Soal dan Pembahasan – Relasi Rekurensi dengan Fungsi Pembangkit

Berikut ini penulis sajikan soal & pembahasan mengenai relasi rekurensi dengan melibatkan fungsi pembangkit. Anda diharuskan sudah menguasai teknik dekomposisi pecahan parsial karena pada postingan ini, langkah menguraikan bentuk pecahan yang akan didekomposisi akan dilewatkan (skip). Gunakan informasi berikut untuk menjawab soal-soal di bawah.
$\boxed{\begin{aligned} & \displaystyle \binom{k} {n} = \binom{k} {k-n} \\ & \sum_{n=1}^{\infty} nx^n = \dfrac{x} {(1-x)^2} \\ & \sum_{n=1}^{\infty} n^2x^n = \dfrac{x^2+x} {(1-x)^3} \end{aligned}}$

Today Quote

Orang tidak selalu membutuhkan nasihat. Terkadang yang mereka butuhkan hanyalah tangan untuk dipegang, telinga untuk mendengarkan, dan hati untuk memahami mereka.

Soal Nomor 1
Selesaikan relasi rekurensi berikut dengan menggunakan fungsi pembangkit,
$a_n – a_{n-1} = 7$
dengan $a_0 = 1$

Penyelesaian

Misalkan $a(x)$ adalah fungsi pembangkit biasa (FPB) untuk menyelesaikan relasi rekurensi ini, maka haruslah
$\displaystyle \sum_{n = 1}^{\infty} (a_n – a_{n-1})x^n = 7$
Tinjau sukunya satu per satu.
$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_nx^n = a(x) – a_0 = a(x) – 1$
$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_{n-1}x^n = x\sum_{n=1}^{\infty} a_{n-1}x^{n-1} = xa(x)$
Jadi, persamaan di atas dapat ditulis,
$\begin{aligned}& a(x) – 1 – xa(x) = 7 \\ & (1 – x)a(x) = 8 \\ & a(x) = \dfrac{8}{1-x} = \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} 8x^n \end{aligned}$
Jadi, solusi relasi rekurensinya adalah $\boxed{a_n = 8}$ (barisan konstan yang setiap suku-sukunya $8$).

[collapse]

Soal Nomor 2
Selesaikan relasi rekurensi
$a_n – 2a_{n-1} = 0$ dengan $a_0 = 3$

Penyelesaian

Relasi rekurensi tersebut merupakan relasi rekurensi homogen dengan koefisien konstan yang dapat diselesaikan dengan mudah. Tetapi, kita akan mencoba menggunakan metode fungsi pembangkit.
Misalkan $G(x)$ fungsi pembangkit biasa (FPB) untuk relasi ini, maka haruslah
$\begin{aligned} & \displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} (a_n – 2a_{n-1})x^n = 0 \\ & \sum_{n=1}^{\infty} a_nx^n – 2x \sum_{n=1}^{\infty} a_{n-1}x^{n-1} = 0 \\ & (G(x) – a_0) – 2xG(x) = 0 \\ & (1 -2x)G(x) = 3 \\ & G(x) = \dfrac{3}{1-2x} = \sum_{n=0}^{\infty} 3(2^n)x^n \end{aligned}$
Jadi, solusi relasi rekurensinya adalah $\boxed{a_n = 3(2^n)} $

[collapse]

Soal Nomor 3
Selesaikan $a_n – 3a_{n-1} = n^2, n \geq 1, a_0 = 1$

Penyelesaian

Misalkan
$\displaystyle G(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a_nx^n$
sehingga bentuk operator sumasi dari barisan rekursif tersebut dapat ditulis menjadi
$\begin{aligned} \displaystyle & \sum_{n=1}^{\infty} (a_n – 3a_{n-1})x^n = \sum_{n=1}^{\infty} n^2x^n \\ & (G(x) -1) – 3xG(x) = \dfrac{x^2+x} {(1-x)^3} \\ & (1-3x)G(x) = \dfrac{x^2+x} {(1-x) ^3} + 1 \\ & G(x) = \dfrac{x^2+x + (1-x)^3}{(1-x)^3(1-3x)} \\ & G(x) = \dfrac{-x^3+4x^2-2x+1}{(1-x)^3(1-3x)} \end{aligned}$
Dengan menerapkan teknik dekomposisi pecahan parsial (prosedurnya memang cukup panjang dalam kasus ini), diperoleh
$$\begin{aligned}G(x) & = \dfrac{-\dfrac{13}{8}} {1-x} + \dfrac{\dfrac{9}{4}} {(1-x)^2} + \dfrac{-\dfrac{5}{2}} {(1-x)^3} + \dfrac{\dfrac{23}{8}} {1-3x} \\ & = -\dfrac{13}{8} \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} x^n + \dfrac{9}{4} \sum_{n=0}^{\infty} \binom{n+1}{n} x^n \\ & – \dfrac{5}{2} \sum_{n=0}^{\infty} \binom{n+2}{n}x^n + \dfrac{23}{8} \sum_{n=0}^{\infty} (3x)^n \\ & = \sum_{n=0}^{\infty} \left(-\dfrac{13}{8} + \dfrac{9}{4} \binom{n+1}{1} – \dfrac{5}{2} \binom{n+2}{2} + \dfrac{23}{8} \cdot 3^n\right)x^n \end{aligned}$$
Jadi, didapat
$$\boxed{a_n = -\dfrac{13}{8} + \dfrac{9}{4} \binom{n+1}{1} – \dfrac{5}{2} \binom{n+2}{2} + \dfrac{23}{8} \cdot 3^n}$$

[collapse]

Soal Nomor 4
Selesaikan $a_n = a_{n-1} + n, a_0 = 1$.

Penyelesaian

Misalkan
$\displaystyle G(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a_nx^n$
sehingga bentuk operator sumasi dari barisan rekursif tersebut dapat ditulis menjadi
$\begin{aligned} \displaystyle & \sum_{n=1}^{\infty} a_nx^n = \sum_{n=1}^{\infty} (a_{n-1} + n)x^n \\ & G(x) -1 = xG(x) + \dfrac{x} {(1-x)^2} \\ & G(x)(1-x) = \dfrac{x} {(1-x)^2} + \dfrac{(1-x)^2}{(1-x)^2} \\ & G(x) = \dfrac{x+(1-x)^2}{(1-x)^2(1-x)} = \dfrac{1-x+x^2}{(1-x)^3} \end{aligned}$
Dengan menggunakan teknik dekomposisi pecahan parsial, diperoleh
$$\begin{aligned} G(x) & = \dfrac{1}{1-x} – \dfrac{1}{(1-x)^2} + \dfrac{1}{(1-x)^3} \\ & =\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} x^n – \sum_{n=0}^{\infty} \binom{n+1}{n} x^n + \sum_{n=0}^{\infty} \binom{n+2}{2}x^n \\ & = \sum_{n=0}^{\infty} \left(1-(n+1)+\binom{n+2}{2}\right)x^n \\ & = \sum_{n=0}^{\infty} \left(-n +\binom{n+2}{2}\right)x^n \end{aligned}$$
Jadi, barisan eksplisitnya adalah
$\boxed{a_n = -n +\binom{n+2}{2}} $

[collapse]

Soal Nomor 5 (Soal OSN Pertamina Tahun 2010)
Jika $a_n – 3a_{n-1} = 2-2n^2,a_0 = 3$, maka $a_{99} = \cdots$

Penyelesaian

Misalkan
$G(x) = \displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} a_nx^n$ dan perhatikan bahwa
$\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \dfrac{1}{1-x}$ ekuivalen dengan $\sum_{n=1}^{\infty} x^n =\dfrac{1}{1-x} – 1$, berarti dapat kita tuliskan bentuk barisan rekursif di atas menjadi
$\displaystyle \begin{aligned} & \sum_{n=1}^{\infty} (a_n – 3a_{n-1})x^n = \sum_{n=1}^{\infty} (2-2n^2)x^n \\ & [G(x) – 3] – 3xG(x) = \dfrac{2}{1-x} – 2 – \dfrac{2(x^2+x)} {(1-x)^3} \\ & G(x) = \dfrac{-x^3+3x^2-9x+3}{(1-x)^3(1-3x)} \end{aligned}$
Uraikan dengan dekomposisi pecahan parsial untuk mendapatkan
$\begin{aligned} \displaystyle G(x) & = \dfrac{2}{(1-x)^3} + \dfrac{1}{1-3x} \\ & = 2 \sum_{n=0}^{\infty} \binom{2+n} {n} x^n + \sum_{n=0}^{\infty} (3x)^n \\ & = \sum_{n=0}^{\infty} \left(2 \binom{2+n} {n} + 3^n\right)x^n \end{aligned}$
Jadi, rumus barisan eksplisitnya adalah
$\displaystyle a_n = 2 \binom{2+n} {n} + 3^n = 2 \binom{2+n} {2} + 3^n$
sehingga
$\boxed{a_{99} = 2 \binom{2+99}{99} + 3^{99} = 3^{99} + 99^2 + 299}$

[collapse]

CategoriesKombinatorikaTags, , , , ,

Leave a Reply

Silakan beri tanggapan dan saran, tidak perlu sungkan. Mohon juga diinformasikan melalui kolom komentar ini bila ada kesalahan pengetikan sekecil apapun (typo atau bahasa latex yang error) atau kesalahan konsep dan pembahasan soal. Terima kasih. Ganbatte!

Your email address will not be published. Required fields are marked *