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 :
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:
- .
Пример
[ редактировать ]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 ]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 ]- Полиномы Белла
- Каталонский номер
- Циклы и фиксированные точки
- Символ Поххаммера
- Полиномиальная последовательность
- Полиномы
- Перестановка Стирлинга
Цитаты
[ редактировать ]- ^ Мансур и Шорк, 2015 , с. 5.
- ^ Мансур и Шорк, 2015 , с. 4.
- ^ Рональд Л. Грэм, Дональд Э. Кнут, Орен Паташник (1988) Конкретная математика , Аддисон-Уэсли, Ридинг, Массачусетс. ISBN 0-201-14236-8 , с. 244.
- ^ Дональд Кнут
- ^ Айгнер, Мартин (2007). «Раздел 1.2 — Подмножества и биномиальные коэффициенты». Курс счета . Спрингер. стр. 561 . ISBN 978-3-540-39032-9 .
- ^ Шандор, Йожеф; Крстичи, Борислав (2004). Справочник по теории чисел II . Академическое издательство Kluwer . п. 464. ИСБН 9781402025464 .
- ^ 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 .
- ^ Олвер, Фрэнк; Лозье, Дэниел; Буасверт, Рональд; Кларк, Чарльз (2010). «Справочник NIST по математическим функциям» . Справочник NIST по математическим функциям . (раздел 26.8)
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ↑ 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.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Д.Е. Кнут, 1992.
Ссылки
[ редактировать ]- 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 ]- Адамчик, Виктор (1997). «О числах Стирлинга и суммах Эйлера» (PDF) . Журнал вычислительной и прикладной математики . 79 : 119–130. дои : 10.1016/s0377-0427(96)00167-7 . Архивировано (PDF) из оригинала 14 декабря 2004 г.
- Бенджамин, Артур Т.; Престон, Грегори О.; Куинн, Дженнифер Дж. (2002). «Встреча Стерлинга с гармоническими числами» (PDF) . Журнал «Математика» . 75 (2): 95–103. CiteSeerX 10.1.1.383.722 . дои : 10.2307/3219141 . JSTOR 3219141 . Архивировано (PDF) из оригинала 10 сентября 2020 г.
- Бояджиев, Христо Н. (2012). «Близкие встречи с числами Стирлинга второго рода» (PDF) . Журнал «Математика» . 85 (4): 252–266. arXiv : 1806.09468 . дои : 10.4169/math.mag.85.4.252 . S2CID 115176876 . Архивировано (PDF) из оригинала 5 сентября 2015 г.
- Конте, Луи (1970). «Значение s ( n , k ) » . Комбинаторный анализ, том второй (на французском языке): 51.
- Конте, Луи (1974). Продвинутая комбинаторика: искусство конечных и бесконечных расширений . Дордрехт-Голландия/Бостон-США: Издательская компания Reidel. ISBN 9789027703804 .
- Сянь-Куэй Хван (1995). «Асимптотические разложения чисел Стирлинга первого рода» . Журнал комбинаторной теории, серия А. 71 (2): 343–351. дои : 10.1016/0097-3165(95)90010-1 .
- Кнут, DE (1992), «Два примечания к обозначениям», Amer. Математика. Ежемесячно , 99 (5): 403–422, arXiv : math/9205211 , doi : 10.2307/2325085 , JSTOR 2325085 , S2CID 119584305
- Микса, Фрэнсис Л. (январь 1956 г.). «Числа Стирлинга первого рода: 27 листов воспроизведены из машинописной рукописи, хранящейся в файле UMT». Математические таблицы и другие средства вычислений: обзоры и описания таблиц и книг . 10 (53): 37–38. JSTOR 2002617 .
- Микса, Фрэнсис Л. (1972) [1964]. «Комбинаторный анализ, таблица 24.4, числа Стирлинга второго рода» . В Абрамовице, Милтон; Стегун, Ирен А. (ред.). Справочник по математическим функциям (с формулами, графиками и математическими таблицами) . 55. Министерство торговли США, Национальное бюро стандартов, Прикладная математика. п. 835.
- Митринович, Драгослав С. (1959). «О числах Стирлинга первого рода и полиномах Стирлинга» (PDF) . Публикации электротехнического факультета Белградского университета, серия «Математика и физика» (на французском языке) (23): 1–20. ISSN 0522-8441 . Архивировано (PDF) из оригинала 17 июня 2009 г.
- О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф. (сентябрь 1998 г.). «Джеймс Стирлинг (1692–1770)» .
- Сикденье, Ж.М.; Пенсон, Калифорния; Соломон, А.И. (2001). «Расширенные числа Белла и Стирлинга из гипергеометрического возведения в степень» (PDF) . Журнал целочисленных последовательностей . 4 : 01.1.4. arXiv : math/0106123 . Бибкод : 2001JIntS...4...14S .
- Спайви, Майкл З. (2007). «Комбинаторные суммы и конечные разности» . Дискретная математика . 307 (24): 3130–3146. CiteSeerX 10.1.1.134.8665 . дои : 10.1016/j.disc.2007.03.052 .
- Слоан, Нью-Джерси (ред.). «Последовательность A008275 (Числа Стирлинга первого рода)» . Электронная энциклопедия целочисленных последовательностей . Фонд ОЭИС.
- Слоан, Нью-Джерси (ред.). «Последовательность A008277 (Числа Стирлинга 2-го рода)» . Электронная энциклопедия целочисленных последовательностей . Фонд ОЭИС.