算法思想,将求和项看作 nnkk 的一个函数 t(n,k)t(n, k)

基本思想

t(n,k)=(nk)zk\displaystyle t(n, k) = \binom{n}{k} z^k,考虑一个更加一般的项

t^(n,k)=β0(n)t(n,k)+β1(n)t(n+1,k)(1)\displaystyle \hat{t}(n, k) = \beta_0(n) t(n, k) + \beta_1(n) t(n+1, k) \quad \textbf{(1)}

首先将 nn 看作变量

t(n+1,k)t(n,k)=n+1n+1k\displaystyle \frac{t(n+1, k)}{t(n, k)} = \frac{n+1}{n+1-k},代入 (1)\textbf{(1)}

t^(n,k)=p(n,k)t(n,k)n+1k(1.0)\hat{t}(n, k) = \displaystyle p(n, k)\frac{t(n, k)}{n+1-k} \quad \textbf{(1.0)},其中

p(n,k)=(n+1k)β0(n)+(n+1)β1(n)(1.1)p(n, k) = (n+1-k) \beta_0(n) + (n+1) \beta_1(n) \quad \textbf{(1.1)}

下面对 t^(n,k)\hat{t}(n, k) 应用 Gosper 算法,对 kk 应用算法

t^(n,k+1)t^(n,k)=p^(n,k+1)p^(n,k)q(n,k)r(n,k+1)(2)\displaystyle \frac{\hat{t}(n, k+1)}{\hat{t}(n, k)} = \frac{\hat{p}(n, k+1)}{\hat{p}(n, k)} \frac{q(n, k)}{r(n, k+1)} \quad \textbf{(2)}

一般来说,在 Gosper 中我们令 p^(n,k)=1\hat{p}(n, k) = 1,但是在 Zeilberger 推广中

p^(n,k)=p(n,k)\hat{p}(n, k) = p(n, k),令 t(n,k)=t^(n,k)p(n,k), p(n,k)=p^(n,k)p(n,k)\displaystyle \overline{t}(n, k) = \frac{\hat{t}(n, k)} { p(n, k) }, \ \overline{p}(n, k) = \frac{\hat{p}(n, k)} { p(n, k) }

这样,就可以得到如下表达式

t(n,k+1)t(n,k)=p(n,k+1)p(n,k)q(n,k)r(n,k+1)(3)\displaystyle \frac{\overline{t}(n, k+1)}{\overline{t}(n, k)} = \frac{\overline{p}(n, k+1)}{\overline{p}(n, k)} \frac{q(n, k)}{r(n, k+1)} \quad \textbf{(3)}

这样我们就可以令 p(n,k)=1\overline{p}(n, k) = 1

我们令 t(n,k)=t^(n,k)/p(n,k)\displaystyle \overline{t}(n, k) = \hat{t}(n, k) / p(n, k),而 t^(n,k)=p(n,k)t(n,k)n+1k\displaystyle\hat{t}(n, k) = p(n, k) \frac{t(n, k)}{n+1-k},从而

t(n,k)=t(n,k)n+1k=n!zk(n+1k)!k!\displaystyle \overline{t}(n, k) = \frac{t(n, k)}{n+1-k} = \frac{n!z^k}{(n+1-k)!k!},所以

t(n,k+1)t(n,k)=(n+1k)zk+1\displaystyle \frac{\overline{t}(n, k+1)}{\overline{t}(n, k)} = \frac{(n+1-k)z}{k+1}

根据 Gosper 算法,可以令 q(n,k)=(n+1k)z,r(n,k)=kq(n, k) = (n+1-k)z, \quad r(n, k) = k,并且 q/rq/r 没有关于 kk1\geqslant 1 的因子
满足算法条件,可以直接用 Gosper 算法求解

接下来关于 kk 执行 Gosper 算法第二步

p^(n,k)=q(n,k)s(n,k+1)r(n,k)s(n,k)(4)\displaystyle \hat{p}(n, k) = q(n, k)s(n, k+1) - r(n, k) s(n, k) \quad \textbf{(4)}
其中 s(n,k)=αd(n)kd+αd1(n)kd1++α0(n)s(n, k) = \alpha_d(n) k^d + \alpha_{d-1}(n)k^{d-1} + \cdots + \alpha_0(n) 是一个待定多项式

将例子中给出的 q,rq, r 代入 (4)\textbf{(4)}(1.1)\textbf{(1.1)}

(n+1k)β0(n)+(n+1)β1(n)=(n+1k)zs(n,k+1)ks(n,k)\displaystyle (n+1-k)\beta_0(n) + (n+1) \beta_1(n) = (n+1-k)z s(n, k+1) - ks(n, k)

看作关于 kk 的方程,通过考虑 Q(n,k)=q(n,k)r(n,k),R(n,k)=q(n,k)+r(n,k)Q(n, k) = q(n, k) - r(n, k), \quad R(n, k) = q(n, k) + r(n, k) 确定次数 dd
deg(p^)=deg(Q)=deg(R)=1\text{deg}(\hat{p}) = \text{deg}(Q) = \text{deg}(R) = 1
由此我们有 d=deg(p^)deg(Q)=0d = \text{deg}(\hat{p}) - \text{deg}(Q) = 0s(n,k)=α0(n)s(n, k) = \alpha_0(n)kk 无关

方程写成
(n+1k)β0(n)+(n+1)β1(n)=(n+1k)zα0(n)kα0(n)(n+1-k)\beta_0(n) + (n+1) \beta_1(n) = (n+1-k) z\alpha_0(n) - k\alpha_0(n)

让两边关于 kk 的幂相等

{(n+1)β0(n)+(n+1)β1(n)(n+1)zα0(n)=0β0(n)+(z+1)α0(n)=0\begin{cases} (n+1)\beta_0(n) + (n+1)\beta_1(n) - (n+1)z\alpha_0(n) = 0 \\ -\beta_0(n) + (z+1)\alpha_0(n) = 0 \end{cases}

因此满足条件的是

β0(n)=z+1,β1(n)=1,α0(n)=s(n,k)=1\displaystyle \beta_0(n) = z+1, \quad \beta_1(n) = -1, \quad \alpha_0(n) = s(n, k) = 1

综上所述

t^(n,k)=T(n,k+1)T(n,k)(5)\hat{t}(n, k) = T(n, k+1) - T(n, k) \quad \textbf{(5)}
其中根据 Gosper 算法的推广

T(n,k)=r(n,k)s(n,k)t^(n,k)p^(n,k)=r(n,k)s(n,k)t(n,k)T(n, k) = \displaystyle \frac{r(n, k)s(n, k)\hat{t}(n, k)}{\hat{p}(n, k)} = r(n, k) s(n, k) \overline{t}(n, k)

最后一步是因为
t^(n,k)=t(n,k)p(n,k)\hat{t}(n, k) = \overline{t}(n, k) p(n, k),因为 p(n,k)=1\overline{p}(n, k) = 1,所以 p(n,k)p^(n,k)=p(n,k)=1\displaystyle \frac{p(n, k)}{\hat{p}(n, k)} = \overline{p}(n, k) = 1

根据 (1.0)\textbf{(1.0)}t(n,k)=t^(n,k)p(n,k)=t(n,k)n+1k\displaystyle \overline{t}(n, k) = \frac{\hat{t}(n, k)}{p(n, k)} = \frac{t(n, k)}{n+1-k}

T(n,k)=kn+1kt(n,k)=kn+1k(nk)zk=(nk1)zkT(n, k) = \displaystyle \frac{k}{n+1-k}t(n, k) = \frac{k}{n+1-k} \binom{n}{k} z^k = \binom{n}{k-1}z^k

根据 (1)\textbf{(1)}(5)\textbf{(5)} 容易验证

(z+1)(nk)zk(n+1k)zk=(nk)zk+1(nk1)zk\displaystyle (z+1)\binom{n}{k}z^k - \binom{n+1}{k}z^k = \binom{n}{k}z^{k+1} - \binom{n}{k-1}z^k

nn 是任意整数时,仅有限多个 kk 值不等于 00,这样 T(n,k+1)T(n,k)T(n, k+1)-T(n, k) 对所有 kk 求和缩减为 00

t^(n,k)=0\displaystyle \sum \hat{t}(n, k) = 0

k((z+1)t(n,k)t(n+1,k))=0\displaystyle \sum_k \left((z+1)t(n, k) - t(n+1, k) \right) = 0

这个求和就是
(z+1)SnSn+1=0(z+1)S_n - S_{n+1} = 0,从而 Sn+1=(z+1)SnS_{n+1} = (z+1)S_nS0=1S_0 = 1,那么有 Sn=(z+1)nS_n = (z+1)^n

Gosper-Zeilberger 算法

  • l=0l = 0,求关于 nnll 阶递归式

  • 先将通项 t(n,k)t(n, k) 看作是关于 nn 的,求 t(n+1,k)t(n,k)\displaystyle \frac{t(n+1, k)}{t(n, k)} \cdots,代入

    t^(n,k)=β0(n)t(n,k)++βl(n)t(n+l,k)\displaystyle \hat{t}(n, k) = \beta_0(n) t(n, k) + \cdots + \beta_l(n)t(n+l, k),可以求出一个线性组合

    一般是令 t(n,k)=t(n,k)A(n,k)\displaystyle\overline{t}(n, k) = \frac{t(n, k)}{A(n, k)}A(n,k)A(n, k) 是通分之后的分母

    从而有 t^(n,k)=p(n,k)t(n,k)\hat{t}(n, k) = p(n, k) \overline{t}(n, k),其中 t(n,k)\overline{t}(n, k) 是关于 kk 的超几何项

    一般来说,线性组合通分之后,分子表达式一般有形式 p(n,k)=B(n,k)=p^(n,k)p(n, k) = B(n, k) = \hat{p}(n, k)

  • 根据得到的 t(n,k)\overline{t}(n, k),看作 kk 的超几何项

    根据 t(n,k+1)t(n,k)=p(n,k+1)p(n,k)q(n,k)r(n,k+1)\displaystyle \frac{\overline{t}(n, k+1)}{\overline{t}(n, k)} = \frac{\overline{p}(n, k+1)}{\overline{p}(n, k)} \frac{q(n, k)}{r(n, k+1)}

    通常我们有 p(n,k)=1\overline{p}(n, k) = 1,从而可以求出 q(n,k),r(n,k)q(n, k), r(n, k),此时 p^(n,k)=p(n,k)p(n,k)\hat{p}(n, k) = p(n, k) \overline{p}(n, k)

  • dQ=deg(qr), dR=deg(q+r)d_Q = \text{deg}(q-r), \ d_R = \text{deg}(q+r)

    d={deg(p^)dQdQdRdeg(p^)dR+1dQ<dR\displaystyle d = \begin{cases} \text{deg}(\hat{p}) - d_Q & d_Q \geqslant d_R \\ \text{deg}(\hat{p}) - d_R + 1 & d_Q < d_R \end{cases}

  • 如果 d0d \geqslant 0,那么用 s(n,k)=αd(n)kd+αd1(n)kd1++α0(n)s(n, k) = \alpha_d(n) k^d + \alpha_{d-1}(n)k^{d-1} + \cdots + \alpha_0(n) 待定 s(n,k)s(n, k)
    并且代入方程,(其中 p^(n,k)\hat{p}(n, k) 在第二步中求出来了)
    p^(n,k)=q(n,k)s(n,k+1)r(n,k)s(n,k)\displaystyle \hat{p}(n, k) = q(n, k)s(n, k+1) - r(n, k) s(n, k)
    代入方程之后,令 kk 的幂对应的系数相等可以得到 β0,β1,,βl\beta_0, \beta_1, \cdots, \beta_l
    如果这些关于 β\beta 的解不全为 00return true\text{return true}

  • 否则的话,当 dQ<dRd_Q < d_R 并且 2λ/λ-2\lambda' / \lambda 是一个 >d> d 的整数时
    (注意到 λ\lambdaq+rq+rkdRk^{d_R} 的系数,λ\lambda'qrq-rkdR1k^{d_R - 1} 的系数)
    d=2λ/λd = -2\lambda' / \lambda 并且重复上一步
    如果不满足这一步一开始时的条件,return false\text{return false}

  • 如果 false\text{false},那么将 l+=1l += 1,从第一步开始再尝试

  • 如果 true\text{true},那么令

    T(n,k)=r(n,k)s(n,k)t(n,k)p(n,k)\displaystyle T(n, k) = \frac{r(n, k)s(n,k)\overline{t}(n, k)}{\overline{p}(n, k)},并且 t^(n,k)=T(n,k+1)T(n,k)\hat{t}(n, k) = T(n, k+1)-T(n, k)

一些例子

具体数学习题 5.94

(ak)(ank)δk\displaystyle \sum \binom{a}{k} \binom{-a}{n-k} \delta k 的封闭形式

第一步
不难推出

t(k+1)t(k)=(ka)(kn)(k+1)(kna+1)\displaystyle \frac{t(k+1)}{t(k)} = \frac{(k-a)(k-n)}{(k+1)(k-n-a+1)}

p(k)=1p(k) = 1
r(k)=k(kna), q(k)=(ka)(kn)r(k) = k(k-n-a), \ q(k) = (k-a)(k-n)

第二步
划归之后有 Q(k)=q(k)r(k)=an,R(k)=q(k)+r(k)=2k22(a+n)k+an\displaystyle Q(k) = q(k) - r(k) = an, \quad R(k) = q(k)+r(k) = 2k^2 - 2(a+n)k + an
deg(R)=2,deg(Q)=0\text{deg}(R) = 2, \text{deg}(Q) = 0

d=deg(p)deg(R)+1=02+1=1d = \text{deg}(p) - \text{deg}(R) + 1 = 0-2+1 = -1,这里需要额外检查

R(k)=2k2+R(k) = 2k^2 + \cdots,由此 λ=2\lambda = 2
Q(k)=0k1+Q(k) = 0\cdot k^{1} + \cdots,由此 λ=0\lambda' = 0

2λ/λ>deg(p)deg(R)+1-2\lambda' / \lambda > \text{deg}(p) - \text{deg}(R) + 1,转为 Gosper 算法第二种情形
2λ+λd=02\lambda' + \lambda d = 0,则 s(k)s(k) 次数 d=0d = 0

第三步

s(k)=α0s(k) = \alpha_0 代入 p(k)=q(k)s(k+1)r(k)s(k)p(k) = q(k)s(k+1) - r(k)s(k),从而

1=(ka)(kn)α0k(kna)α0=anα01 = (k-a)(k-n)\alpha_0 - k(k-n-a)\alpha_0 = an \cdot \alpha_0

s(k)=1ans(k) = \displaystyle \frac{1}{an}

第四步

T(k)=r(k)s(k)t(k)p(k)=k(kna)1an(ak)(ank)T(k) = \displaystyle \frac{r(k)s(k)t(k)}{p(k)} = k(k-n-a) \frac{1}{an} \binom{a}{k} \binom{-a}{n-k}

T(k)=(a1k1)knan(ank)=(a1k1)knan(a)nk(nk)!T(k) = \displaystyle \binom{a-1}{k-1} \frac{k-n-a}{n} \binom{-a}{n-k} = \binom{a-1}{k-1} \textcolor{blue}{ \frac{k-n-a}{n} \frac{(-a)^{\underline{n-k}}}{(n-k)!} }

化简蓝色部分,(1)(a)nk(nk)!a+nkn(-1) \cdot \displaystyle \frac{(-a)^{\underline{n-k}}}{(n-k)!} \frac{a+n-k}{n}

(1)(a)(a1)(an+k+1)(nk)!a+nkn\displaystyle (-1) \frac{(-a)(-a-1)\cdots (-a-n+k+1)}{(n-k)!} \frac{a+n-k}{n}

=(1)(1)nk(a+nk)nk(nk)!an=(1)nk+1(a+nknk)an\displaystyle = (-1) (-1)^{n-k} \frac{(a+n-k)^{\underline{n-k}}}{(n-k)!} \frac{a}{n} = (-1)^{n-k+1} \binom{a+n-k}{n-k} \frac{a}{n}

=(1)nk+1(1)nk(a1nk)an=(1)(a1nk)an\displaystyle = (-1)^{n-k+1}(-1)^{n-k} \binom{-a-1}{n-k} \frac{a}{n} = (-1) \binom{-a-1}{n-k} \frac{a}{n}

由此 Gosper 求出答案为

T(k)=(a1k1)(a1nk)an+C\displaystyle T(k) = -\binom{a-1}{k-1}\binom{-a-1}{n-k} \frac{a}{n} + C

m0m \geqslant 0 是一个小于 nn 的整数的时候

(mank)δk(1+k)m(1+k)a\displaystyle\binom{m-a}{n-k} \delta k \Rightarrow (1+k)^m (1+k)^{-a} 关于 kk 的二项式生成函数

从而

(ak)(mank)δk=j(mj)(ak)(anjk)\displaystyle \sum \binom{a}{k} \binom{m-a}{n-k} \delta k = \sum_j\binom{m}{j} \cdot \binom{a}{k}\binom{-a}{n-j-k}

=j(mj)anj(a1k1)(a1njk)+C\displaystyle \quad = \sum_j \binom{m}{j} \frac{-a}{n-j} \binom{a-1}{k-1} \binom{-a-1}{n-j-k} + C

一些例子2

k(mr+sk)(n+rsnk)(r+km+n)=(rm)(sn)\displaystyle \sum_k \binom{m-r+s}{k} \binom{n+r-s}{n-k} \binom{r+k}{m+n} = \binom{r}{m}\binom{s}{n}

作变换 m=b+d,n=a,r=a+b+c+d,s=a+b+c\displaystyle m = b+d, n = a, r = a+b+c+d, s = a+b+c,可以将原式写成更为对称的形式

k=(a+b+c+d+k)!(ak)!(bk)!(c+k)!(d+k)!k!=(a+b+c+d)!(a+b+c)!(a+b+d)!a!b!(a+c)!(a+d)!(b+c)!(b+d)!\displaystyle \sum_k = \frac{(a+b+c+d+k)!}{(a-k)!(b-k)!(c+k)!(d+k)!k!} = \frac{(a+b+c+d)!(a+b+c)!(a+b+d)!}{a!b!(a+c)!(a+d)!(b+c)!(b+d)!}

这样可以考虑 Gosper 算法的标准流程,取 n=an = a

t(n,k)=(n+b+c+d+k)!(nk)!(bk)!(c+k)!(d+k)!k!\displaystyle t(n, k) = \frac{(n+b+c+d+k)!}{(n-k)!(b-k)!(c+k)!(d+k)!k!}

p(n,k)=p^(n,k)=(n+1k)β0(n)+(n+1+b+c+d+k)β1(n)\displaystyle p(n, k) = \hat{p}(n, k) = (n+1-k)\beta_0(n) + (n+1+b+c+d+k)\beta_1(n)

t(n,k)=t(n,k)n+1k=(n+1+b+c+d+k)!(n+1k)!(bk)!(c+k)!(d+k)!k!\displaystyle \overline{t}(n, k) = \frac{t(n, k)}{n+1-k} = \frac{(n+1+b+c+d+k)!}{(n+1-k)!(b-k)!(c+k)!(d+k)!k!}

q(n,k)=(n+b+c+d+k+1)(n+1k)(bk)\displaystyle q(n, k) = (n+b+c+d+k+1)(n+1-k)(b-k)

r(n,k)=(c+k)(d+k)k\displaystyle r(n, k) = (c+k)(d+k)k

注意到 deg(qr)<deg(q+r)\text{deg}(q-r) < \text{deg}(q+r),但是 deg(p^)=1,deg(q+r)=3\text{deg}(\hat{p}) = 1, \text{deg}(q+r) = 3
deg(p^)deg(q+r)+1=1\text{deg}(\hat{p}) - \text{deg}(q+r) + 1 = -1,但是注意到还需要判 2λ/λ-2\lambda' / \lambda

q+r=2k3+q+r = 2k^3 + \cdots,从而 λ=2\lambda = 2
qr=0k2+q-r = 0k^2 + \cdots,从而 λ=0\lambda' = 0
此时我们取 d=2λ/λ=0d = -2\lambda' / \lambda = 0,即 s(n,k)=α0(n)s(n, k) = \alpha_0(n)

最后我们考虑关于 kk 的方程幂次相等

(n+1k)β0(n)+(n+b+c+d+k+1)β1(n)\displaystyle (n+1-k)\beta_0(n) + (n+b+c+d+k+1)\beta_1(n)
=(n+b+c+d+k+1)(n+1k)(bk)α0(n)(c+k)(d+k)kα0(n)\quad = (n+b+c+d+k+1)(n+1-k)(b-k)\cdot\alpha_0(n) - (c+k)(d+k)k \cdot \alpha_0(n)

{(n+1)β0(n)+(n+1+b+c+d)β1(n)(n+1)(n+b+c+d+1)bα0(n)=0β0(n)+β1(n)((n+1)b(n+1+b)(n+b+c+d+1)cd)α0(n)=0\begin{cases} (n+1)\beta_0(n) + (n+1+b+c+d)\beta_1(n) - (n+1)(n+b+c+d+1)b\alpha_0(n) = 0 \\ -\beta_0(n) + \beta_1(n) - \left((n+1)b - (n+1+b)(n+b+c+d+1)-cd \right) \alpha_0(n) = 0 \end{cases}

β0(n)=β1(n)\beta_0(n) = \beta_1(n) - \cdots 代入第一个方程即可求解

α0(n)=2n+2+b+c+d\alpha_0(n) = 2n + 2 + b + c +d
β1(n)=(n+1)(n+1+c)(n+1+d)\beta_1(n) = -(n+1)(n+1+c)(n+1+d)

β0(n)\beta_0(n) 的推导比较复杂,先令 n+1=tn+1 = t

β0(n)=t(t+c)(t+d)\beta_0(n) = -t(t+c)(t+d)
 tb((t+b+c+d+t)+(t+b)(t+b+c+d)(t+b+c+d+t)+cd(t+b+c+d+t))\ \textcolor{red}{- tb((t+b+c+d+t) + (t+b)(t+b+c+d)(t+b+c+d+t) + cd(t+b+c+d+t))}
红色部分化简成
(t+b+c+d+t)((t+b+c)(t+b+d)tb)(t+b+c+d+t)((t+b+c)(t+b+d) - tb)
原式就化为
(t+b+c)(t+b+d)(2t+b+c+d)tb(t+c)tb(t+d)tbbt(t+c)(t+d)(t+b+c)(t+b+d)(2t+b+c+d)-tb(t+c)-tb(t+d)-tb\cdot b - t(t+c)(t+d)

综上所述
β0(n)=(n+1+b+c)(n+1+b+d)(n+1+b+c+d)\beta_0(n) = (n+1+b+c)(n+1+b+d)(n+1+b+c+d)

我们得出递推结论

β0(n)t(n,k)+β1(n)t(n+1,k)\beta_0(n)t(n, k) + \beta_1(n)t(n+1, k) 是可以关于 kk 求和的

(n+1+b+c)(n+1+b+d)(n+1+b+c+d)Sn(n+1)(n+1+c)(n+1+d)Sn+1=0(n+1+b+c)(n+1+b+d)(n+1+b+c+d)S_n - (n+1)(n+1+c)(n+1+d)S_{n+1} = 0

SnSn1=(n+b+c)(n+b+d)(n+b+c+d)n(n+c)(n+d)\displaystyle \frac{S_n}{S_{n-1}} = \frac{(n+b+c)(n+b+d)(n+b+c+d)}{n(n+c)(n+d)}

SnS0=(n+b+c)n(n+b+d)n(n+b+c+d)nn!(n+c)n(n+d)n\displaystyle \frac{S_n}{S_0} = \frac{(n+b+c)^{\underline{n}} (n+b+d)^{\underline{n}} (n+b+c+d)^{\underline{n}} }{n!(n+c)^{\underline{n}} (n+d)^{\underline{n}}}

SnS0=(n+b+c)!(n+b+d)!(n+b+c+d)!c!d!(b+c)!(b+d)!(b+c+d)!(n+c)!(n+d)!n!\displaystyle \frac{S_n}{S_0} = \frac{(n+b+c)!(n+b+d)!(n+b+c+d)!c!d!}{(b+c)!(b+d)!(b+c+d)!(n+c)!(n+d)!n!}

因为 S0=(n+rsn)(rm+n)=(b+c+d)!a!b!c!d!\displaystyle S_0 = \binom{n+r-s}{n}\binom{r}{m+n} = \frac{(b+c+d)!}{a!b!c!d!}

该问题证毕

一些例子3

同例2,只是这里令 n=dn = d 入手,那么表达式变成了

t(n,k)=(n+a+b+c+k)!(n+k)!(c+k)!(ak)!(bk)!k!\displaystyle t(n, k) = \frac{(n+a+b+c+k)!}{(n+k)!(c+k)!(a-k)!(b-k)!k!}

同上分析,代换之后

[k]:β0(n)+β1(n)=(ab(n+1)c(a+b)(n+a+b+c+1))α0(n)[k]:\displaystyle \beta_0(n) + \beta_1(n) = (ab - (n+1)c - (a+b)(n+a+b+c+1)) \alpha_0(n)
[k0]:(n+1)β0(n)+(n+a+b+c+1)β1(n)=(n+a+b+c+1)abα0(n)[k^0]: \displaystyle (n+1)\beta_0(n) + (n+a+b+c+1)\beta_1(n) = (n+a+b+c+1)ab \cdot \alpha_0(n)

(a+b+c)β1(n)\displaystyle (a+b+c)\beta_1(n)
=((n+a+b+c+1)ab(n+1)(ab(n+1)c(a+b)(n+a+b+c+1)))α0(n)\quad = \left((n+a+b+c+1)ab - (n+1)(ab-(n+1)c-(a+b)(n+a+b+c+1)) \right) \cdot \alpha_0(n)

考虑到两边关于 nn 的系数

[n2]:(a+b+c)α0(n)[n^2]: (a+b+c)\alpha_0(n)
[n]:(a+b+c)(a+b+2)α0(n)[n]: (a+b+c)(a+b+2)\alpha_0(n)
[n0]:(a+b+c)(ab+1+a+b)α0(n)[n^0]: (a+b+c)(ab+1+a+b)\alpha_0(n)

从而令 α0(n)=1\alpha_0(n) = -1,那么有 β1(n)=(n+a+1)(n+b+1)\beta_1(n) = -(n+a+1)(n+b+1)
β0(n)=(n+1+a+b+c)(n+1+a+b)\beta_0(n) = (n+1+a+b+c)(n+1+a+b)

注意到表达式

t(n,k)=(n+a+b+c+k)!(n+k)!(c+k)!(ak)!(bk)!k!\displaystyle t(n, k) = \frac{(n+a+b+c+k)!}{(n+k)!(c+k)!(a-k)!(b-k)!k!}

{ak0n+k0\displaystyle \begin{cases}a-k \geqslant 0 \\ n+k \geqslant 0\end{cases},我们有 {kakn\displaystyle \begin{cases} k \leqslant a \\ k \geqslant -n \end{cases}

递推起点应该是 n=a,k=an = -a, k = a

S(a)=(a+b+c)!(c+a)!(ba)!a!\displaystyle S(-a) = \frac{(a+b+c)!}{(c+a)!(b-a)!a!}

那么我们有

Sn+1Sn=β0(n)β1(n)=(n+1+a+b+c)(n+1+a+b)(n+1+a)(n+1+b)\displaystyle \frac{S_{n+1}}{S_n} = \frac{|\beta_0(n)|}{|\beta_1(n)|} = \frac{(n+1+a+b+c)(n+1+a+b)}{(n+1+a)(n+1+b)}

根据递推式,n=dn = d,考虑 S(d1)S(a)\displaystyle \frac{S(d-1)}{S(-a)},这里要往下乘 tot=a+dtot = a+d

S(d1)S(a)=(b+c+1)(b+c+2)(b+c+a+d)(b+1)(b+2)(a+b+d)12(a+d)(ba+1)(b+d)\displaystyle\frac{S(d-1)}{S(-a)} = \frac{(b+c+1)(b+c+2)\cdots (b+c+a+d)\cdot (b+1)(b+2)\cdots (a+b+d)}{1\cdot 2 \cdots (a+d) \cdot (b-a+1)\cdots (b+d)}

综上所述

S(d1)S(a)=(b+c+a+d)!(b+c)!(a+b+d)!b!(da)!(a+d)!(b+d)!\displaystyle \frac{S(d-1)}{S(-a)} = \frac{(b+c+a+d)!}{(b+c)!} \frac{(a+b+d)!}{b!} \frac{(d-a)!}{(a+d)!(b+d)!}

从而

S(d1)=(b+c+a+d)!(a+b+d)!(a+b+c)!a!b!(b+c)!(a+c)!(a+d)!(b+d)!S(d-1) = \displaystyle \frac{(b+c+a+d)!(a+b+d)!(a+b+c)!}{a!b!(b+c)!(a+c)!(a+d)!(b+d)!}