Составим производящую функцию f(x) последовательности чисел Каталана — вот этих самых T. Давайте, я тоже буду писать ее прямо вот так, с плюсиками — T0 + T1x +... + Tn x в n-ной +... Наша цель — найти эту производящую функцию. Найти, опять же, как какое-то выражение, связанное, если хотите, с формальными степенными рядами — чисто формально выразить ее как функцию от x в каком-то конечном виде. Оказывается это можно. Это очень интересно. Вот. Но, глядя на то рекуррентное соотношение, которое мы составили, которое у нас тут в упражнении присутствует, не трудно сообразить, чего надо делать с нашей производящей функцией, дабы эта рекурсия в ней возникла. Помните, как возводят в квадраты степенные ряды, или как их перемножают, если угодно. Смотрите, что будет, если возвести наш формальный степенной ряд, выражающую эту производящую функцию, в квадрат. Понятно, что старший коэффициент, это просто T0 в квадрате. Дальше, коэффициент при x — это (T0T1 + T1T0). Глядите на нашу формулу и узнавайте ее прямо вот видите? (T0T1 + T1T0) — та самая симметрия, которая возникает в формуле. Хорошо, * x, правильно + … + Что у нас будет как коэффициент при x в n-ной? Ну понятно, будет (T0Tn +... + TnT0), то есть в точности та самая формула, которая выражает n-ное число, вернее (n + 1) число Фибона... ой, извините, не Фибоначчи, конечно, а Каталана. Вот. Здесь надо умножить на x в n-ной, ну и так далее... Такой получается формальный степенной ряд. Ну понятно, значит вот это в соответствии с нашей рекурсией — это T1, это T2, это T с индексом (n + 1). То есть мы получаем такой сдвинутый ряд. Видите, если раньше коэффициенты при x в n-ной были T с индексом n, то теперь коэффициенты при x в n-ной получаются буквально T с индексом (n + 1). Ну и как этого можно по-другому добиться, чтобы T с индексом (n + 1) было коэффициентом при x в n-ной степени? А! Ну очень просто! Давайте x * f в квадрате(x). Чего у нас получится? Получится T1x + T2 x в квадрате + ... + T(n + 1) x в (n + 1) +... Ну это уже практически в точности наша интересующая нас производящая функция. Единственное, чего здесь не хватает, это нулевого слагаемого. Если его добавить, то получится в точности она. То есть, иными словами, это есть f(x), из которого вычли T0. Но T0, я сказал, это единица, поэтому давайте эту единицу – T0 – как раз из f(x) и вычтем. И у нас получается квадратное уравнение на производящую функцию. Получается такая штука: x * f в квадрате(x) − f(x) + 1 = 0. Это надо рассматривать ровно как квадратное уравнение на производящую функцию. Естественно его можно решить. Правда у этого уравнения, как у любого квадратного уравнения, как мы понимаем, два корня. Ну давайте как в школе напишем — f1,2(x). Что это такое? Это 1 ± корень из 1 − 4x – 4x — вот коэффициенты – ну и пополам. Нет, почему пополам? На 2x, на 2x конечно. На 2x. Ну, давайте я по-другому это напишу. Это значит, что если мы x умножим на f1, 2(x), то у нас получится 1 ± корень из (1 − 4x) / 2. И вы, конечно, посмотрев на это, скажете — ну и как же выбрать? Что ж на самом деле? Понятно, что производящая функция — это вполне конкретно определенная функция. Наверное она все-таки чему-то одному из этих двух вариантов равна. Надо как-то выбрать из двух альтернатив. Ну выбрать очень просто. Понятно, что если мы возьмем f(x) в нуле, да? Если мы возьмем f(x) в нуле, то она там будет корректно определена — у нас получится единичка — и мы еще на 0 умножим. Ну понятно, слева получается 0. Ну и справа, стало быть, должен получаться 0, коль скоро мы туда подставляем x = 0. Ну когда получается 0? Когда здесь стоит значок «минус». Таким образом x * f(x) — я уже никаких индексов не рисую, потому что я нашел производящую функцию, равняется 1 вычесть корень из (1 − 4x), и все это поделить пополам. Ну, друзья мои, теперь надо научиться извлекать корни из формальных степенных рядов. То есть наше замечательное знание о том, как складывать, умножать, дифференцировать, интегрировать, если хотите, делить друг на друга формальные степенные ряды — это еще не все. Оказывается, из формальных степенных рядов можно еще и корни извлекать. И на самом деле, делается это весьма красиво. Я особо в подробности, конечно, вдаваться не собираюсь, но сейчас все будет понятно.