Многочлены Стирлинга - Википедия - Stirling polynomials

Эта статья включает в себя список общих Рекомендации, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшать эта статья введение более точные цитаты. (Декабрь 2014 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В математика, то Полиномы Стирлинга семья многочлены которые обобщают важные последовательности чисел, появляющиеся в комбинаторика и анализ, которые тесно связаны с Числа Стирлинга, то Числа Бернулли, а обобщенный Полиномы Бернулли. Есть несколько вариантов Полином Стирлинга последовательность, рассматриваемая ниже, в первую очередь, включая Последовательность Шеффера форма последовательности, ${ Displaystyle S_ {k} (х)}$, определяемого характерным образом через специальную форму его экспоненциальной производящей функции, и Полиномы Стирлинга (свертки), ${ Displaystyle sigma _ {п} (х)}$, которые также удовлетворяют характеристике обычный производящей функции и которые используются при обобщении Числа Стирлинга (обоих видов) на произвольные сложный -значные входы. Мы считаем "сверточный полиномвторой в последнем подразделе статьи вариант этой последовательности и ее свойства. Остальные варианты полиномов Стирлинга изучаются в дополнительных ссылках на статьи, приведенные в ссылках.

Определение и примеры

Для неотрицательного целые числа k, полиномы Стирлинга, S_k(Икс), площадь Последовательность Шеффера за ${ displaystyle (g (t), { bar {f}} (t)): = left (e ^ {- t}, log left ({ frac {t} {1-e ^ {- t}}} right) right)}$ ^[1] определяемая экспоненциальной производящей функцией

${ displaystyle left ({t over {1-e ^ {- t}}} right) ^ {x + 1} = sum _ {k = 0} ^ { infty} S_ {k} (x ) {t ^ {k} over k!}.}$

Полиномы Стирлинга являются частным случаем Полиномы Норлунда (или же обобщенные полиномы Бернулли ) ^[2] каждый с экспоненциальной производящей функцией

${ displaystyle left ({t over {e ^ {t} -1}} right) ^ {a} e ^ {zt} = sum _ {k = 0} ^ { infty} B_ {k} ^ {(a)} (z) {t ^ {k} над k!},}$

заданный соотношением ${ Displaystyle S_ {к} (х) = В_ {к} ^ {(х + 1)} (х + 1)}$.

Первые 10 многочленов Стирлинга приведены в следующей таблице:

${ displaystyle { begin {array} {r | l} k & S_ {k} (x) hline 0 & 1 1 & { scriptstyle { frac {1} {2}}} (x + 1) 2 & { scriptstyle { frac {1} {12}}} (3x ^ {2} + 5x + 2) 3 & { scriptstyle { frac {1} {8}}} (x ^ {3} + 2x ^ {2} + x) 4 & { scriptstyle { frac {1} {240}}} (15x ^ {4} + 30x ^ {3} + 5x ^ {2} -18x-8) 5 & ​​{ scriptstyle { frac {1} {96}}} (3x ^ {5} + 5x ^ {4} -5x ^ {3} -13x ^ {2} -6x) 6 & { scriptstyle { гидроразрыв {1} {4032}}} (63x ^ {6} + 63x ^ {5} -315x ^ {4} -539x ^ {3} -84x ^ {2} + 236x + 96) 7 & { scriptstyle { frac {1} {1152}}} (9x ^ {7} -84x ^ {5} -98x ^ {4} + 91x ^ {3} + 194x ^ {2} + 80x) 8 & { scriptstyle { frac {1} {34560}}} (135x ^ {8} -180x ^ {7} -1890x ^ {6} -840x ^ {5} + 6055x ^ {4} + 8140x ^ {3} + 884x ^ {2} -3088x-1152) 9 & { scriptstyle { frac {1} {7680}}} (15x ^ {9} -45x ^ {8} -270x ^ {7} + 182x ^ {6} + 1687x ^ {5} + 1395x ^ {4} -1576x ^ {3} -2684x ^ {2} -1008x) end {array}}}$

Еще один вариант полиномов Стирлинга рассматривается в ^[3] (см. также подраздел о Полиномы свертки Стирлинга ниже). В частности, в статье И. Гесселя и Р. П. Стэнли определены модифицированные полиномиальные последовательности Стирлинга: ${ displaystyle f_ {k} (n): = S (n + k, n)}$ и ${ Displaystyle g_ {к} (п): = с (п, п-к)}$ куда ${ Displaystyle с (п, к): = (- 1) ^ {п-к} s (п, к)}$ являются беззнаковый Числа Стирлинга первого рода, с точки зрения двух Число Стирлинга треугольники для неотрицательных целых чисел ${ Displaystyle п geq 1, к geq 0}$. Для фиксированных ${ Displaystyle к geq 0}$, обе ${ displaystyle f_ {k} (n)}$ и ${ displaystyle g_ {k} (n)}$ являются полиномами входных ${ Displaystyle п в mathbb {Z} ^ {+}}$ каждая степень ${ displaystyle 2k}$ и с ведущим коэффициентом, определяемым двойной факториал срок ${ Displaystyle (1 cdot 3 cdot 5 cdots (2k-1)) / (2k)!}$.

Характеристики

Ниже ${ displaystyle B_ {k} (x)}$ обозначить Полиномы Бернулли и ${ displaystyle B_ {k} = B_ {k} (0)}$ то Числа Бернулли по соглашению ${ displaystyle B_ {1} = B_ {1} (0) = - { tfrac {1} {2}};}$ ${ displaystyle s_ {m, n}}$ обозначает Число Стирлинга первого рода; и ${ displaystyle S_ {m, n}}$ обозначает Числа Стирлинга второго рода.

• Особые значения:

${ Displaystyle { begin {align} S_ {k} (- m) & = { frac {(-1) ^ {k}} {k + m-1 choose k}} S_ {k + m-1 , m-1} && 0$

• Если ${ displaystyle m in mathbb {Z}}$ и ${ Displaystyle м geq п}$ тогда:^[4]

${ Displaystyle S_ {n} (m) = (- 1) ^ {n} B_ {n} ^ {(m + 1)} (0),}$

и:

${ displaystyle S_ {n} (m) = {(- 1) ^ {n} over {m choose n}} s_ {m + 1, m + 1-n}.}$

• Последовательность ${ Displaystyle S_ {k} (х-1)}$ имеет биномиальный тип, поскольку

${ displaystyle S_ {k} (x + y-1) = sum _ {i = 0} ^ {k} {k choose i} S_ {i} (x-1) S_ {ki} (y-1 ).}$

Более того, эта основная рекурсия выполняется:

${ Displaystyle S_ {k} (x) = (x-k) {S_ {k} (x-1) over x} + kS_ {k-1} (x + 1).}$

• Явные представления, включающие числа Стирлинга, могут быть выведены с помощью Формула интерполяции Лагранжа:

${ Displaystyle { begin {align} S_ {k} (x) & = sum _ {n = 0} ^ {k} (- 1) ^ {kn} S_ {k + n, n} {{x + n выбрать n} {x + k + 1 выбрать kn} over {k + n выбрать n}} [6pt] & = sum _ {n = 0} ^ {k} (- 1) ^ {n} s_ {k + n + 1, n + 1} {{xk choose n} {xkn-1 choose kn} over {k + n choose k}} [6pt] & = k! sum _ {j = 0} ^ {k} (- 1) ^ {kj} sum _ {m = j} ^ {k} {x + m choose m} {m choose j} L_ {k + m} ^ {(- kj)} (- j) [6pt] end {align}}}$

Здесь, ${ Displaystyle L_ {п} ^ {( альфа)}}$ находятся Полиномы Лагерра.

• Также имеют место следующие отношения:

${ Displaystyle {к + м выбрать k} S_ {k} (xm) = sum _ {i = 0} ^ {k} (- 1) ^ {ki} {k + m choose i} S_ {k -i + m, m} cdot S_ {i} (x),}$

${ displaystyle {km choose k} S_ {k} (x + m) = sum _ {i = 0} ^ {k} {km choose i} s_ {m, m-k + i} cdot S_ {i} (x).}$

• Из дифференцирования производящей функции легко следует, что

${ Displaystyle S_ {k} ^ { prime} (x) = - sum _ {j = 0} ^ {k-1} {k choose j} S_ {j} (x) { frac {B_ { kj}} {kj}}.}$

Полиномы свертки Стирлинга

Определение и примеры

Другой вариант полиномиальной последовательности Стирлинга соответствует частному случаю сверточные полиномы изучено по статье Кнута ^[5] и в Конкретная математика ссылка. Сначала определим эти полиномы через Числа Стирлинга первого рода в качестве

${ displaystyle sigma _ {n} (x) = left [{ begin {matrix} x xn end {matrix}} right] cdot { frac {1} {x (x-1) cdots (xn)}}.}$

Следовательно, эти многочлены удовлетворяют следующему рекуррентному соотношению, заданному формулой

${ displaystyle (x + 1) sigma _ {n} (x + 1) = (xn) sigma _ {n} (x) + x sigma _ {n-1} (x), n geq 1.}$

Эти Стирлинги "свертка"полиномы могут использоваться для определения чисел Стирлинга, ${ displaystyle scriptstyle { left [{ begin {matrix} x x-n end {matrix}} right]}}$ и ${ Displaystyle scriptstyle { left {{ begin {matrix} x x-n end {matrix}} right }}}$, для целых чисел ${ Displaystyle п geq 0}$ и произвольный комплексные ценности ${ displaystyle x}$В следующей таблице приведены несколько частных случаев этих многочленов Стирлинга для первых нескольких ${ Displaystyle п geq 0}$.

${ displaystyle { begin {array} {r | c} n & sigma _ {n} (x) hline 0 & { frac {1} {x}} 1 & { frac {1} {2 }} 2 & { frac {3x-1} {24}} 3 & { frac {x ^ {2} -x} {48}} 4 & { frac {15x ^ {3} -30x ^ {2} + 5x + 2} {5760}} end {массив}}}$

Производящие функции

Этот вариант полиномиальной последовательности Стирлинга имеет особенно красивую обычную производящие функции следующих форм:

${ displaystyle { begin {align} left ({ frac {ze ^ {z}} {e ^ {z} -1}} right) ^ {x} & = sum _ {n geq 0} x sigma _ {n} (x) z ^ {n} left ({ frac {1} {z}} ln { frac {1} {1-z}} right) ^ {x } & = sum _ {n geq 0} x sigma _ {n} (x + n) z ^ {n}. end {выравнивается}}}$

В более общем смысле, если ${ Displaystyle { mathcal {S}} _ {т} (г)}$ степенной ряд, удовлетворяющий ${ displaystyle ln left (1-z { mathcal {S}} _ {t} (z) ^ {t-1} right) = - z { mathcal {S}} _ {t} (z ) ^ {t}}$у нас есть это

${ displaystyle { mathcal {S}} _ {t} (z) ^ {x} = sum _ {n geq 0} x sigma _ {n} (x + tn) z ^ {n}.}$

У нас также есть идентификатор связанной серии ^[6]

${ displaystyle sum _ {n geq 0} (- 1) ^ {n-1} sigma _ {n} (n-1) z ^ {n} = { frac {z} { ln (1 + z)}} = 1 + { frac {z} {2}} - { frac {z ^ {2}} {12}} + cdots,}$

и производящие функции, связанные с полиномом Стирлинга (Шеффера), заданные формулой

${ displaystyle sum _ {n geq 0} (- 1) ^ {n + 1} m cdot sigma _ {n} (nm) z ^ {n} = left ({ frac {z} { ln (1 + z)}} right) ^ {m}}$

${ displaystyle sum _ {n geq 0} (- 1) ^ {n + 1} m cdot sigma _ {n} (m) z ^ {n} = left ({ frac {z} { 1-e ^ {- z}}} right) ^ {m}.}$

Свойства и отношения

Для целых чисел ${ Displaystyle 0 Leq К Leq N}$ и ${ displaystyle r, s in mathbb {C}}$, эти многочлены удовлетворяют двум формулам свертки Стирлинга, заданным формулой

${ Displaystyle (г + s) сигма _ {п} (г + s + tn) = рс сумма _ {к = 0} ^ {п} сигма _ {к} (г + тк) сигма _ { nk} (s + t (nk))}$

и

${ displaystyle n sigma _ {n} (r + s + tn) = s sum _ {k = 0} ^ {n} k sigma _ {k} (r + tk) sigma _ {nk} ( s + t (nk)).}$

Когда ${ displaystyle n, m in mathbb {N}}$, мы также имеем, что многочлены, ${ Displaystyle sigma _ {п} (м)}$, определяются через их отношения к Числа Стирлинга

${ Displaystyle { begin {align} left {{ begin {matrix} n m end {matrix}} right } & = (- 1) ^ {n-m + 1} { frac {n!} {(m-1)!}} sigma _ {nm} (- m) ({ text {when}} m <0) left [{ begin {matrix} n m end {matrix}} right] & = { frac {n!} {(m-1)!}} sigma _ {nm} (n) ({ text {when}} m> n) , end {align}}}$

и их отношения к Числа Бернулли данный

${ displaystyle { begin {align} sigma _ {n} (m) & = { frac {(-1) ^ {m + n-1}} {m! (nm)!}} sum _ { 0 leq k 0 sigma _ {n} (m) & = - { frac {B_ {n}} {n cdot n!}}, m = 0. end {align}}}$

Смотрите также

• Полиномы Бернулли
• Многочлены Бернулли второго рода
• Шеффер и Последовательности апелляций
• Многочлены разности
• Специальные полиномиальные производящие функции
• Коэффициенты Грегори

Рекомендации

• Erdeli, A .; Magnus, W .; Оберхеттингер, Ф. и Трикоми, Ф. Г. Высшие трансцендентные функции. Том III. Нью-Йорк.
• Грэм; Кнут и Паташник (1994). Конкретная математика: основа компьютерных наук.
• С. Роман (1984). Темное исчисление.

внешняя ссылка

• Вайсштейн, Эрик В. «Полином Стирлинга». MathWorld.
• Вайсштейн, Эрик В. "Полином Нёрлунда". MathWorld.
• В этой статье использован материал из полинома Стирлинга на PlanetMath, который находится под лицензией Лицензия Creative Commons Attribution / Share-Alike.