Problema

Supponiamo di utilizzare solo le cifre dell’insieme \(A= \{1,2,3,4,5\} \). Quanti numeri di \(n\) cifre dell’insieme \(A\)  possono essere formati, se le cifre adiacenti differiscono esattamente di 1? Indichiamo il numero cercato con \(a(n)\).

Suggerimento
Se \(n=1\) abbiamo gli interi \({1,2,3,4,5}\).
Se \(n=2\) abbiamo gli interi \({12,21,23,32,34,43,45,54}\).
All’aumentare del numero delle cifre il conteggio diventa complesso.
Indicare con \(a(n,i)\) il totale dei numeri che terminano con la cifra \(i\). Cercare una equazione di ricorrenza per \(a(n,1)\), e quindi calcolare \(a(n)\).

SOLUZIONE

Sono ovvie le seguenti equazioni di ricorrenza:

\[ \begin{split} a(n,1) &= a(n-1,2) \\ a(n,2) &= a(n-1,1) + a(n-1,3) \\ a(n,3) &= a(n-1,2) + a(n-1,4) \\ a(n,4) &= a(n-1,3) + a(n-1,5) \\ a(n,5) &= a(n-1,4) \end{split} \]

Ovviamente si ha \(a(n)=a(n,1) + a(n,2) + a(n,3) + a(n,4) + a(n,5)\).
Possiamo notare che per risolvere il problema basta riuscire a calcolare il valore \(a(n,1)\), per ogni n. Infatti gli altri valori sono:

\[ \begin{split} a(n,5) &= a(n,1) \\ a(n,3) &= a(n,1) + a(n,5) \\ a(n,2) &= a(n-1,1) + a(n-1,3) \\ a(n,4) &= a(n,2) \end{split} \]

Per calcolare il valore di \(a(n,1)\) osserviamo che valgono anche le seguenti relazioni:

\[ \begin{split} a(n,3) &= 2 \cdot a(n,1) \text{ per simmetria }\\ a(n,1) &= a(n-1,2) \\ a(n,1) &= a(n-2,1) + a(n-2,3)= 3 \cdot a(n-2,1) \end{split} \]

Per semplicità indichiamo con \(x_{n}=a(n,1)\). Possiamo quindi scrivere la seguente equazione di ricorrenza:

\[ x_{n} – 3 x_{n-2}=0 \]

Si tratta di una equazione alle differenze finite lineare del secondo ordine. Per i metodi di soluzione delle ricorrenze si può vedere ad esempio [1] (link Amazon).
Per risolverla dobbiamo trovare le soluzione dell’equazione caratteristica: \( \lambda ^{2} – 3 = 0\). Svolgendo i calcoli si trova:

\[ x_{n} = A \cdot (\sqrt{3})^{n} +B \cdot (-1)^{n} (\sqrt{3})^{n}= A \cdot 3^{\frac {n}{2}} +B \cdot (-1)^{n} 3^{\frac {n}{2}} \]

dove \(A,B\) sono due costanti da determinarsi con le condizioni iniziali

\[ x_{2}=a(2,1)=1 \quad e \quad x_{3}=a(3,1)=2 \]

Completando i calcoli un po’ laboriosi otteniamo si seguenti valori per le costanti:

\[ \begin{split} A = \frac {3^{\frac {3}{2}} + 6}{6 \cdot 3^{\frac {3}{2}}} \\ B = \frac {3^{\frac {1}{2}} -2}{2 \cdot 3^{\frac {3}{2}}} \end{split} \]

Conviene esprimere la soluzione finale distinguendo i casi \(n\) pari e \(n\) dispari. Sostituendo i valori trovati di \(A,B\) otteniamo le seguenti soluzioni:

\[ \begin{split} x_{n} &= 3^{k-1} \quad (n=2k) \\ x_{n} &= 2 \cdot 3^{k-1} \quad (n=2k+1, \quad n>1) \end{split} \]

Una volta calcolata l’espressione generale per \(x_{n}=a(n,1)\), possiamo calcolare \(a(n)\) con la formula

\[ a(n)=a(n,1) + a(n,2) + a(n,3) + a(n,4) + a(n,5) \]

e le relazioni descritte in precedenza.


Bibliografia

[1]M. Spiegel – Differenze finite ed equazioni alle differenze (Etas Libri)


0 commenti

Lascia un commento!