Стирлинг нөмірі - Stirling number - Wikipedia

Жылы математика, Стирлинг сандары пайда болады аналитикалық және комбинаторлық мәселелер. Олар осылай аталады Джеймс Стирлинг, оларды 18 ғасырда кім енгізді. Екі түрлі сандар жиынтығы осы атауды иемденеді: Стирлинг бірінші түрдегі нөмірлер және Стирлинг екінші түрдегі нөмірлер. Қосымша, Лах сандары кейде үшінші типтегі Стирлинг сандары деп аталады. Әр түрі өз мақаласында егжей-тегжейлі баяндалған, бұл олардың арасындағы қатынастардың сипаттамасы ретінде қызмет етеді.

Үш типтің де ортақ қасиеті - олар комбинаторикада жиі кездесетін үш түрлі көпмүшеліктер тізбегіне қатысты коэффициенттерді сипаттайды. Сонымен қатар, үшеуін де бөлімдер саны ретінде анықтауға болады n ішіндегі элементтер к бос жиындар, әр жиын ішіндегі тапсырыстарды есептеудің әртүрлі тәсілдері бар.

Ескерту

Стирлинг нөмірлеріне арналған бірнеше түрлі белгілер қолданылады. Жалпы белгілер:

қол қойылмаған үшін Стирлинг бірінші түрдегі нөмірлерсанын есептейтін ауыстыру туралы n элементтері к бөлу циклдар,

бірінші типтегі кәдімгі (қолтаңба) нөмірлер үшін және

үшін Стирлинг екінші түрдегі нөмірлер, олар жиынтығын бөлу тәсілдерінің санын есептейді n ішіндегі элементтер к бос емес ішкі жиындар.[1]

Мысалы, қосынды қосындысы болған кезде барлық ауыстырудың саны болып табылады nмың Қоңырау нөмірі.

Абрамовиц пен Стегун үлкен S және a әріптерін қолданыңыз қара қағаз S, сәйкесінше, Stirling нөмірінің бірінші және екінші түрлері үшін. Ұқсас жақшалар мен жақшалардың белгісі биномдық коэффициенттер, 1935 жылы енгізілген Джован Карамата және кейінірек жоғарылатылды Дональд Кнут. (Жақшаның жазбасы жалпыға ортақ белгіге қайшы келеді Гаусс коэффициенттері.[2]) Осы белгінің түріне арналған математикалық мотивтерді, сонымен қатар Стирлингтің қосымша формулаларын мына беттен табуға болады: Стирлинг сандары және экспоненциалды генерациялау функциялары.

Факторлардың құлауы мен көтерілуінің кеңеюі

Стирлинг сандары коэффициенттерді кеңейту кезінде өрнектейді құлау және көтерілу факторлары (Похаммер символы деп те аталады) көпмүшеліктер ретінде.

Яғни құлау факториалдыретінде анықталды , in көпмүшесі х дәрежесі n оның кеңеюі

коэффициент ретінде бірінші типтегі стирлинг нөмірлерімен (қол қойылған).

Ескертіп қой (х)0 = 1, өйткені ол бос өнім. Комбинаториалистер сонымен қатар кейде белгілерді қолданыңыз құлап жатқан факторлық үшін және өсіп келе жатқан факторлық үшін.[3] (Көпшілік пайдаланатын Похаммер белгісі құлау факториалдар қолданылады арнайы функциялар үшін көтерілу факториалдар.)

Сол сияқты өсіп келе жатқан факторлықретінде анықталды , in көпмүшесі х дәрежесі n оның кеңеюі

коэффициент ретінде бірінші типтегі қол қойылмаған Стирлинг сандарымен, бір кеңеюді екіншісінен алуға болады .

Екінші типтегі стирлингтер кері қатынастарды білдіреді:

және

Негіз коэффициенттерінің өзгеруі ретінде

Жиынтығын қарастыру көпмүшелер (анықталмаған) айнымалыда х векторлық кеңістік ретінде, үш тізбектің әрқайсысы

Бұл негіз.Демек, әрбір көпмүшелік х қосынды түрінде жазуға болады кейбір ерекше коэффициенттер үшін (басқа екі негізге ұқсас) .Сонда жоғарыдағы қатынастар негізді өзгерту олардың арасында, төменде көрсетілгендей коммутациялық диаграмма:

Стирлинг сандары көпмүшелік негіз ретінде өзгереді.svg

Төменгі екі өзгерістің коэффициенттері сипатталады Лах сандары Төменде. Кез-келген негіздегі коэффициенттер бірегей болғандықтан, Стирлинг сандарын бір негіздің көпмүшелерін басқасына қатысты коэффициенттер ретінде, яғни бір-біріне қатысты сандарды анықтауға болады. жоғарыдағыдай көтеріліп, көтеріліп жатқан факторлармен.

Фаллорлық факторлар масштабталғанға дейін бірдей көпмүшелерді анықтайды биномдық коэффициенттер: . Стандартты негіз арасындағы өзгерістер және негіз осылайша ұқсас формулалармен сипатталады:

және .

Кері матрицалар ретінде

Бірінші және екінші типтегі Стерлинг сандарын бір-біріне кері деп санауға болады:

және

қайда болып табылады Kronecker атырауы. Бұл екі қатынасты матрицалық кері қатынас деп түсінуге болады. Яғни, рұқсат етіңіз с болуы төменгі үшбұрышты матрица матрицалық элементтері бірінші типтегі Стирлинг нөмірлеріThe кері осы матрицаның S, төменгі үшбұрышты матрица жазбалары екінші типтегі Стирлинг нөмірлері Бұл символикалық түрде жазылған

Дегенмен с және S шексіз, сондықтан өнім жазбасын есептеу шексіз қосындыдан тұрады, матрицаны көбейту жұмыс істейді, өйткені бұл матрицалар төменгі үшбұрышты, сондықтан қосындыдағы мүшелердің тек ақырғы саны нөлге тең емес.

Мысал

Көпмүшені түсетін факториалдар негізінде өрнектеу, қатардағы бүтін сандармен бағаланатын көпмүшенің қосындыларын есептеу үшін пайдалы, шындығында, түсетін факториалдың қосындысы басқа түсіп жатқан факториал ретінде көрсетіледі (үшін k ≠ -1)

Бұл интегралға ұқсас дегенмен, қосынды бүтін сандардан артық болуы керек мен қатаң аз n.

Мысалы, бүтін сандардың төртінші дәрежелерінің қосындысы n (бұл жолы n кіреді), бұл:

Мұнда Стирлинг сандарын олардың анықтамасынан бастап 4 элементтің бөлімдер саны ретінде есептеуге болады к бос емес таңбаланбаған ішкі жиындар.

Керісінше, қосынды стандартты негізде берілген Фолхабердің формуласы, бұл жалпы алғанда күрделі.

Лах сандары

Лах сандары кейде үшінші типтегі Стирлинг сандары деп аталады.[4]Шарт бойынша, және егер немесе .

Бұл сандар жоғарылайтын факторлықтар тұрғысынан түсетін факторларды білдіретін коэффициенттер және керісінше:

және

Жоғарыда айтылғандай, бұл олар негіздер арасындағы негіздің өзгеруін білдіреді және , атап айтқанда, бір формула екіншісіне кері болып табылады, осылайша:

Сол сияқты, мысалы негізін өзгертуді құрастыру дейін бастап негізінің өзгеруімен дейін негізінің өзгеруін тікелей бастап береді дейін :

Матрицалар бойынша, егер матрицаны жазбалармен белгілейді және матрицаны жазбалармен белгілейді , содан кейін біреуі екіншісіне кері болады: .Сондай-ақ, бірінші типтегі белгісіз Стирлинг сандарының матрицасын екінші типтегі Стирлинг сандарының матрицасымен құра отырып, Лах сандары шығады: .

Сандар бөлімдерінің саны ретінде анықтауға болады n ішіндегі элементтер к бос емес, әрқайсысы ретке келтірілмеген, жазылмаған ішкі жиындар, цикл бойынша тапсырыс берілген, немесе сәйкесінше сызықтық тәртіпті. Атап айтқанда, бұл келесі теңсіздіктерді білдіреді:

Симметриялық формулалар

Абрамовиц пен Стегун бірінші және екінші түрдегі Стерлинг сандарына қатысты келесі симметриялық формулаларды келтіреді.[5]

және

Теріс интегралдық мәндері бар стирлингтер

Стирлинг сандарын теріс интегралды мәндерге дейін кеңейтуге болады, бірақ барлық авторлар мұны бірдей жасай бермейді.[6][7][8] Қолданылған тәсілге қарамастан, бірінші және екінші типтегі Стерлинг сандары өзара байланысты болатынын атап өткен жөн:

қашан n және к теріс емес бүтін сандар болып табылады. Сонымен, келесі кесте бар :

к
n
−1−2−3−4−5
−111111
−2013715
−3001625
−4000110
−500001

Дональд Кнут[8] а кеңейту арқылы жалпы Стирлинг сандарын анықтады қайталану қатынасы барлық сандарға. Бұл тәсілде және нөлге тең, егер n теріс және к теріс емес, немесе егер n теріс емес және к теріс, сондықтан бізде де бар кез келген бүтін сандар n және к,

.

Екінші жағынан, оң сандар үшін n және к, Дэвид Брэнсон[7] анықталған , , , және (бірақ жоқ немесе ). Бұл тәсілде келесі кеңейтілім болады қайталану қатынасы бірінші типтегі Стерлинг нөмірлерінің:

,

Мысалға, . Бұл келесі мәндер кестесіне әкеледі .

к
n
01234
−111111
−2
−3
−4
−5

Бұл жағдайда қайда Бұл Қоңырау нөмірі, сондықтан теріс қоңырау сандарын анықтауға болады . Мысалы, бұл өндіреді .

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Роналд Л. Грэм, Дональд Э. Кнут, Орен Паташник (1988) Бетонды математика, Аддисон-Уэсли, Рединг, магистр. ISBN  0-201-14236-8, б. 244.
  2. ^ Дональд Кнут
  3. ^ Айгер, Мартин (2007). «1.2 бөлім - Ішкі жиындар және биномдық коэффициенттер». Санақ курсы. Спрингер. бет.561. ISBN  978-3-540-39032-9.
  4. ^ Шандор, Йозеф; Crstici, Borislav (2004). Сандар теориясының анықтамалығы II. Kluwer Academic Publishers. б. 464. ISBN  9781402025464.
  5. ^ Голдберг, К .; Ньюман, М; Хайнсворт, Э. (1972), «Бірінші түрдегі Стирлинг нөмірлері, Екінші түрдегі Стирлинг нөмірлері», Абрамовицте, Милтон; Стегун, Айрин А. (ред.), Математикалық функциялардың формулалары, графиктері және математикалық кестелері бар анықтамалығы, 10-баспа, Нью-Йорк: Довер, 824–825 бб
  6. ^ Loeb, Daniel E. (1992) [3 қараша 1989 ж. Алынған]. «Стирлинг сандарының қорытылуы». Дискретті математика. 103 (3): 259–269. дои:10.1016 / 0012-365X (92) 90318-A.
  7. ^ а б Брэнсон, Дэвид (1994 ж. Тамыз). «Стирлинг нөмірлерін кеңейту» (PDF). Фибоначчи тоқсан сайын. Алынған 6 желтоқсан, 2017.
  8. ^ а б Д.Е. Кнут, 1992 ж.

Әрі қарай оқу