Binomial koefficient

Den binomiale koefficient  er koefficienten foran udtrykket i udvidelsen af ​​Newton binomialet i potenser af . Koefficienten ved er angivet eller og læser "binomial koefficient fra ved " (eller "antal kombinationer fra ved "):

for naturlige kræfter .

Binomiale koefficienter kan også defineres for vilkårlige reelle eksponenter . I tilfælde af et vilkårligt reelt tal er de binomiale koefficienter defineret som koefficienterne for udvidelsen af ​​et udtryk til en uendelig potensrække :

,

hvor, i tilfælde af ikke-negative heltal , alle koefficienter for at forsvinde, og derfor er denne udvidelse en endelig sum.

I kombinatorik er den binomiale koefficient for ikke-negative heltal og fortolket som antallet af kombinationer af med , det vil sige som antallet af alle (ikke-strenge) delmængder ( stikprøver ) af størrelse i et -elementsæt .

Binomiale koefficienter opstår ofte i problemer i kombinatorik og sandsynlighedsteori . En generalisering af binomiale koefficienter er multinomiale koefficienter .

Eksplicitte formler

Ved at beregne koefficienterne i potensrækkeudvidelsen kan man få eksplicitte formler for de binomiale koefficienter .

For alle reelle tal og heltal :

,

hvor  angiver faktoren af ​​.

For ikke-negative heltal og formlerne er også gyldige:

.

For heltals negative eksponenter er de binomiale ekspansionskoefficienter :

.

Pascals trekant

Identitet:

giver dig mulighed for at arrangere de binomiale koefficienter for ikke-negative heltal , i form af Pascals trekant, hvor hvert tal er lig med summen af ​​to højere:

.

Den trekantede tabel foreslået af Pascal i hans Afhandling om den aritmetiske trekant (1654) adskiller sig fra den, der er skrevet her, ved en drejning på 45°. Tabeller til visning af binomiale koefficienter var kendt før ( Tartaglia , Omar Khayyam ).

Hvis i hver linje i Pascals trekant alle tallene er divideret med (dette er summen af ​​alle tallene på linjen ), så vil alle linjerne, når de går til det uendelige, have form af en normalfordelingsfunktion .

Egenskaber

Generering af funktioner

For en fast værdi er den genererende funktion af sekvensen af ​​binomiale koefficienter :

.

For en fast værdi er den genererende funktion af koefficientsekvensen :

.

Den todimensionelle genererende funktion af de binomiale koefficienter for heltal er:

, eller .

Delbarhed

Af Lukas-sætningen følger det:

Grundlæggende identiteter

Newtons binomiale og konsekvenser

men mere generelt

.

Vandermonde konvolution og konsekvenser

Konvolution af Vandermonde :

,

hvor en . Denne identitet opnås ved at beregne koefficienten ved i udvidelsen under hensyntagen til identiteten . Summen overtages alle heltal for hvilke . For vilkårlige reelle tal vil antallet af ikke-nul-led i summen være endeligt.

Vandermonde-konvolution følger:

.

Mere generel identitet:

hvis .

En anden konsekvens af foldning er følgende identitet: .

Andre identiteter

.

Der er også ligheder:

Hvor kommer det fra:

,

hvor  er antallet af placeringer fra til .

Matrix relationer

Hvis vi tager en kvadratisk matrix, tæller elementerne langs benene i Pascals trekant og roterer matricen med et hvilket som helst af de fire hjørner, så er determinanten af ​​disse fire matricer ±1 for enhver , og determinanten for matricen med toppunktet på trekanten i øverste venstre hjørne er 1.

I matricen gentager tallene på diagonalen antallet af rækker i Pascals trekant ( ). Det kan dekomponeres til et produkt af to strengt diagonale matricer: den nederste trekantede og den, der opnås fra den ved transponering:

,

hvor . Den inverse matrix k har formen:

.

Det er således muligt at dekomponere den inverse matrix k til et produkt af to strengt diagonale matricer: den første matrix er øvre trekantet, og den anden opnås fra den første ved at transponere, hvilket giver os mulighed for at give et eksplicit udtryk for omvendte elementer:

, hvor , , , .

Elementerne i en invers matrix ændres, når dens størrelse ændres, og i modsætning til en matrix er det ikke nok at tildele en ny række og kolonne. Matricens søjle er et gradspolynomium i argumentet , derfor danner de første p-kolonner et komplet grundlag i rummet af vektorer med længden +1, hvis koordinater kan interpoleres med et polynomium af samme eller mindre grad . Den nederste række af matricen er ortogonal til enhver sådan vektor.

for , hvor er et polynomium af grad .

Hvis en vilkårlig længdevektor kan interpoleres med et polynomium af grad , så er prikproduktet med rækker (nummereret fra 0) af matrixen nul. Ved at bruge identiteten ovenfor og enheden af ​​prikproduktet i den nederste række af matricen og den sidste kolonne i matrixen får vi:

.

For en eksponent større kan du indstille den rekursive formel:

,

hvor er polynomiet

.

For at bevise det, etablerer vi først en identitet:

.

Hvis du vil finde en formel, der ikke er for alle eksponenter, så:

.

Den højeste koefficient er 1, det vil tage a-1 værdier for at finde de andre koefficienter:

for .

Asymptotik og skøn

Det følger direkte af Stirlings formel , at for er sandt .

Heltalspolynomier

De binomiale koefficienter , ... er heltalspolynomier af , det vil sige, de tager heltalsværdier for heltalsværdier på , - dette er let at forstå, for eksempel fra Pascals trekant. Desuden danner de et grundlag for heltalsbedømte polynomier, hvor alle heltalsbetydende polynomier er udtrykt som lineære kombinationer med heltalskoefficienter. [en]

Samtidig tillader standardgrundlaget , ... ikke at udtrykke alle heltalspolynomier, hvis der kun bruges heltalskoefficienter, da det allerede har brøkkoefficienter ved potenser af .

Dette resultat generaliserer til polynomier i mange variabler. Nemlig, hvis et polynomium af grad har reelle koefficienter og tager heltalsværdier for variablernes heltal, så

,

hvor  er et polynomium med heltalskoefficienter. [2]

Beregningsalgoritmer

De binomiale koefficienter kan beregnes ved hjælp af den rekursive formel , hvis værdierne for er gemt på hvert trin . Denne algoritme er især effektiv, hvis du har brug for at få alle værdierne for en fast . Algoritmen kræver hukommelse ( når man beregner hele tabellen med binomiale koefficienter) og tid (forudsat at hvert tal optager en hukommelsesenhed, og operationer med tal udføres pr. tidsenhed), hvor  — « » er stor .

Med en fast værdi kan de binomiale koefficienter beregnes ved en rekursiv formel med en begyndelsesværdi på . Denne metode kræver hukommelse og tid til at beregne værdien .

Hvis du vil beregne koefficienterne for en fast værdi , kan du bruge formlen for startbetingelsen . Ved hvert iterationstrin reduceres tælleren med (startværdien er ), og nævneren øges tilsvarende med (startværdien er ). Denne metode kræver hukommelse og tid til at beregne værdien .

Noter

  1. Prasolov V. V. Kapitel 12. Heltalsværdige polynomier // Polynomier . — M .: MTsNMO , 1999, 2001, 2003.
  2. Yu. Matiyasevich. Hilberts tiende problem. - Videnskab, 1993.

Litteratur