Jump to content

Число Стирлинга

В математике . числа Стирлинга возникают в различных аналитических и комбинаторных задачах Они названы в честь Джеймса Стирлинга , который представил их в чисто алгебраической форме в своей книге «Methodus Differentialis» (1730). [1] Они были заново открыты и им придан комбинаторный смысл Масанобу Сака в 1782 году. [2]

Это название носят два разных набора чисел: числа Стирлинга первого рода и числа Стирлинга второго рода . Кроме того, числа Лаха иногда называют числами Стирлинга третьего рода. Каждый вид подробно описан в соответствующей статье, которая служит описанием отношений между ними.

Общим свойством всех трех видов является то, что они описывают коэффициенты, относящиеся к трем различным последовательностям многочленов, которые часто возникают в комбинаторике. Более того, все три можно определить как количество разбиений n элементов на k непустые подмножества, где каждое подмножество наделено определенным порядком (без порядка, циклическим или линейным).

Обозначения

[ редактировать ]

Используются несколько различных обозначений чисел Стирлинга. Обыкновенные (знаковые) числа Стирлинга первого рода принято обозначать:

Беззнаковые числа Стирлинга первого рода , подсчитывающие количество перестановок элементов n с k непересекающимися циклами , обозначаются:

Числа Стирлинга второго рода , подсчитывающие количество способов разбить набор из n элементов на k непустые подмножества: [3]

Абрамовиц и Стегун используют заглавные буквы и черное письмо соответствен- но для первого и второго рода чисел Стирлинга. Обозначение скобок и фигурных скобок, по аналогии с биномиальными коэффициентами , было введено в 1935 году Йованом Караматой и развито позже Дональдом Кнутом . (Обозначение скобок противоречит общепринятому обозначению гауссовских коэффициентов . [4] ) Математическое обоснование этого типа обозначений, а также дополнительные формулы чисел Стирлинга можно найти на странице Числа Стирлинга и экспоненциальные производящие функции .

Еще одно нечастое обозначение: и .

Разложения падающих и возрастающих факториалов

[ редактировать ]

Числа Стирлинга выражают коэффициенты в разложениях падающих и возрастающих факториалов (также известных как символ Поххаммера) в виде многочленов.

То есть падающий факториал , определяемый как — многочлен от x степени n, разложение которого есть

с (со знаком) числами Стирлинга первого рода в качестве коэффициентов.

Обратите внимание, что по соглашению, потому что это пустой продукт . Обозначения для падающего факториала и для восходящего факториала также часто используются. [5] (Как ни странно, символ Поххаммера, который многие используют для обозначения падающих факториалов, используется в специальных функциях для возрастающих факториалов.)

Аналогично, восходящий факториал , определяемый как — многочлен от x степени n, разложение которого есть

с беззнаковыми числами Стирлинга первого рода в качестве коэффициентов.Одно из этих разложений можно вывести из другого, заметив, что

Числа Стирлинга второго рода выражают обратные соотношения:

и

По мере изменения базисных коэффициентов

[ редактировать ]

Рассматривая набор полиномов от (неопределённой) переменной x как векторное пространство,каждая из трех последовательностей

является основой .То есть каждый многочлен от x можно записать в виде суммы для некоторых уникальных коэффициентов (аналогично для двух других баз).Вышеупомянутые отношения затем выражают изменение базиса между ними, что суммировано в следующей коммутативной диаграмме :

Схема того, как разные числа Стирлинга дают коэффициенты замены одного базиса многочленов на другой
A diagram of how different Stirling numbers give coefficients for changing one basis of polynomials to another

Коэффициенты для двух нижних изменений описываются числами Лаха ниже.Поскольку коэффициенты в любом базисе уникальны, таким образом можно определить числа Стирлинга как коэффициенты, выражающие многочлены одного базиса через другой, то есть уникальные числа, связывающие с падающими и возрастающими факториалами, как указано выше.

Падающие факториалы определяют с точностью до масштабирования те же полиномы, что и биномиальные коэффициенты : . Изменения между стандартной базой и основа описываются аналогичными формулами:

.

Выражение многочлена на основе падающих факториалов полезно для вычисления сумм многочлена, вычисляемого по последовательным целым числам.Действительно, сумма падающих факториалов при фиксированном k может быть выражена как еще один падающий факториал (для )

Это можно доказать по индукции .

Например, сумма четвертых степеней целых чисел до n (на этот раз с включением n ):

Здесь числа Стирлинга можно вычислить из их определения как количества разбиений четырех элементов на k непустые немаркированные подмножества.

Напротив, сумма в стандартном базисе задается формулой Фаульхабера , которая в общем случае более сложна.

Как обратные матрицы

[ редактировать ]

Числа Стирлинга первого и второго рода можно считать обратными друг другу:

и

где это дельта Кронекера . Эти два отношения можно понимать как матричные обратные отношения. То есть пусть s нижняя треугольная матрица чисел Стирлинга первого рода, матричные элементы которой Обратной S этой матрицей является , нижняя треугольная матрица чисел Стирлинга второго рода, элементы которой Символично это написано

Хотя s и S бесконечны, поэтому вычисление записи продукта включает в себя бесконечную сумму, матричные умножения работают, поскольку эти матрицы имеют нижнюю треугольную форму, поэтому только конечное число членов в сумме не равно нулю.

числа Ла

[ редактировать ]

Числа Лаха иногда называют числами Стирлинга третьего рода. [6] По соглашению, и если или .

Эти числа являются коэффициентами, выражающими падающие факториалы через возрастающие факториалы и наоборот:

и

Как указано выше, это означает, что они выражают изменение базиса между базисами. и , завершая схему.В частности, одна формула является обратной другой, поэтому:

Аналогично, составляя замену базиса из к с изменением основы с к дает замену базиса непосредственно из к :

и аналогично для других композиций. С точки зрения матриц, если обозначает матрицу с элементами и обозначает матрицу с элементами , то одно является обратным другому: .Составление матрицы беззнаковых чисел Стирлинга первого рода с матрицей чисел Стирлинга второго рода дает числа Лаха: .

Перечислительно , может быть определен как количество разбиений n элементов на k непустые немаркированные подмножества, где каждое подмножество наделено отсутствием порядка, циклическим порядком или линейным порядком соответственно. В частности, отсюда следуют неравенства:

Соотношения инверсии и преобразование Стирлинга

[ редактировать ]

Для любой пары последовательностей и , связанные формулой числа Стирлинга конечной суммы, заданной формулой

для всех целых чисел , мы имеем соответствующую формулу обращения для данный

Нижние индексы могут быть любым целым числом между и .

последовательности, Эти отношения инверсии между двумя последовательностями преобразуются в функциональные уравнения между экспоненциальными производящими функциями заданными преобразованием Стирлинга (производящая функция) как

и

Для , дифференциальные операторы и связаны следующими формулами для всех целых чисел : [7]

Другая пара « инверсионных » соотношений, включающих числа Стирлинга, связана с прямыми разностями и обычными числами. производные функции, , который является аналитическим для всех по формулам [8]

Похожие объекты

[ редактировать ]
Таблица сходства
Числа Стирлинга первого рода Числа Стирлинга второго рода
, где - n-е число Белла
, где это растущие факториалы , где полиномы Тушара

Подробности смотрите в конкретных статьях.

Симметричные формулы

[ редактировать ]

Абрамовиц и Стегун приводят следующие симметричные формулы, связывающие числа Стирлинга первого и второго рода. [9]

и

Числа Стирлинга с отрицательными целыми значениями

[ редактировать ]

Числа Стирлинга можно расширить до отрицательных целых значений, но не все авторы делают это одинаково. [10] [11] [12] Независимо от выбранного подхода стоит отметить, что числа Стирлинга первого и второго рода связаны соотношениями:

когда n и k — целые неотрицательные числа. Итак, у нас есть следующая таблица для :

к
н
−1 −2 −3 −4 −5
−1 1 1 1 1 1
−2 0 1 3 7 15
−3 0 0 1 6 25
−4 0 0 0 1 10
−5 0 0 0 0 1

Дональд Кнут [12] определил более общие числа Стирлинга, распространив рекуррентное отношение на все целые числа. В этом подходе и равны нулю, если n отрицательно и k неотрицательно, или если n неотрицательно и k отрицательно, и поэтому мы имеем для любых целых чисел n и k ,

С другой стороны, для натуральных чисел n и k Дэвид Брэнсон [11] определенный и (но не или ). В этом подходе имеется следующее расширение рекуррентного соотношения чисел Стирлинга первого рода:

,

Например, Это приводит к следующей таблице значений для отрицательного целого n .

к
н
0 1 2 3 4
−1 1 1 1 1 1
−2
−3
−4
−5

В этом случае где является числом Белла , и поэтому отрицательные числа Белла можно определить как .

Например, это производит , в целом .

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Мансур и Шорк, 2015 , с. 5.
  2. ^ Мансур и Шорк, 2015 , с. 4.
  3. ^ Рональд Л. Грэм, Дональд Э. Кнут, Орен Паташник (1988) Конкретная математика , Аддисон-Уэсли, Ридинг, Массачусетс. ISBN   0-201-14236-8 , с. 244.
  4. ^ Дональд Кнут
  5. ^ Айгнер, Мартин (2007). «Раздел 1.2 — Подмножества и биномиальные коэффициенты». Курс счета . Спрингер. стр. 561 . ISBN  978-3-540-39032-9 .
  6. ^ Шандор, Йожеф; Крстичи, Борислав (2004). Справочник по теории чисел II . Академическое издательство Kluwer . п. 464. ИСБН  9781402025464 .
  7. ^ Упражнение 13 по конкретной математике из раздела 6. Обратите внимание, что из этой формулы сразу следует первое преобразование числа Стирлинга положительного порядка, данное в основной статье о преобразованиях производящих функций .
  8. ^ Олвер, Фрэнк; Лозье, Дэниел; Буасверт, Рональд; Кларк, Чарльз (2010). «Справочник NIST по математическим функциям» . Справочник NIST по математическим функциям . (раздел 26.8)
  9. ^ Гольдберг, К.; Ньюман, М; Хейнсворт, Э. (1972), «Числа Стирлинга первого рода, числа Стирлинга второго рода», в Абрамовице, Милтон; Стеган, Ирен А. (ред.), Справочник по математическим функциям с формулами, графиками и математическими таблицами, 10-е издание , Нью-Йорк: Дувр, стр. 824–825.
  10. ^ Леб, Дэниел Э. (1992) [получено 3 ноября 1989 г.]. «Обобщение чисел Стирлинга» . Дискретная математика . 103 (3): 259–269. дои : 10.1016/0012-365X(92)90318-A .
  11. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Брэнсон, Дэвид (август 1994 г.). «Расширение чисел Стирлинга» (PDF) . Ежеквартальный журнал Фибоначчи . Архивировано (PDF) из оригинала 27 августа 2011 г. Проверено 6 декабря 2017 г.
  12. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Д.Е. Кнут, 1992.
  • Розен, Кеннет Х., изд. (2018), Справочник по дискретной и комбинаторной математике , CRC Press, ISBN  978-1-5848-8780-5
  • Мансур, Туфик; Шорк, Матиас (2015), Коммутационные отношения, нормальный порядок и числа Стирлинга , CRC Press, ISBN  978-1-4665-7989-7

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 70f92ba4822ce00f60bc971b344ce736__1712632380
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/70/36/70f92ba4822ce00f60bc971b344ce736.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Stirling number - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)