二元分拆函数同余性质的证明求助
我现在在研究二元分拆函数的同余性质,遇到了一些卡壳的地方,想请大家帮忙梳理思路。
先明确相关定义:
对于每个正整数$n$,记$b(n)$为$n$的二元分拆数——也就是将$n$拆分为2的幂次之和的分拆方式数,要求幂次是递减的。比如$b(5)=4$,对应的分拆是:
$$
\begin{align*}
&22+20, \
&21+21+2^0, \
&21+20+20+20, \
&20+20+20+20.
\end{align*}
$$
为了方便计算,我们规定$b(0)=1$。
我需要证明以下两个同余式:
- 对任意正整数$k$和正整数$n$,有
$$b(2{2k+2}n)-b(2{2k}n) \equiv 0 \pmod{2^{3k+2}}$$ - 对任意正整数$k$和正整数$n$,有
$$b(2{2k+1}n)-b(2{2k-1}n) \equiv 0 \pmod{2^{3k}}$$
我打算先证明第一个同余式,第二个应该可以类似推导。
已知$b(n)$满足以下几个关系式:
- $b(2n+1)=b(2n)$;
- $b(2n)=b(2n-2)+b(n)$;
- $b(2mn)=\sum_{j=0}{n} C_m(j)b(n-j)$,其中$C_{m+1}(j)=\sum_{i=0}^{2j}C_m(i)$,$C_1(j)=1$对所有$j \ge 0$成立,且$C_m(0)=1$对所有$m \ge 1$成立。
利用第三个关系式,我把第一个要证的同余式转化为:
$$\sum_{j=0}^{n} (C_{2k+2}(j)-C_{2k}(j))b(n-j) \equiv 0 \pmod {2^{3k+2}}. \tag{1}$$
我已经验证了基例:当$k=1$且$n=1$时,
$$
\begin{align*}
\sum_{j=0}^{1} (C_{4}(j)-C_{2}(j))b(1-j) &= (C_4(0)-C_2(0))b(1)+(C_4(1)-C_2(1))b(0) \
&= (1-1)\times1 + (35-3)\times1 \
&= 32 \equiv 0 \pmod {2^{3(1)+2}}.
\end{align*}
$$
这个基例是成立的。
接下来进入归纳步骤:我假设同余式(1)成立,现在想要证明:
- 对$k+1$的情况,即
$$\sum_{j=0}^{n} (C_{2k+4}(j)-C_{2k+2}(j))b(n-j) \equiv 0 \pmod {2^{3k+5}}. \tag{2}$$ - 对$n+1$的情况,即
$$\sum_{j=0}^{n+1} (C_{2k+2}(j)-C_{2k}(j))b(n+1-j) \equiv 0 \pmod {2^{3k+2}}. \tag{3}$$
但到这里我就卡住了,不知道该怎么继续推进。
想请教大家:有没有办法完成这个归纳步骤?或者有没有更简单易懂的、不用双重归纳的证明方法?非常感谢!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者user1089451

