Производящие функции
TRANSCRIPT
Формальные степенные ряды
Формальный степенной ряд — это запись вида 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥
2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥𝑘 +⋯
Числа 𝑎0, 𝑎1, … называются коэффициентами ряда.
Операции над рядами
Обозначим𝐴 𝑥 ≔ 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥
2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥𝑘 +⋯
𝐵 𝑥 ≔ 𝑏0 + 𝑏1𝑥 + 𝑏2𝑥2 +⋯+ 𝑏𝑘𝑥
𝑘 +⋯
• Сумма рядов 𝐴 и 𝐵— это ряд𝑐0 + 𝑐1𝑥 + 𝑐2𝑥
2 +⋯+ 𝑐𝑘𝑥𝑘 +⋯
с коэффициентами 𝑐𝑘 = 𝑎𝑘 + 𝑏𝑘• Разность рядов 𝐴 и 𝐵— это ряд с коэффициентами 𝑐𝑘 = 𝑎𝑘 − 𝑏𝑘
Операции над рядами
Обозначим𝐴 𝑥 ≔ 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥
2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥𝑘 +⋯
𝐵 𝑥 ≔ 𝑏0 + 𝑏1𝑥 + 𝑏2𝑥2 +⋯+ 𝑏𝑘𝑥
𝑘 +⋯
• Произведение рядов 𝐴 и 𝐵— это ряд𝑐0 + 𝑐1𝑥 + 𝑐2𝑥
2 +⋯+ 𝑐𝑘𝑥𝑘 +⋯
с коэффициентами
𝑐𝑘 =
𝑖=0
𝑘
𝑎𝑖𝑏𝑘−𝑖
Операции над рядами
Обозначим𝐴 𝑥 ≔ 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥
2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥𝑘 +⋯
𝐵 𝑥 ≔ 𝑏0 + 𝑏1𝑥 + 𝑏2𝑥2 +⋯+ 𝑏𝑘𝑥
𝑘 +⋯
Пусть 𝑏0 ≠ 0.
• Частное рядов 𝐴 и 𝐵— это ряд𝑐0 + 𝑐1𝑥 + 𝑐2𝑥
2 +⋯+ 𝑐𝑘𝑥𝑘 +⋯
коэффициенты которого определяются последовательно из соотношений:
𝑐0 ≔𝑎0
𝑏0, 𝑐1 ≔
𝑎1−𝑏1𝑐0
𝑏0, 𝑐2 ≔
𝑎2−𝑏2𝑐0−𝑏1𝑐1
𝑏0, …
Операции над рядами
Производная ряда𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥
2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥𝑘 +⋯
— это ряд 𝑐0 + 𝑐1𝑥 + 𝑐2𝑥
2 +⋯+ 𝑐𝑘𝑥𝑘 +⋯
с коэффициентами 𝑐𝑘 ≔ 𝑘 + 1 𝑎𝑘+1
Производящие функции
Производящая функция числовой последовательности 𝑎0, 𝑎1, … — это сумма ряда
𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥2 +⋯+ 𝑎𝑘𝑥
𝑘 +⋯
(при условии, что в окрестности нуля ряд сходится)
Например, производящая функция последовательности 𝑛0, 𝑛1, 𝑛2…
— это ряд𝑛
0+𝑛
1𝑥 +𝑛
2𝑥2 +⋯+
𝑛
𝑛𝑥𝑛 +⋯
Мы знаем, что этот ряд можно «свернуть»:1 + 𝑥 𝑛
Производящие функции
Основное правило применения производящих функций:
Любая функция может быть производящей функцией не более чем одной последовательности.
А это значит, что если мы взяли две последовательности, на первый взгляд «разные», и доказали, что их производящие функции равны в окрестности нуля, то и сами последовательности совпадают.
Радиус сходимости
Для применимости метода нужно проверять, что ряды сходятся в окрестности нуля.
Радиус сходимости ряда ∑𝑎𝑘𝑥𝑘 — это такое 𝑟, что ряд сходится
при всех 𝑥, таких, что 𝑥 < 𝑟. (𝑥 в общем случае комплексное)
Радиус сходимости помогает найти Теорема Коши:
𝑟 = lim𝑘→∞
𝑘 𝑎𝑘−1
Рациональные производящие функции
Утверждение.Если последовательность 𝑎𝑘 удовлетворяет л.р.с. с п.к., то производящая функция 𝑓 для 𝑎𝑘 представима в виде
𝑓 𝑥 =𝑃 𝑥
𝑄 𝑥,
где 𝑃, 𝑄 ∈ ℝ 𝑥 .
Доказательство утверждения
Пусть п-ть 𝑎𝑘 удовлетворяет соотношению 𝑐𝑟𝑎𝑘+𝑟 +⋯+ 𝑐0𝑎𝑘 = 0, или, что то же самое, 𝑐𝑟𝑎𝑘 + 𝑐𝑟−1𝑎𝑘−1…+ 𝑐1𝑎𝑘−𝑟+1 + 𝑐0𝑎𝑘−𝑟 = 0.
Пусть 𝑓 𝑥 ≔ ∑𝑎𝑘𝑥𝑘. Имеем
𝑐0𝑥𝑟 ⋅ 𝑓 𝑥 =
𝑘=𝑟
∞
𝑐0𝑎𝑘−𝑟𝑥𝑘
𝑐1𝑥𝑟−1 ⋅ 𝑓 𝑥 =
𝑘=𝑟−1
∞
𝑐1𝑎𝑘−𝑟+1𝑥𝑘
⋮
𝑐𝑟 ⋅ 𝑓 𝑥 =
𝑘=0
∞
𝑐𝑟𝑎𝑘𝑥𝑘
Отсюда 𝑐0𝑥𝑟 + 𝑐1𝑥
𝑟−1 +⋯+ 𝑐𝑟 ⋅ 𝑓 𝑥 = 𝑃 𝑥 + ∑𝑘=𝑟∞ 𝑐𝑟𝑎𝑘 + 𝑐𝑟−1𝑎𝑘−1…+ 𝑐1𝑎𝑘−𝑟+1 + 𝑐0𝑎𝑘−𝑟
=0
𝑥𝑘,
где 𝑃— многочлен степени не выше 𝑟 − 1 .
Применение производящих функций
Пусть надо вычислить сумму
𝑘=0
𝑛
𝑘2𝑛
𝑘
1
2𝑘
Заметим, что она равняется 𝑔 1 2 , где 𝑔 𝑥 — производящая функция для последовательности
𝑎𝑘 = 𝑘2𝑛
𝑘то есть
𝑔 𝑥 ≔
𝑘=0
∞
𝑘2𝑛
𝑘𝑥𝑘
Применение производящих функций
Имеем 𝑔 𝑥 = ∑𝑘=0∞ 𝑘2 𝑛
𝑘𝑥𝑘
Пусть 𝑓 𝑥 ≔ ∑𝑘=0∞ 𝑛𝑘𝑥𝑘 = 1 + 𝑥 𝑛.
Заметим, что 𝑔 𝑥 = 𝑥 𝑥𝑓′ 𝑥′, а значит
𝑔 𝑥 = 𝑥 𝑥 1 + 𝑥 𝑛′ ′= 𝑥 𝑥𝑛 1 + 𝑥 𝑛−1 ′ =
= 𝑥𝑛 1 + 𝑥 𝑛−1 + 𝑥 𝑛 − 1 1 + 𝑥 𝑛−2
И теперь легко вычислить
𝑔 1/2 =𝑛
232
𝑛−1+ 12𝑛 𝑛 − 1 ⋅
32
𝑛−2
Обобщённая формула бинома
«Обычная» формула бинома для 𝑛 ∈ ℕ:
1 + 𝑥 𝑛 = 1 +𝑛
1𝑥 +𝑛
2𝑥2 +⋯+
𝑛
𝑛𝑥𝑛
Обобщённая формула бинома для 𝛼 ∈ ℝ:
1 + 𝑥 𝛼 = 1 +𝛼
1𝑥 +𝛼
2𝑥2 +⋯+
𝛼
𝑘𝑥𝑘 +⋯
Здесь 𝛼𝑘
— обобщённые биномиальные коэффициенты:
𝛼
𝑘=𝛼 𝛼 − 1 𝛼 − 2 ⋅ … ⋅ 𝛼 − 𝑘 − 1
𝑘!
Обобщённая формула бинома
1 + 𝑥 𝛼 = 1 + 𝛼1𝑥 + 𝛼
2𝑥2 +⋯, где 𝛼
𝑘=𝛼 𝛼−1 𝛼−2 ⋅…⋅ 𝛼− 𝑘−1
𝑘!
Пример применения:
1 + 𝑥 1/2 = 1 +1
2𝑥 +1212− 1
2!𝑥2 +
1212− 1
12 − 2
3!𝑥3 +⋯ =
= 1 +1
2𝑥 +1 − 2
2! ⋅ 22𝑥2 +1 − 2 1 − 4
3! ⋅ 23𝑥3 +⋯
= 1 +1
2𝑥 −1
2! ⋅ 22𝑥2 +1 ⋅ 3
3! ⋅ 23𝑥3 −1 ⋅ 3 ⋅ 5
4! ⋅ 24+⋯
= 1 + 𝑥
𝑘=0
∞
−1 𝑘1 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ … ⋅ 2𝑘 − 1
𝑘 + 1 ! 2𝑘+1𝑥𝑘
Обобщённая формула бинома
Ещё немного преобразуем:
1 + 𝑥 1/2 = 1 + 𝑥
𝑘=0
∞
−1 𝑘1 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ … ⋅ 2𝑘 − 1
𝑘 + 1 ! 2𝑘+1𝑥𝑘
= 1 + 𝑥
𝑘=0
∞
−1 𝑘1 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ 4 ⋅ 5 ⋅ … ⋅ 2𝑘 − 2 2𝑘 − 1
2 ⋅ 4 ⋅ 6 ⋅ … ⋅ 2𝑘 − 2 ⋅ 𝑘 + 1 ! 2𝑘+1𝑥𝑘
= 1 + 𝑥
𝑘=0
∞
−1 𝑘2𝑘 − 1 !
2𝑘−1 𝑘 − 1 ! ⋅ 𝑘 + 1 ! 2𝑘+1𝑥𝑘
= 1 + 𝑥
𝑘=0
∞2𝑘 − 1 !
𝑘 − 1 ! ⋅ 𝑘 + 1 !−14𝑥𝑘
Числа Каталана
Одно из многочисленных определений:
Число Каталана 𝑎𝑛 — это количество правильных скобочных последовательностей из 𝑛 пар скобок
Пример, при 𝑛 = 3 имеем 𝑎3 = 5:
, , , ,
Числа Каталана: рекуррентное соотношение
Рекуррентное соотношение для чисел Каталана:
𝑎𝑛+1 =
𝑘=0
𝑛
𝑎𝑘𝑎𝑛−𝑘
Обоснование: прав. ск. посл.внутри 𝑘 пар скобок
прав. ск. посл.𝑛−𝑘 пар скобок
Начальные условия: 𝑎0 = 𝑎1 = 1
Числа Каталана: производящая функция
Рассмотрим производящую функцию для последовательности чисел Каталана:
𝐴 𝑥 = 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥2 + 𝑎3𝑥
3 +⋯
Заметим, что соотношение 𝑎𝑛+1 = ∑𝑘=0𝑛 𝑎𝑘𝑎𝑛−𝑘 похоже по форме
на то, что возникает при произведении рядов. Рассмотрим𝐴 𝑥 ⋅ 𝐴 𝑥 == 𝑎02 + 𝑎0𝑎1 + 𝑎1𝑎0 𝑥 + 𝑎0𝑎2 + 𝑎1𝑎1 + 𝑎2𝑎0 𝑥
2
+ 𝑎0𝑎3 + 𝑎1𝑎2 + 𝑎2𝑎1 + 𝑎3𝑎0 𝑥3 +⋯ == 𝑎1 + 𝑎2𝑥 + 𝑎3𝑥
2 + 𝑎4𝑥3 +⋯
Числа Каталана: производящая функция
Итак,
𝐴 𝑥2= 𝑎1 + 𝑎2𝑥 + 𝑎3𝑥
2 + 𝑎4𝑥3 +⋯
Отсюда
𝑎0 + 𝑥 𝐴 𝑥2= 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥
2 +⋯ = 𝐴 𝑥
Получаем уравнение для производящей функции 𝐴:
𝑎0 + 𝑥 𝐴 𝑥2= 𝐴 𝑥
Числа Каталана: производящая функция
Уравнение для производящей функции:
𝑥 𝐴 𝑥2− 𝐴 𝑥 + 1 = 0
Отсюда
𝐴 𝑥 =1 ± 1 − 4𝑥
2𝑥Теперь воспользуемся обобщённой формулой бинома, чтобы записать 𝐴 𝑥 в виде ряда:
𝐴 𝑥 =1 ± 1 + (−4𝑥) 1 2
2𝑥
Числа Каталана: вывод формулы
𝐴 𝑥 =1 ± 1 + (−4𝑥) 1 2
2𝑥
где по формуле обобщённого бинома
1 + (−4𝑥) 1 2 =
= 1 +1
2−4𝑥 +
1212 − 1
2!−4𝑥 2 +
1212 − 1
12− 2
3!−4𝑥 3 +⋯
Отсюда уже видно, что на самом деле
𝐴 𝑥 =1 − 1 + (−4𝑥) 1 2
2𝑥
Числа Каталана: вывод формулы
Подставим в выражение для 𝐴 𝑥 ряд для 1 + (−4𝑥) 1 2:
𝐴 𝑥 =1 − 1 + (−4𝑥)∑𝑘=0
∞ 2𝑘−1 !𝑘−1 !⋅ 𝑘+1 !
𝑥𝑘
2𝑥Отсюда
𝐴 𝑥 = 2
𝑘=0
∞2𝑘 − 1 !
𝑘 − 1 ! ⋅ 𝑘 + 1 !𝑥𝑘
В итоге
𝑎𝑘 = 22𝑘 − 1 !
𝑘 − 1 ! ⋅ 𝑘 + 1 !=2𝑘 − 1 ! ⋅ 2𝑘
𝑘 − 1 ! ⋅ 𝑘 ⋅ 𝑘 + 1 !=2𝑘 !
𝑘! ⋅ 𝑘 + 1 !=
2𝑘𝑘
𝑘 + 1
Числа Каталана
Итак,
𝑎𝑘 =
2𝑘𝑘
𝑘 + 1Асимптотика:
𝑎𝑘 ∼4𝑘
𝜋 ⋅ 𝑘 3 2
Теорема Эйлера
Обозначим 𝑝чёт(𝑁) и 𝑝неч 𝑁 количества разбиений 𝑁соответственно на чётное и нечётное число различных слагаемых.
Теорема.
𝑝чёт 𝑁 − 𝑝неч 𝑁 = −1 𝑘 , если 𝑁 = 3𝑘
2±𝑘2
0, иначе
Производящая функция для числа неупорядоченных разбиений
Утверждение.
Если 𝑝 𝑁 — количество неупорядоченных разбиений числа 𝑁, то для производящей функции последовательности 𝑝 0 , 𝑝 1 ,…справедлива формула
𝑛=0
∞
𝑝 𝑛 ⋅ 𝑥𝑛 =
𝑘=1
∞1
1 − 𝑥𝑘
Производящая функция для числа неупорядоченных разбиений
Т.к. 1 − 𝑡 −1 = 1 + 𝑡 + 𝑡2 +⋯, то
𝑘=1
∞
1 − 𝑥𝑘−1=
𝑖1
𝑥𝑖1
𝑖2
𝑥2𝑖2
𝑖3
𝑥3𝑖3 ⋅ … =
𝑛=0
∞
𝑎𝑛𝑥𝑛
где 𝑎𝑛 — количество наборов 𝑖1, 𝑖2, 𝑖3, … таких, что
𝑛 = 𝑖1 + 2𝑖2 + 3𝑖3 +⋯
Производящая функция для числа неупорядоченных разбиений
𝑘=1
∞
1 − 𝑥𝑘−1=
𝑛=0
∞
𝑎𝑛𝑥𝑛
где 𝑎𝑛 — количество наборов 𝑖1, 𝑖2, 𝑖3, … таких, что𝑛 = 𝑖1 + 2𝑖2 + 3𝑖3 +⋯
Любой такой набор 𝑖1, 𝑖2, 𝑖3, … однозначно соответствует разбиению числа 𝑛, в котором 𝑖1 слагаемых равны 1,𝑖2 слагаемых равны 2, и т.д.
Отсюда следует, что 𝑎𝑛 = 𝑝 𝑛 .
Вывод рекуррентного соотношения для числа неупорядоченных разбиенийИтак,
𝑘=1
∞1
1 − 𝑥𝑘=
𝑛=0
∞
𝑝 𝑛 𝑥𝑛
Отсюда
𝑛=0
∞
𝑝 𝑛 𝑥𝑛 ⋅
𝑘=1
∞
1 − 𝑥𝑘 = 1
Вывод рекуррентного соотношения для числа неупорядоченных разбиений
𝑛=0
∞
𝑝 𝑛 𝑥𝑛 ⋅
𝑘=1
∞
1 − 𝑥𝑘 = 1
Разложим в ряд произведение 𝑘=1∞ 1 − 𝑥𝑘 :
1 − 𝑥 1 − 𝑥2 1 − 𝑥3 ⋅ … =
𝑚=0
∞
𝑏𝑚𝑥𝑚
где 𝑏𝑚 = 𝑝чёт 𝑚 − 𝑝неч 𝑚 .
Вывод рекуррентного соотношения для числа неупорядоченных разбиений
𝑛=0
∞
𝑝 𝑛 𝑥𝑛 ⋅
𝑚=0
∞
𝑏𝑚𝑥𝑚 = 1
где
𝑏𝑚 = −1 𝑘 , если ∃𝑘:𝑚 = 3𝑘
2±𝑘2
0, иначе
Итак,
𝑛=0
∞
𝑝 𝑛 𝑥𝑛 ⋅ 1 +
𝑘=1
∞
−1 𝑘 𝑥 3𝑘2−𝑘 2 + 𝑥 3𝑘2+𝑘 2 = 1
Вывод рекуррентного соотношения для числа неупорядоченных разбиений
𝑗=0
∞
𝑝 𝑗 𝑥𝑗 ⋅ 1 +
𝑘=1
∞
−1 𝑘 𝑥 3𝑘2−𝑘 2 + 𝑥 3𝑘2+𝑘 2 = 1
При раскрытии скобок и приведении подобных слагаемых коэффициенты при всех положительных степенях 𝑥 должны быть нулевыми, отсюда для любого 𝑚 > 0 выполнено
𝑝 𝑚 +
𝑘>0
−1 𝑘 𝑝 𝑚 − 3𝑘2−𝑘2 + 𝑝 𝑚 −
3𝑘2+𝑘2 = 0
(считаем формально, что 𝑝 𝑁 = 0 при любом 𝑁 < 0)
Рекуррентное соотношение для числа неупорядоченных разбиений
Теорема.Для любого 𝑚 > 0 выполнено равенство
𝑝 𝑚 =
𝑘>0
−1 𝑘+1 𝑝 𝑚 − 3𝑘2−𝑘2 + 𝑝 𝑚 −
3𝑘2+𝑘2
Несколько первых слагаемых ряда:𝑝 𝑚 == 𝑝 𝑚 − 1 + 𝑝 𝑚 − 2 − 𝑝 𝑚 − 5 − 𝑝 𝑚 − 7 + 𝑝 𝑚 − 12+ 𝑝 𝑚 − 15 −⋯
Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝
Пусть 𝑓1, 𝑓2, … — последовательность всех простых нормногочленов над ℤ𝑝, в порядке неубывания их степеней.
Обозначим 𝑑𝑖 ≔ deg 𝑓𝑖.
Любой нормногочлен 𝑓 представляется единственным образом в виде
𝑓 = 𝑓𝑖1𝛼𝑖1 ⋅ … ⋅ 𝑓𝑖𝑠
𝛼𝑖𝑠
где 𝑖1 < 𝑖2 < ⋯ < 𝑖𝑠 и 𝛼𝑖1 , … , 𝛼𝑖𝑠 > 0. При этом
deg 𝑓 = 𝑑𝑖1𝛼𝑖1 +⋯+ 𝑑𝑖𝑠𝛼𝑖𝑠
Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝
Любой нормногочлен 𝑓 представляется единственным образом в виде
𝑓 = 𝑓𝑖1𝛼𝑖1 ⋅ … ⋅ 𝑓𝑖𝑠
𝛼𝑖𝑠
где 𝑖1 < 𝑖2 < ⋯ < 𝑖𝑠 и 𝛼𝑖1 , … , 𝛼𝑖𝑠 > 0.
Поэтому для любого 𝑛 число наборов 𝛼1, 𝛼2, 𝛼3, … , удовлетворяющих уравнению
𝑛 = 𝑑1𝛼1 + 𝑑2𝛼2 + 𝑑3𝛼3 +⋯
равно 𝑝𝑛 (т.к. каждому такому набору 𝛼1, 𝛼2, 𝛼3, … можно взаимно однозначно сопоставить многочлен степени 𝑛).
Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝
Утверждение.Выполнено равенство
1
1 − 𝑝𝑡=
𝑖=1
∞1
1 − 𝑡𝑑𝑖
Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝
Доказательство:
Т.к. 1 − 𝑡𝑑𝑖−1= 1 + 𝑡𝑑𝑖 + 𝑡2𝑑𝑖 + 𝑡3𝑑𝑖 +⋯, то
𝑖=1
∞
1 − 𝑡𝑑𝑖−1=
𝑗1=0
∞
𝑡𝑑1𝑗1
𝑗2=0
∞
𝑡𝑑2𝑗2
𝑗3=0
∞
𝑡𝑑3𝑗3 … =
𝑘=0
∞
𝑎𝑘𝑡𝑘
где 𝑎𝑘 — количество наборов (𝑗1, 𝑗2, 𝑗3, … ), удовлетворяющих соотношению 𝑘 = 𝑑1𝑗1 + 𝑑2𝑗2 +⋯. Значит, 𝑎𝑘 = 𝑝
𝑘, и отсюда
𝑖=1
∞
1 − 𝑡𝑑𝑖−1=
𝑘=0
∞
𝑝𝑘𝑡𝑘 =
𝑘=0
∞
𝑝𝑡 𝑘 =1
1 − 𝑝𝑡
Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝
1
1 − 𝑝𝑡=
𝑖=1
∞1
1 − 𝑡𝑑𝑖
Пусть 𝑀𝑘 — количество простых нормногочленов степени 𝑘.
Тогда
1
1 − 𝑝𝑡=
𝑘=1
∞1
1 − 𝑡𝑘
𝑀𝑘
Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝
1
1 − 𝑝𝑡=
𝑘=1
∞1
1 − 𝑡𝑘
𝑀𝑘
Прологарифмируем обе части:
ln1
1 − 𝑝𝑡=
𝑘=1
∞
𝑀𝑘 ln1
1 − 𝑡𝑘
Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝
ln1
1 − 𝑝𝑡=
𝑘=1
∞
𝑀𝑘 ln1
1 − 𝑡𝑘
Если разложить ln 1 − 𝑥 −1 в ряд, получится
ln 1 − 𝑥 −1 =
𝑗=1
∞𝑥𝑗
𝑗
Отсюда следует
𝑗=1
∞𝑝𝑡 𝑗
𝑗=
𝑘=1
∞
𝑀𝑘
𝑗=1
∞𝑡𝑘𝑗
𝑗
Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝
𝑗=1
∞𝑝𝑡 𝑗
𝑗=
𝑘=1
∞
𝑀𝑘
𝑗=1
∞𝑡𝑘𝑗
𝑗
Коэффициенты при 𝑡𝑛 для каждого 𝑛 должны совпадать в левой и правой частях равенства.
Поэтому𝑝𝑛
𝑛=
𝑘|𝑛
𝑀𝑘 𝑛 𝑘
Окончательно,
𝑝𝑛 =
𝑘|𝑛
𝑘𝑀𝑘
Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝
𝑝𝑛 =
𝑘|𝑛
𝑘𝑀𝑘
Применяя обращение Мёбиуса, получаем следующую теорему.
Теорема.Число нормногочленов степени 𝑛, неприводимых над ℤ𝑝, равно
1𝑛
𝑘|𝑛
𝑝𝑘𝜇 𝑛 𝑘
где 𝜇— функция Мёбиуса.
Количество неприводимых многочленов над ℤ𝑝
Следствие 1.При каждом 𝑝 и при каждом 𝑛 ≥ 2 существует хотя бы один неприводимый над ℤ𝑝 нормногочлен степени 𝑛.
Следствие 2.Число нормногочленов степени 𝑛, неприводимых над ℤ𝑝,
при 𝑛 → ∞ асимптотически равно𝑝𝑛
𝑛
(См. доказательство асимптотики для числа циклических слов)