切比雪夫多项式是与棣美弗定理有关,以递归方式定义的一系列正交多项式序列。 通常,第一类切比雪夫多项式以符号Tn表示, 第二类切比雪夫多项式用Un表示。切比雪夫多项式 Tn 或 Un 代表 n 阶多项式。

切比雪夫多项式在逼近理论中有重要的应用。这是因为第一类切比雪夫多项式的根(被称为切比雪夫节点)可以用于多项式插值。相应的插值多项式能最大限度地降低龙格现象,并且提供多项式在连续函数的最佳一致逼近。

基本性质:

对每个非负整数n, Tn(x) 和 Un(x) 都为 n次多项式。 并且当n为偶(奇)数时,它们是关于x 的偶(奇)函数, 在写成关于x的多项式时只有偶(奇)次项。

按切比雪夫多项式的展开式:

一个N 次多项式按切比雪夫多项式的展开式为如下,多项式按切比雪夫多项式的展开可以用 Clenshaw 递推公式计算。第一类切比雪夫多项式由以下递推关系确定。

也可以用母函数表示。

第二类切比雪夫多项式 由以下递推关系给出。

此时母函数为

Clenshaw递推公式

在数值分析中,Clenshaw递推公式 (由Charles William Clenshaw发现)是一个求切比雪夫多项式的值的递归方法。

切比雪夫多项式

N 次切比雪夫多项式,是下面形式的多项式 p ( x )

其中 T n n 阶切比雪夫多项式

Clenshaw递推公式

Clenshaw递推公式可以用来计算切比雪夫多项式的值。给定

(注)上面的公式在 N=0,1的情况下无意义。此时我们可以用下面的公式:

(downward, omit if N=0)

其中 是第二类切比雪夫多项式

棣莫弗(de Moivre)原理

设两个复数(用三角形式表示)Z1=r1(cosθ1+isinθ1),Z2=r2(cosθ2+isinθ2),则:

Z1Z2=r1r2[cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)].

证:先讲一下复数的三角形式的概念。在复平面C上,用向量 Z (a,b)来表示Z=a+bi.于是,该向量可以分成两个在实轴,虚轴上的分向量.如果向量 Z 与实轴的夹角为θ,这两个分向量的模分别等于rcosθ,risinθ(r=√a^2+b^2).所以,复数Z可以表示为Z=r(cosθ+isinθ).这里θ称为复数Z的辐角.

因为Z1=r1(cosθ1+isinθ1),Z2=r2(cosθ2+isinθ2),所以

Z1Z2=r1r2(cosθ1+isinθ1)(cosθ2+isinθ2)

=r1r2(cosθ1cosθ2+icosθ1sinθ2+isinθ1cosθ2-sinθ1sinθ2)

=r1r2[(cosθ1cosθ2-sinθ1sinθ2)+i(cosθ1sinθ2+sinθ1cosθ2)]

=r1r2[cos(θ1+θ2)+isin(θ1+θ2)].

其实该定理可以推广为一般形式:

设n个复数Z1=r1(cosθ1+isinθ1),Z2=r2(cosθ2+isinθ2),……,Zn=rn(cosθn+isinθn),则:

Z1Z2……Zn=r1r2……rn[cos(θ1+θ2+……+θn)+isin(θ1+θ2+……+θn)].

证:用数学归纳法即可,归纳基础就是两个复数相乘的棣莫弗定理。

如果把棣莫弗定理和欧拉(Euler)公式“e^iθ=cosθ+isinθ”(参见《泰勒公式》,严格的证明需要复分析)放在一起看,则可以用来理解欧拉公式的意义。

利用棣莫弗定理有:

Z1Z2……Zn=r1r2……rn [cos(θ1+θ2+……+θn)+isin(θ1+θ2+……+θn)]

如果可以把所有的复数改写成指数的形式,即:Z1=r1e^iθ1,Z2=r2e^iθ2,……,Zn=rne^iθn,

Z1Z2……Zn=r1r2……rn e^i(θ1+θ2+……+θn)

这和指数的可加性一致.

在一般形式中如果令Z1=Z2=……=Zn=Z,则能导出复数开方的公式.有兴趣可自己推推看.

下面这题可作为切比雪夫多项式的模版:

**Trig Function **

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Problem Description

f(cos(x))=cos(n∗x) holds for all x.

Given two integersn and m , you need to calculate the coefficient of x^m​​ in f(x), modulo 998244353

Input

Multiple testcases (no more than 100).

Each test casecontains one line consisting of two integers n and m.

1≤n≤109,0≤m≤104

Output

Output the answerin a single line for each test case.

Sample Input

Sample Output

998244352

给出一个函数,代入n,m后求出xm的系数,并取模输出。

我们先尝试把cos(nx)化为cos(x)的形式,然后把cos(x)用x代换,就可以得到f(x)=...的形式,然后就能得到所求的系数了。

那么我们如何把cos(nx)化为cos(x)的形式呢。

其实可以尝试着暴力写出前几项的形式。如下图:

由写出的式子,我们可以发现以下几点:

  • 当m大于n时,答案显然为0。
  • 当n为奇数且m为偶数或n为偶数且m为奇数时答案显然为0。
  • 当n为奇数,且m为1时,答案的绝对值为n。
  • 当n为偶数,且m为0时,答案的绝对值为1。
  • 其余情况答案的绝对值均为【 n * (n-m+2) * (n-m+4) * ... * (n+m-4) * (n+m-2) 】/(m!)。(注意逆元的运用)
  • 上面出现绝对值的情况,3和4 当(n/2)%2 == 0 时符号为正,否则为负;5 当((n-m)/2)%2 == 0时,符号为正,否则符号为负。
  • 依照这个规律分类讨论一下即可。

    于是我们可以得到以下一般解析式

    注意"!!"不是阶乘的阶乘,而是不超过n且与n具有相同奇偶性的所有正整数连乘积。

    n分类讨论下,当n为偶数时m=2*k, n为奇数时m=2*k-1

    还有注意下"!!"的约分,可能下面的比上面的大

    于是我们就得到了以下代码:

     1 #include<bits/stdc++.h>
     2 using namespace std;
     3 typedef long long ll;
     4 const int maxn=1e5+5;
     5 const int mod=998244353;
     6 ll fac[maxn]={1};
     7 ll n,m;
     8 void init()
    10     for(int i=1;i<maxn;i++)
    11         fac[i]=fac[i-1]*i%mod;
    13 ll qmod(ll x,int q)
    15     ll res=1;
    16     while(q)
    17     {
    18         if(q%2)
    19             res=res*x%mod;
    20         x=x*x%mod;
    21         q/=2;
    22     }
    23     return res;
    25 int main(void)
    27     init();
    28     while(~scanf("%lld%lld",&n,&m))
    29     {
    30         if(m>n)
    31             puts("0");
    32         else if(n%2&&m%2==0)
    33             puts("0");
    34         else if(n%2==0&&m%2)
    35             puts("0");
    36         else
    37         {
    38             ll fz=n%mod;
    39             if(m>=1)
    40             {
    41                 for(int i=n-m+1;i<=n+m-1;i++)
    42                 {
    43                     if(i%2==(n+m-2)%2)
    44                     {
    45                         fz=fz*i%mod;
    46                     }
    47                 }
    48                 ll tmp=fz*qmod(fac[m],mod-2)%mod;
    49                 if((n-m)/2%2)
    50                     tmp=-tmp;
    51                 printf("%lld\n",(tmp+mod)%mod);
    52             }
    53             else
    54             {
    55                 ll t=1;
    56                 for(int i=n+m-1;i<=n-m;i++)
    57                 {
    58                     if(i%2==(n+m-2)%2)
    59                         t=t*i%mod;
    60                 }
    61                 ll tmp=fz*qmod(fac[m],mod-2)%mod*qmod(t, mod-2)%mod;
    62                 if((n-m)/2%2)
    63                     tmp=-tmp;
    64                 printf("%lld\n",(tmp+mod)%mod);
    65             }
    66         }
    67     }
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