Binomiális együttható

A binomiális együttható a Newton-binomiális hatványaiban szereplő tag  előtti együttható . Az at együtthatót vagy jelöli , és a következőt jelenti: „binomiális együttható a következőtől ” (vagy „ kombinációk száma a következőtől ”):

a természetes erőkért .

Binomiális együtthatók tetszőleges valós kitevőkre is definiálhatók . Tetszőleges valós szám esetén a binomiális együtthatók egy kifejezés végtelen hatványsorba való kiterjesztésének együtthatói :

,

ahol a nem negatív egész számok esetén az at összes együtthatója eltűnik, és ezért ez a bővítés véges összeg.

A kombinatorikában a nem negatív egész számok binomiális együtthatója és a by kombinációinak számaként értelmezhető , azaz az összes (nem szigorú) részhalmaz ( minta ) száma egy -elem halmazban .

A binomiális együtthatók gyakran felmerülnek a kombinatorika és a valószínűségszámítás problémáiban . A binomiális együtthatók általánosítása a multinomiális együtthatók .

Explicit képletek

A hatványsor-kiterjesztés együtthatóinak kiszámításával explicit képleteket kaphatunk a binomiális együtthatókra .

Minden valós számra és egész számra :

,

ahol a faktoriálist  jelöli .

A nem negatív egész számokra és a képletek is érvényesek:

.

Egész számú negatív kitevő esetén a binomiális kiterjesztési együtthatók a következők:

.

Pascal-háromszög

Identitás:

lehetővé teszi a nem negatív egész számok binomiális együtthatóinak rendezését Pascal - háromszög formájában, amelyben minden szám egyenlő két nagyobb összeg összegével:

.

A Pascal által az aritmetikai háromszögről szóló traktátusában (1654) javasolt háromszögtábla 45°-os elforgatással különbözik az itt leírtaktól. A binomiális együtthatók megjelenítésére szolgáló táblázatok korábban is ismertek voltak ( Tartaglia , Omar Khayyam ).

Ha a Pascal-háromszög minden sorában az összes számot elosztjuk -val (ez a sorban lévő összes szám összege ), akkor az összes egyenes, ahogy a végtelenbe megy, normál eloszlási függvény alakját veszi fel .

Tulajdonságok

Függvények generálása

Fix érték esetén a binomiális együtthatók sorozatának generáló függvénye :

.

Rögzített érték esetén az együttható sorozat generáló függvénye :

.

Az egész számok binomiális együtthatóinak kétdimenziós generáló függvénye :

, vagy .

Oszthatóság

A Lukács-tételből az következik, hogy:

Alapvető identitások

Newton-binomiális és következményei

hanem általánosabban

.

Vandermonde konvolúciója és következményei

Vandermonde konvolúciója :

,

ahol egy . Ezt az azonosságot úgy kapjuk meg, hogy kiszámítjuk az at együtthatót a bővítésben , figyelembe véve az azonosságot . Az összeget átveszi minden olyan egész szám , amelyre . Tetszőleges valós számok esetén az összegben szereplő nem nulla tagok száma véges.

A Vandermonde konvolúció következménye:

.

Általánosabb identitás:

ha .

A konvolúció másik következménye a következő azonosság: .

Egyéb identitások

.

Vannak egyenlőségek is:

Honnan származik:

,

hol  van az elhelyezések száma től ig .

Mátrix relációk

Ha veszünk egy négyzetes mátrixot, megszámolva a Pascal-háromszög szárai mentén lévő elemeket, és a mátrixot a négy sarok bármelyikével elforgatva, akkor ennek a négy mátrixnak a determinánsa bármelyik esetén ±1 , a mátrix determinánsa pedig a csúcsával a bal felső sarokban lévő háromszög 1.

A mátrixban az átlón lévő számok megismétlik a Pascal-háromszög ( ) sorainak számát. Két szigorúan átlós mátrix szorzatára bontható: az alsó háromszögű és az abból transzponálással kapott mátrix szorzatára:

,

ahol . A k inverz mátrix alakja:

.

Így lehetséges a k inverz mátrix két szigorúan átlós mátrix szorzatára bontani: az első mátrix felső háromszög alakú, a második pedig az elsőből transzponálással kerül elő, ami lehetővé teszi, hogy kifejezett kifejezést adjunk a inverz elemek:

, ahol , , , .

Egy inverz mátrix elemei a méretének változásával változnak, és a mátrixtól eltérően nem elég új sort és oszlopot hozzárendelni. A mátrix oszlopa egy fokszámú polinom az argumentumban , ezért az első p oszlopok teljes bázist alkotnak a +1 hosszúságú vektorok terében, amelyek koordinátái azonos vagy kisebb fokú polinomokkal interpolálhatók . A mátrix alsó sora ortogonális bármely ilyen vektorra.

mert , ahol egy fokú polinom .

Ha egy tetszőleges hosszúságú vektor interpolálható fokú polinommal , akkor a mátrix soraival (0-tól számozott) pontszorzat nulla. A fenti azonosságot és a mátrix alsó sorának és a mátrix utolsó oszlopának pontszorzatának egységét felhasználva a következőt kapjuk:

.

Nagyobb kitevő esetén beállíthatja a rekurzív képletet:

,

hol van a polinom

.

Ennek bizonyításához először azonosítunk egy személyazonosságot:

.

Ha nem minden kitevőre szeretne képletet találni, akkor:

.

A legmagasabb együttható 1, a többi együttható megtalálásához a-1 értékekre lesz szükség:

számára .

Aszimptotika és becslések

Stirling képletéből egyenesen következik , hogy for igaz .

Egész polinomok

A , ... binomiális együtthatók egész polinomjai , azaz egész értékeket vesznek fel a , egész értékére - ez könnyen megérthető például a Pascal-háromszögből. Ezenkívül egész értékű polinomok alapját képezik, amelyekben minden egész értékű polinom lineáris kombinációként van kifejezve egész együtthatókkal. [egy]

Ugyanakkor a standard bázis , … nem teszi lehetővé az összes egész polinom kifejezését, ha csak egész együtthatókat használunk, mivel már rendelkezik tört együtthatókkal a hatványokon .

Ez az eredmény sok változóban általánosít polinomokra. Nevezetesen, ha egy fokszámú polinom valós együtthatókkal rendelkezik, és a változók egész értékére egész értékeket vesz fel, akkor

,

ahol  egy egész együtthatós polinom. [2]

Számítási algoritmusok

A binomiális együtthatók kiszámíthatók a rekurzív képlettel , ha az értékeket minden lépésben tároljuk . Ez az algoritmus különösen akkor hatékony, ha meg kell szereznie egy rögzített érték összes értékét . Az algoritmus memóriát igényel ( a teljes binomiális együtthatók táblázatának kiszámításakor) és időt (feltételezve, hogy minden szám egy memóriaegységet foglal el, és a számokkal végzett műveletek időegységenként kerülnek végrehajtásra), ahol  — « » nagy .

Fix érték esetén a binomiális együtthatók egy rekurzív képlettel számíthatók ki , amelynek kezdeti értéke . Ez a módszer memóriát és időt igényel az érték kiszámításához .

Ha egy fix értékhez szeretné kiszámítani az együtthatókat , használhatja a kezdeti feltétel képletét . Minden iterációs lépésben a számlálót csökkentjük (kezdeti értékkel ), a nevezőt pedig ennek megfelelően növeljük (kezdeti értékkel ). Ez a módszer memóriát és időt igényel az érték kiszámításához .

Jegyzetek

  1. Prasolov V. V. 12. fejezet Egész értékű polinomok // Polinomok . — M. : MTsNMO , 1999, 2001, 2003.
  2. Yu. Matiyasevics. Hilbert tizedik problémája. - Tudomány, 1993.

Irodalom