿ.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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