Binomial koefficient

Binomialkoefficienten  är koefficienten framför termen i expansionen av Newtonbinomialen i potenser av . Koefficienten vid betecknas eller och läser "binomial koefficient från by " (eller "antal kombinationer från by "):

för naturliga krafter .

Binomialkoefficienter kan också definieras för godtyckliga reella exponenter . I fallet med ett godtyckligt reellt tal, definieras de binomiska koefficienterna som koefficienterna för expansionen av ett uttryck till en oändlig potensserie :

,

där, i fallet med icke-negativa heltal , alla koefficienter på försvinner och därför är denna expansion en ändlig summa.

I kombinatorik tolkas binomialkoefficienten för icke-negativa heltal och som antalet kombinationer av med , det vill säga som antalet alla (icke-strikta) delmängder ( sampel ) av storlek i en -elementuppsättning .

Binomialkoefficienter uppstår ofta i problem inom kombinatorik och sannolikhetsteori . En generalisering av binomialkoefficienter är multinomialkoefficienter .

Explicita formler

Genom att beräkna koefficienterna i potensserieexpansionen kan man få explicita formler för binomialkoefficienterna .

För alla reella tal och heltal :

,

där  betecknar factorial av .

För icke-negativa heltal och formlerna är också giltiga:

.

För negativa heltalsexponenter är de binomiska expansionskoefficienterna :

.

Pascals triangel

Identitet:

låter dig ordna binomialkoefficienterna för icke-negativa heltal , i form av Pascals triangel, där varje tal är lika med summan av två högre:

.

Den triangulära tabellen som Pascal föreslagit i hans Treatise on the Arithmetic Triangle (1654) skiljer sig från den som är skriven här genom en rotation av 45°. Tabeller för att visa binomialkoefficienter var kända tidigare ( Tartaglia , Omar Khayyam ).

Om i varje linje i Pascals triangel alla siffror divideras med (detta är summan av alla siffror på raden ), då kommer alla linjer, när de går till oändligheten, att ta formen av en normalfördelningsfunktion .

Egenskaper

Genererar funktioner

För ett fast värde är genereringsfunktionen för sekvensen av binomialkoefficienter :

.

För ett fast värde är den genererande funktionen för koefficientsekvensen :

.

Den tvådimensionella genererande funktionen för binomialkoefficienterna för heltal är:

, eller .

Delbarhet

Av Lukas-satsen följer att:

Grundläggande identiteter

Newtons binomial och konsekvenser

men mer generellt

.

Vandermonde konvolution och konsekvenser

Convolution of Vandermonde :

,

där en . Denna identitet erhålls genom att beräkna koefficienten vid i expansionen , med hänsyn till identiteten . Summan tas över alla heltal för vilka . För godtyckliga reella tal kommer antalet termer som inte är noll i summan att vara ändliga.

Vandermonde convolution följd:

.

Mer allmän identitet:

om .

En annan konsekvens av faltning är följande identitet: .

Andra identiteter

.

Det finns också jämlikheter:

Var kommer det ifrån:

,

var  är antalet placeringar från till .

Matrisrelationer

Om vi ​​tar en kvadratisk matris, räknar elementen längs benen i Pascals triangel och roterar matrisen med något av de fyra hörnen, då är determinanten för dessa fyra matriser ±1 för vilken som helst , och determinanten för matrisen med spetsen på triangeln i det övre vänstra hörnet är 1.

I matrisen upprepar siffrorna på diagonalen antalet rader i Pascals triangel ( ). Det kan sönderdelas till en produkt av två strikt diagonala matriser: den nedre triangulära och den som erhålls från den genom transponering:

,

var . Den inversa matrisen k har formen:

.

Således är det möjligt att sönderdela den inversa matrisen k till en produkt av två strikt diagonala matriser: den första matrisen är övre triangulär och den andra erhålls från den första genom att transponera, vilket gör att vi kan ge ett explicit uttryck för inversa element:

, där , , , .

Elementen i en invers matris ändras när dess storlek ändras och till skillnad från en matris räcker det inte att tilldela en ny rad och kolumn. Matrisens kolumn är ett gradpolynom i argumentet , därför bildar de första p-kolumnerna en komplett bas i utrymmet av vektorer med längd +1, vars koordinater kan interpoleras med ett polynom av lika eller mindre grad . Den nedre raden av matrisen är ortogonal mot någon sådan vektor.

för , där är ett polynom av grad .

Om en godtycklig längdvektor kan interpoleras med ett polynom av grad , då är punktprodukten med rader (numrerade från 0) i matrisen noll. Med hjälp av identiteten ovan och enheten av punktprodukten i den nedre raden av matrisen och den sista kolumnen i matrisen får vi:

.

För en exponent större kan du ställa in den rekursiva formeln:

,

var är polynomet

.

För att bevisa det, etablerar vi först en identitet:

.

Om du behöver hitta en formel för inte alla exponenter, då:

.

Den högsta koefficienten är 1, det kommer att krävas a-1 värden för att hitta de andra koefficienterna:

för .

Asymptotik och uppskattningar

Det följer direkt av Stirlings formel att för är sant .

Heltalspolynom

Binomialkoefficienterna , ... är heltalspolynom av , det vill säga de tar heltalsvärden för heltalsvärden på , - detta är lätt att förstå, till exempel från Pascals triangel. Dessutom utgör de en bas för heltalsvärde polynom, där alla heltalsvärdade polynom uttrycks som linjära kombinationer med heltalskoefficienter. [ett]

Samtidigt tillåter standardbasen , ... inte att uttrycka alla heltalspolynom om bara heltalskoefficienter används, eftersom den redan har bråkkoefficienter i potenserna .

Detta resultat generaliserar till polynom i många variabler. Nämligen, om ett polynom av grad har reella koefficienter och tar heltalsvärden för heltalsvärden för variablerna, då

,

där  är ett polynom med heltalskoefficienter. [2]

Beräkningsalgoritmer

Binomialkoefficienterna kan beräknas med den rekursiva formeln om värdena för lagras vid varje steg . Denna algoritm är särskilt effektiv om du behöver få alla värden för en fast . Algoritmen kräver minne ( vid beräkning av hela tabellen med binomialkoefficienter) och tid (förutsatt att varje tal upptar en minnesenhet och operationer med tal utförs per tidsenhet), där  — « » är stor .

Med ett fast värde kan binomialkoefficienterna beräknas med en rekursiv formel med ett initialt värde på . Denna metod kräver minne och tid för att beräkna värdet .

Om du vill beräkna koefficienterna för ett fast värde kan du använda formeln för initialvillkoret . Vid varje iterationssteg reduceras täljaren med (startvärdet är ), och nämnaren ökas på motsvarande sätt med (startvärdet är ). Denna metod kräver minne och tid för att beräkna värdet .

Anteckningar

  1. Prasolov V. V. Kapitel 12. Heltalsvärdade polynom // Polynom . — M .: MTsNMO , 1999, 2001, 2003.
  2. Yu Matiyasevich. Hilberts tionde problem. - Vetenskap, 1993.

Litteratur