【４】カタラン数の母関数

カタラン数の母関数を

　　Ｃ（ｘ）＝ｃ（０）＋ｃ（１）ｘ＋ｃ（２）ｘ^2＋・・・＋ｃ（ｎ）ｘ^n＋・・・

とおく．これを２乗すると

　　Ｃ（ｘ）^2＝ｃ（０）ｃ（０）＋（ｃ（０）ｃ（１）＋ｃ（１）ｃ（０））ｘ＋ （ｃ（０）ｃ（２）＋ｃ（１）ｃ（１）＋ｃ（２）ｃ（０））ｘ^2＋・・・

　ここで，

　　ｃ（０）ｃ（０）＝ｃ（１）

　　ｃ（０）ｃ（１）＋ｃ（１）ｃ（０）＝ｃ（２）

　　ｃ（０）ｃ（２）＋ｃ（１）ｃ（１）＋ｃ（２）ｃ（０）＝ｃ（３）

であるから，

　　Ｃ（ｘ）^2＝ｃ（１）＋ｃ（２）ｘ＋ ｃ（３）ｘ^2＋・・・

　次数を揃えるために，両辺にｘをかけて

　　ｘＣ（ｘ）^2＝ｃ（１）ｘ＋ｃ（２）ｘ^2＋ ｃ（３）ｘ^3＋・・・

　　ｘＣ（ｘ）^2＝Ｃ（ｘ）−ｃ（０）＝Ｃ（ｘ）−１

　Ｃ（ｘ）に関する２次方程式：Ｃ（ｘ）＝ｘ＋｛Ｃ（ｘ）｝^2

を解いて，Ｃ（０）＝１を満足させなければならないので，複号は負号をとると，母関数は

　　Ｃ（ｘ）＝｛１−（１−４ｘ）^1/2｝／２ｘ

ここでニュートンの二項展開

　　ｄ^n／ｄｘ^n（１−４ｘ）^1/2＝−２^n（２ｎ−３）！！（１−４ｘ）^(1/2-n)

により，一般項

　　ｃ（ｎ）＝2nＣn／（ｎ＋１）＝（２ｎ）！／（ｎ＋１）！ｎ！

が得られる．

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