Andrews定理的证明(对称单峰多项式乘积保持对称单峰性)

2023-05-16


tags: Maths

预备定义

原始文献A Theorem on Reciprocal Polynomials with Applications to Permutations and Compositions;

对称多项式

对称(reciprocal)多项式: f ( x ) = a n x n + . . . + a 0 f(x) = a_n x^n + ... + a_0 f(x)=anxn+...+a0是对称的, 如果
f ( x ) = x n f ( 1 x ) , f(x) = x^n f\left(\frac 1x\right), f(x)=xnf(x1),
即: a r = a n − r a_r = a_{n-r} ar=anr.

单峰对称多项式

多项式 f ( x ) = a n x n + . . . + a 0 f(x) = a_n x^n + ... + a_0 f(x)=anxn+...+a0称为单峰(unimodal)对称多项式, 如果它是对称的且对 1 ≤ i ≤ n / 2 1\leq i\leq n/2 1in/2, 有 a i − a i − 1 ≥ 0 a_i-a_{i-1}\geq0 aiai10.

Andrews定理

单峰对称多项式的乘积还是单峰对称的.

即多项式
f ( x ) = ∑ j = 0 n a j x j ,    g ( x ) = ∑ j = 0 m b j x j , f(x)=\sum_{j=0}^na_jx^j,\ \ g(x)=\sum_{j=0}^mb_jx^j, f(x)=j=0najxj,  g(x)=j=0mbjxj,
系数都是非负的, 则乘积仍保持对称单峰.

证明


f ( x ) g ( x ) = h ( x ) = ∑ j = 0 m + n c j x j , f(x)g(x)=h(x)=\sum_{j=0}^{m+n}c_jx^j, f(x)g(x)=h(x)=j=0m+ncjxj,

h ( x ) = f ( x ) g ( x ) = x n f ( 1 / x ) x m g ( 1 / x ) = x n + m h ( 1 / x ) , h(x) = f(x)g(x)=x^nf(1/x)x^mg(1/x)=x^{n+m}h(1/x), h(x)=f(x)g(x)=xnf(1/x)xmg(1/x)=xn+mh(1/x),
对称性得证.

由于对每一个 a i ≥ 0 , b i ≥ 0 a_i\geq0, b_i\geq0 ai0,bi0, 有
c j = ∑ r ≥ 0 , s ≥ 0 r + s = j a r b s ≥ 0 , c_j=\sum_{\stackrel{\small r+s=j}{r\geq0,s\geq0}}a_rb_s\geq0, cj=r0,s0r+s=jarbs0,
定义
∀ r ∈ ( − ∞ , 0 ) ∩ ( n , + ∞ ) ,   有 a r = 0 \forall r\in(-\infty, 0)\cap(n, +\infty),\ \ 有 a_r=0 r(,0)(n,+),  ar=0
以及
∀ s ∈ ( − ∞ , 0 ) ∩ ( m , + ∞ ) ,   有 b s = 0 \forall s\in(-\infty, 0)\cap(m, +\infty),\ \ 有b_s=0 s(,0)(m,+),  bs=0
于是
∀ r ∈ ( − ∞ , n / 2 ] ,   有 a r − a r − 1 ≥ 0 \forall r\in (-\infty, n/2],\ \ 有a_r-a_{r-1}\geq0 r(,n/2],  arar10
并且
∀ s ∈ ( − ∞ , m / 2 ] ,   有 b s − b s − 1 ≥ 0 \forall s\in (-\infty, m/2],\ \ 有b_s-b_{s-1}\geq0 s(,m/2],  bsbs10
所以:
2 ( c j − c j − 1 ) = ( ∑ r a r b j − r + ∑ r a n − r + 1 b j − n + r − 1 ) − ( ∑ r a r − 1 b j − r + ∑ r a n − r b j − n + r − 1 ) = ∑ r ( a r − a r − 1 ) b j − r + ∑ r ( a n − r + 1 − a n − r ) b j − n + r − 1 = ∑ r ( a r − a r − 1 ) ( b j − r − b j − n + r − 1 ) ( since  a r = a n − r ) = ∑ r = 0 n + 1 ( a r − a r − 1 ) ( b j − r − b j − n + r − 1 ) = ∑ r = 0 ( n + 1 ) / 2 ( a r − a r − 1 ) ( b j − r − b j − n + r − 1 ) + ∑ r = 0 ( n + 1 ) / 2 ( a n + 1 − r − a n − r ) ( b j − n − 1 + r − b j − r ) = 2 ∑ r = 0 ( n + 1 ) / 2 ( a r − a r − 1 ) ( b j − r − b j − n + r − 1 ) = 2 ∑ r = 0 n / 2 ( a r − a r − 1 ) ( b j − r − b j − n + r − 1 ) \begin{aligned} &2(c_{j} - c_{j-1}) \\[5pt] =& \left(\sum_{r}a_rb_{j-r}+\sum_{r}a_{n - r + 1}b_{j - n + r - 1}\right) \\ &- \left(\sum_{r}a_{r-1}b_{j-r} + \sum_{r}a_{n - r}b_{j - n + r - 1}\right)\\ =& \sum_{r}(a_r-a_{r-1})b_{j-r}+\sum_{r}(a_{n - r + 1}-a_{n-r})b_{j - n + r - 1} \\ =& \sum_{r}(a_r-a_{r-1})(b_{j-r} - b_{j - n + r - 1})\qquad(\text{since} \ a_r=a_{n-r}) \\ =& \sum_{r=0}^{n+1}(a_r-a_{r-1})(b_{j-r} - b_{j - n + r - 1}) \\ =& \sum_{r=0}^{(n+1)/2}(a_r-a_{r-1})(b_{j-r} - b_{j - n + r - 1})\\ &+ \sum_{r=0}^{(n+1)/2}(a_{n+1-r}-a_{n-r})(b_{j-n-1+r} - b_{j - r}) \\ =& 2\sum_{r=0}^{(n+1)/2}(a_r-a_{r-1})(b_{j-r} - b_{j - n + r - 1})\\ =& 2\sum_{r=0}^{n/2}(a_r-a_{r-1})(b_{j-r} - b_{j - n + r - 1})\\ \end{aligned} =======2(cjcj1)(rarbjr+ranr+1bjn+r1)(rar1bjr+ranrbjn+r1)r(arar1)bjr+r(anr+1anr)bjn+r1r(arar1)(bjrbjn+r1)(since ar=anr)r=0n+1(arar1)(bjrbjn+r1)r=0(n+1)/2(arar1)(bjrbjn+r1)+r=0(n+1)/2(an+1ranr)(bjn1+rbjr)2r=0(n+1)/2(arar1)(bjrbjn+r1)2r=0n/2(arar1)(bjrbjn+r1)
于是,
c j − c j − 1 = ∑ 0 ≤ r ≤ n / 2 ( a r − a r − 1 ) ( b j − r − b j − n − 1 + r ) . (*) c_j - c_{j - 1} = \sum_{0\leq r\leq n/2}(a_r-a_{r-1})(b_{j-r}-b_{j-n-1+r}). \tag{*} cjcj1=0rn/2(arar1)(bjrbjn1+r).(*)
只需证明 c j − c j − 1 ≥ 0 c_j-c_{j-1}\geq0 cjcj10.

由前面的规定, ∀ 0 ≤ r ≤ n / 2 \forall 0\leq r\leq n/2 ∀0rn/2, 有 a r − a r − 1 ≥ 0 a_{r}-a_{r-1}\geq0 arar10;

  • 如果 j − r ≤ m / 2 j-r\leq m/2 jrm/2, 由 n + 1 ≥ 2 r n+1\geq 2r n+12r, 得到
    m / 2 ≥ j − r ≥ j − n − 1 + r , m/2\geq j-r\geq j-n-1+r, m/2jrjn1+r,
    b j − r − b j − n − 1 + r ≥ 0 b_{j-r}-b_{j-n-1+r}\geq0 bjrbjn1+r0.

  • 如果 j − r > m / 2 j-r> m/2 jr>m/2, 由 0 ≤ j ≤ ( m + n ) / 2 0\leq j\leq (m+n)/2 0j(m+n)/2, 得到 m + n + 1 ≥ 2 j m+n+1\geq2j m+n+12j, 所以
    m / 2 > m − j + r ≥ j − n − 1 + r , m/2> m-j+r\geq j-n-1+r, m/2>mj+rjn1+r,
    因此
    b j − r − b j − n − 1 + r = b m − j + r − b j − n − 1 + r ≥ 0 b_{j-r}-b_{j-n-1+r}=b_{m-j+r}-b_{j-n-1+r}\geq0 bjrbjn1+r=bmj+rbjn1+r0

于是,
∀ j ∈ [ 1 , ( m + n ) / 2 ] , c j − c j − 1 ≥ 0. \forall j\in[1, (m+n)/2], c_j-c_{j-1}\geq0. j[1,(m+n)/2],cjcj10.

总结

主要用到了单峰的定义: 达到峰点之前都是递增序列, 并且由于对称性, 可以进一步展开系数, 代入找到乘积多项式的系数表示即可.

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