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Polynomial solutions of P-recursive equations

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913: 536: 3046: 908:{\displaystyle {\begin{aligned}q_{i}&=\sum _{k=i}^{r}{\binom {k}{i}}p_{k},&b&=\max _{i=0,\dots ,r}(\deg(q_{i})-i),\\\alpha (n)&=\sum _{i=0,\dots ,r \atop \deg(q_{i})-i=b}{\text{lc}}(q_{i})n^{\underline {i}},&d_{\alpha }&=\max\{n\in \mathbb {N} \,:\,\alpha (n)=0\}\cup \{-\infty \}\end{aligned}}} 2870: 2865: 1793: 1421: 1880: 3041:{\displaystyle {\begin{aligned}{\begin{pmatrix}0&1&1\\2&0&2\\-2&0&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}y_{0}\\y_{1}\\y_{2}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0\\2\\0\end{pmatrix}}\end{aligned}}} 1147: 2448: 1571: 1028: 2875: 541: 1658: 1960: 239: 2650: 2655: 2181: 2032: 2589: 103: 3120: 390: 2067: 307: 2261: 459: 344: 500: 1662: 531: 2508: 3168: 2470: 2105: 1486: 1225: 1054: 951: 144: 3189:
Abramov, Sergei A. (1989). "Problems in computer algebra that are connected with a search for polynomial solutions of linear differential and difference equations".
422: 2291: 2210: 1267: 2317: 1445: 1245: 1203: 1167: 263: 1797: 1227:
is made and plugged into the recurrence equation. Then the different powers are compared and a system of linear equations for the coefficients of
2339: 3330: 3282: 1059: 116:
solutions of a linear recurrence equation with polynomial coefficients also use algorithms which compute polynomial solutions.
1493: 1031: 956: 3255:
Abramov, Sergei A.; Bronstein, Manuel; Petkovšek, Marko (1995). "On polynomial solutions of linear operator equations".
1578: 53:
In 1995 Abramov, Bronstein and Petkovšek showed that the polynomial case can be solved more efficiently by considering
1884: 153: 3306: 113: 2594: 47: 2110: 1964: 2513: 60: 3260: 3051: 349: 109: 2037: 268: 2860:{\displaystyle 2n=(n^{2}-2)\,y(n)+(-n^{2}+2n)\,y(n+1)=(y_{1}+y_{2})\,n^{2}+(2y_{0}+2y_{2})\,n-2y_{0}.} 1788:{\textstyle \alpha (n)=\sum _{i=0,\dots ,r \atop \deg(q_{i})-i=b}{\text{lc}}(q_{i})n^{\underline {i}}} 3359: 242: 18: 2215: 3265: 427: 312: 147: 54: 464: 3288: 3257:
Proceedings of the 1995 international symposium on Symbolic and algebraic computation - ISSAC '95
505: 27: 2475: 38:
solutions of those recurrence equations with polynomial coefficients. The algorithm computes a
3336: 3326: 3278: 3234: 3125: 2453: 2072: 1453: 1208: 1037: 918: 127: 3270: 3224: 1416:{\textstyle \sum _{k=0}^{r}p_{k}(n)\,y(n+k)=f(n),p_{k},f\in \mathbb {K} ,p_{0},p_{r}\neq 0} 57:
solution of the recurrence equation in a specific power basis (i.e. not the ordinary basis
35: 395: 2269: 46:
for a polynomial of this degree is used and the unknown coefficients are computed by a
2186: 3353: 3229: 3212: 3292: 1875:{\textstyle d_{\alpha }=\max\{n\in \mathbb {N} \,:\,\alpha (n)=0\}\cup \{-\infty \}} 2302: 1430: 1230: 1188: 1152: 248: 1251:. The algorithm returns the general polynomial solution of a recurrence equation. 3320: 3238: 3213:"Hypergeometric solutions of linear recurrences with polynomial coefficients" 3340: 31: 3274: 2652:. Plugging this ansatz into the original recurrence equation leads to 43: 2336:
Applying the formula for the degree bound on the recurrence equation
533:
denotes the leading coefficient of the polynomial. Moreover let
3319:
Petkovšek, Marko; Wilf, Herbert S.; Zeilberger, Doron (1996).
3307:
Solutions of difference equations with polynomial coefficients
2867:
This is equivalent to the following system of linear equations
1149:. This is called a degree bound for the polynomial solution 3191:
Moscow University Computational Mathematics and Cybernetics
1142:{\textstyle \deg(y)\leq \max\{\deg(f)-b,-b-1,d_{\alpha }\}} 2510:. Hence one can use an ansatz with a quadratic polynomial 1177:
The algorithm consists of two steps. In a first step the
2443:{\displaystyle (n^{2}-2)\,y(n)+(-n^{2}+2n)\,y(n+1)=2n,} 3128: 3054: 3006: 2949: 2883: 2597: 2516: 2478: 2456: 2305: 2272: 2218: 2189: 2113: 2075: 2040: 1967: 1887: 1800: 1665: 1581: 1566:{\textstyle q_{i}=\sum _{k=i}^{r}{\binom {k}{i}}p_{k}} 1496: 1456: 1433: 1270: 1233: 1211: 1191: 1155: 1062: 1040: 959: 921: 508: 467: 430: 398: 315: 271: 251: 156: 130: 63: 42:
for the solution in a first step. In a second step an
2873: 2658: 2342: 539: 352: 1023:{\textstyle n^{\underline {i}}=n(n-1)\cdots (n-i+1)} 3309:. Diploma Thesis, Johannes Kepler UniversitÀt Linz 3162: 3114: 3040: 2859: 2644: 2583: 2502: 2464: 2442: 2311: 2285: 2255: 2204: 2175: 2099: 2061: 2026: 1954: 1874: 1787: 1653:{\textstyle b=\max _{i=0,\dots ,r}(\deg(q_{i})-i)} 1652: 1565: 1480: 1439: 1415: 1239: 1219: 1197: 1161: 1141: 1048: 1022: 945: 907: 525: 494: 453: 416: 384: 338: 301: 257: 233: 138: 97: 1955:{\textstyle d=\max\{\deg(f)-b,-b-1,d_{\alpha }\}} 1447:if there are any solutions, otherwise false. 1169:. This bound was shown by Abramov and PetkovÅ¡ek. 598: 585: 234:{\textstyle \sum _{k=0}^{r}p_{k}(n)\,y(n+k)=f(n)} 3206: 3204: 1894: 1814: 1589: 1081: 843: 630: 3250: 3248: 3184: 3182: 2645:{\textstyle y_{0},y_{1},y_{2}\in \mathbb {Q} } 1205:of that degree with arbitrary coefficients in 1547: 1534: 8: 3122:. Therefore the only polynomial solution is 2176:{\textstyle \sum _{k=0}^{r}p_{k}(n)\,y(n+k)} 1949: 1897: 1869: 1860: 1854: 1817: 1136: 1084: 898: 889: 883: 846: 2027:{\textstyle y(n)=\sum _{j=0}^{d}y_{j}n^{j}} 3264: 3228: 3148: 3127: 3100: 3078: 3059: 3053: 3001: 2984: 2970: 2956: 2944: 2878: 2874: 2872: 2848: 2834: 2825: 2809: 2790: 2785: 2776: 2763: 2734: 2716: 2690: 2675: 2657: 2638: 2637: 2628: 2615: 2602: 2596: 2584:{\textstyle y(n)=y_{2}n^{2}+y_{1}n+y_{0}} 2575: 2559: 2546: 2536: 2515: 2477: 2458: 2457: 2455: 2409: 2391: 2365: 2350: 2341: 2304: 2277: 2271: 2223: 2217: 2188: 2154: 2139: 2129: 2118: 2112: 2074: 2055: 2054: 2045: 2039: 2018: 2008: 1998: 1987: 1966: 1943: 1886: 1835: 1831: 1827: 1826: 1805: 1799: 1774: 1761: 1749: 1724: 1685: 1664: 1632: 1592: 1580: 1557: 1546: 1533: 1531: 1525: 1514: 1501: 1495: 1455: 1432: 1401: 1388: 1368: 1367: 1352: 1311: 1296: 1286: 1275: 1269: 1247:is set up and solved. This is called the 1232: 1213: 1212: 1210: 1190: 1154: 1130: 1061: 1042: 1041: 1039: 964: 958: 920: 864: 860: 856: 855: 830: 810: 797: 785: 760: 721: 673: 633: 608: 597: 584: 582: 576: 565: 548: 540: 538: 509: 507: 466: 438: 437: 429: 397: 369: 368: 351: 323: 322: 314: 286: 285: 276: 270: 250: 197: 182: 172: 161: 155: 132: 131: 129: 89: 88: 81: 71: 62: 50:. This article describes this algorithm. 98:{\textstyle (x^{n})_{n\in \mathbb {N} }} 3178: 1056:the set of nonnegative integers. Then 3115:{\textstyle y_{0}=0,y_{1}=-1,y_{2}=1} 7: 2107:Compare coefficients of polynomials 385:{\displaystyle y(n)\in \mathbb {K} } 424:denotes the degree of a polynomial 2062:{\textstyle y_{j}\in \mathbb {K} } 1866: 1686: 1538: 895: 722: 589: 489: 302:{\textstyle p_{k}\in \mathbb {K} } 14: 1181:is computed. In a second step an 1427:The general polynomial solution 1249:method undetermined coefficients 346:and unknown polynomial sequence 26:. Sergei A. Abramov in 1989 and 3305:Weixlbaumer, Christian (2001). 3217:Journal of Symbolic Computation 2256:{\textstyle y_{j},j=0,\dots ,d} 108:Other algorithms which compute 3138: 3132: 2831: 2799: 2782: 2756: 2750: 2738: 2731: 2706: 2700: 2694: 2687: 2668: 2526: 2520: 2491: 2485: 2425: 2413: 2406: 2381: 2375: 2369: 2362: 2343: 2266:there are possible values for 2199: 2193: 2170: 2158: 2151: 2145: 1977: 1971: 1912: 1906: 1845: 1839: 1767: 1754: 1730: 1717: 1675: 1669: 1647: 1638: 1625: 1616: 1378: 1372: 1342: 1336: 1327: 1315: 1308: 1302: 1099: 1093: 1075: 1069: 1017: 999: 993: 981: 874: 868: 803: 790: 766: 753: 707: 701: 688: 679: 666: 657: 520: 514: 480: 474: 454:{\textstyle p\in \mathbb {K} } 448: 442: 411: 405: 379: 373: 362: 356: 339:{\textstyle f\in \mathbb {K} } 333: 327: 296: 290: 228: 222: 213: 201: 194: 188: 78: 64: 1: 502:for the zero polynomial) and 495:{\textstyle \deg(0)=-\infty } 309:, polynomial right-hand side 265:with polynomial coefficients 3230:10.1016/0747-7171(92)90038-6 150:of characteristic zero and 2212:to get possible values for 1264:Linear recurrence equation 526:{\textstyle {\text{lc}}(p)} 3376: 2503:{\textstyle \deg(y)\leq 2} 2034:with unknown coefficients 48:system of linear equations 3259:. ACM. pp. 290–296. 3211:PetkovÅ¡ek, Marko (1992). 3163:{\textstyle y(n)=n^{2}-n} 2465:{\textstyle \mathbb {Q} } 2100:{\textstyle j=0,\dots ,d} 1481:{\textstyle i=0,\dots ,r} 1220:{\textstyle \mathbb {K} } 1049:{\textstyle \mathbb {N} } 946:{\textstyle i=0,\dots ,r} 139:{\textstyle \mathbb {K} } 3164: 3116: 3042: 2861: 2646: 2585: 2504: 2466: 2444: 2313: 2287: 2257: 2206: 2177: 2134: 2101: 2063: 2028: 2003: 1956: 1876: 1789: 1654: 1567: 1530: 1482: 1441: 1417: 1291: 1241: 1221: 1199: 1163: 1143: 1050: 1024: 947: 909: 581: 527: 496: 455: 418: 386: 340: 303: 259: 235: 177: 140: 99: 3275:10.1145/220346.220384 3165: 3117: 3043: 2862: 2647: 2586: 2505: 2467: 2445: 2314: 2288: 2258: 2207: 2178: 2114: 2102: 2064: 2029: 1983: 1957: 1877: 1790: 1655: 1568: 1510: 1483: 1442: 1418: 1271: 1257:polynomial_solutions 1242: 1222: 1200: 1164: 1144: 1051: 1025: 948: 910: 561: 528: 497: 456: 419: 387: 341: 304: 260: 236: 157: 141: 100: 30:in 1992 described an 3126: 3052: 2871: 2656: 2595: 2514: 2476: 2454: 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Index

P-recursive equation
Marko Petkovšek
algorithm
polynomial
ansatz
system of linear equations
power series
rational
hypergeometric
field
recurrence equation
falling factorial




"Hypergeometric solutions of linear recurrences with polynomial coefficients"
doi
10.1016/0747-7171(92)90038-6
ISSN
0747-7171


CiteSeerX
10.1.1.46.9373
doi
10.1145/220346.220384
ISBN
978-0897916998
S2CID

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