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Recurrencias lineales: la ecuación característica y la fórmula de Binet

Una recurrencia lineal de coeficientes constantes de orden kk expresa cada término como combinación lineal fija de los kk anteriores: a(n+k)=ck−1 a(n+k−1)+⋯+c0 a(n).a(n+k)=c_{k-1}\,a(n+k-1)+\dots+c_{0}\,a(n). Con kk valores iniciales la sucesión queda determinada. El ejemplo más conocido es la sucesión de Fibonacci, F(n+2)=F(n+1)+F(n)F(n+2)=F(n+1)+F(n) con F(0)=0F(0)=0 y F(1)=1F(1)=1, que da 0,1,1,2,3,5,8,13,…0,1,1,2,3,5,8,13,\dots Calcular término a término es sencillo, pero una fórmula cerrada da F(n)F(n) directamente y muestra cómo crece la sucesión. Este artículo explica cómo obtenerla.

La ecuación característica. Se prueba una solución de la forma a(n)=rna(n)=r^{n}, con r≠0r\neq0. Desplazar el índice multiplica rnr^{n} por rr, así que la recurrencia de Fibonacci se convierte en rn+2=rn+1+rnr^{n+2}=r^{n+1}+r^{n} y, al dividir entre rnr^{n}, en la ecuación característica r2=r+1.r^{2}=r+1. Sus raíces son φ=1+52\varphi=\tfrac{1+\sqrt5}{2}, el número áureo, y ψ=1−52\psi=\tfrac{1-\sqrt5}{2}. Es la misma idea que en las ecuaciones diferenciales lineales, donde se prueba erxe^{rx} porque derivar la multiplica por rr.

Superposición. Como la recurrencia es lineal, cualquier combinación lineal de soluciones es también solución. Con kk raíces distintas se obtienen kk soluciones independientes y la solución general es su combinación; para Fibonacci, a(n)=C0 ψn+C1 φn.a(n)=C_{0}\,\psi^{n}+C_{1}\,\varphi^{n}. Si una raíz rr es doble, aporta rnr^{n} y n rnn\,r^{n}: en a(n+2)−2a(n+1)+a(n)=0a(n+2)-2a(n+1)+a(n)=0 la raíz doble r=1r=1 da a(n)=C0+C1 na(n)=C_{0}+C_{1}\,n. Un par de raíces complejas ρ e±iθ\rho\,e^{\pm i\theta} aporta ρn(C0cos⁡nθ+C1sen⁡nθ)\rho^{n}\left(C_{0}\cos n\theta+C_{1}\operatorname{sen}n\theta\right), que es real.

Las condiciones iniciales. Los valores iniciales fijan las constantes mediante un sistema lineal. Para Fibonacci, F(0)=0F(0)=0 da C0+C1=0C_{0}+C_{1}=0 y F(1)=1F(1)=1 da C0 ψ+C1 φ=1C_{0}\,\psi+C_{1}\,\varphi=1; como φ−ψ=5\varphi-\psi=\sqrt5, resulta C1=15C_{1}=\tfrac{1}{\sqrt5} y C0=−15C_{0}=-\tfrac{1}{\sqrt5}. Es la fórmula de Binet: F(n)=φn−ψn5.F(n)=\frac{\varphi^{n}-\psi^{n}}{\sqrt5}. (La calculadora escribe 55\tfrac{\sqrt5}{5} en lugar de 15\tfrac{1}{\sqrt5}: es el mismo número, racionalizado.)

Lo que dice la fórmula. Una expresión con raíces irracionales da siempre números enteros. Como ∣ψ∣<1|\psi|<1, el término ψn/5\psi^{n}/\sqrt5 tiende a 00 y, en valor absoluto, es menor que 12\tfrac12: F(n)F(n) es el entero más próximo a φn/5\varphi^{n}/\sqrt5, la sucesión crece geométricamente con razón φ≈1,618\varphi\approx1{,}618 y el cociente F(n+1)/F(n)F(n+1)/F(n) tiende al número áureo.

Otras vías. La misma fórmula se obtiene con la función generatriz A(z)=∑n≥0anznA(z)=\sum_{n\ge0}a_{n}z^{n}: la recurrencia se convierte en la ecuación algebraica A(z)=z1−z−z2A(z)=\tfrac{z}{1-z-z^{2}}, y su descomposición en fracciones simples da los coeficientes. También con la potencia de una matriz, porque (F(n+1)F(n))=(1110)n(10)\begin{pmatrix}F(n+1)\\F(n)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&1\\1&0\end{pmatrix}^{n}\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix} y esa potencia se calcula diagonalizando. Cuando la recurrencia tiene término independiente, la solución es la general de la homogénea más una particular, como en las ecuaciones diferenciales lineales.

Con la calculadora. La calculadora de recurrencias plantea la ecuación característica, construye la solución raíz a raíz, fija las constantes con los valores iniciales y ofrece la vía de la función generatriz. Pueden probarse a(n+2)=a(n+1)+a(n), a(0)=0, a(1)=1, a(n+2)-2*a(n+1)+a(n)=0 o a(n+1)=2*a(n)+1, a(0)=0.

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