Faulhaber'in formülü - Faulhaber's formula

In matematik , Faulhaber formülü adını, Johann Faulhaber , toplamını ifade p'nin ilk oyunu bırakanların güçler n pozitif tamsayılar

n'nin ( p  + 1). dereceden polinom fonksiyonu olarak  , Jacob Bernoulli tarafından sunulan ve 1713'te yayınlanan biçimde, Bernoulli sayılarını içeren katsayılar B j :

burada a, düşen faktöriyel .

Tarih

Faulhaber'in formülüne Bernoulli'nin formülü de denir . Faulhaber, Bernoulli'nin keşfettiği katsayıların özelliklerini bilmiyordu. Bunun yerine, en azından ilk 17 durumu ve aşağıda açıklanan tek kuvvetler için Faulhaber polinomlarının varlığını biliyordu.

Bu formüllerin kesin bir kanıtı ve bu formüllerin tüm tek güçler için var olacağı iddiası Carl Jacobi'ye  ( 1834 ) kadar sürdü .

Faulhaber polinomları

Faulhaber polinomları terimi , bazı yazarlar tarafından yukarıda verilen polinom dizisinden başka bir şeye atıfta bulunmak için kullanılmaktadır. Faulhaber, eğer p tek ise , o zaman

bir polinom fonksiyonudur

Özellikle:

OEISA000537


OEISA000539


OEISA000541


OEISA007487


OEISA123095

Bu özdeşliklerden ilki ( p = 3 durumu) Nicomachus teoremi olarak bilinir .

Daha genel olarak,

Bazı yazarlar içinde polinomları diyoruz bir bu kimliklerin sağ tarafta polinomların Faulhaber . Bu polinom ile bölünebilir bir 2 için Bernoulli sayısı B j 0 olduğu j > 1 tek.

Faulhaber ayrıca, tek bir güç için bir miktar verilirse,

o zaman hemen aşağıdaki çift gücün toplamı şu şekilde verilir:

Parantez içindeki polinom ile ilgili olarak yukarıda polinom türevi olduğu Not a .

Bu yana bir  =  N ( n  + 1) / 2, burada bu formüller, toplam bir polinom olduğu bir tek güç için (1 'den büyük) gösterir , n sahip olan faktörler , n 2 ve ( n  + 1) 2 , ise daha güç polinomun n , n  + ½ ve n  + 1 çarpanları vardır .

Summae Potestatum

Jakob Bernoulli'nin Summae Potestatum'u , Ars Conjectandi , 1713

1713 yılında, Jacob Bernoulli başlıktaki görün Summae Potestatum toplamının bir ifade s yetkileri , n , bir (ilk tamsayı p + 1 ) inci derece polinom fonksiyonu arasında  n numaraları içeren katsayıları ile, B j , hemen adı Bernoulli sayılar :

İlk iki Bernoulli sayısını da (Bernoulli'nin yapmadığı) tanıtan önceki formül şöyle olur:

için ikinci türden Bernoulli numarasını kullanarak , veya

için birinci türden Bernoulli sayısı kullanılarak

Örneğin,

p = 4 için bir tane vardır ,

Faulhaber'in kendisi bu formdaki formülü bilmiyordu, sadece ilk on yedi polinomu hesapladı; genel form, Bernoulli sayılarının keşfi ile oluşturulmuştur (bkz. Tarih bölümü ). Faulhaber'in formülünün türetilmesi, John Horton Conway ve Richard K. Guy tarafından yazılan Sayılar Kitabı'nda mevcuttur .

Fikrini kullanarak: ayrıca ifade benzer (ama nedense daha basit) vardır teleskopik ve binom teoremini biri alır, Pascal 'ın kimliğini :

Bu özellikle aşağıdaki örnekleri verir – örneğin, ilk örneği almak için k = 1 alın. Benzer bir şekilde biz de buluyoruz

Örnekler

( üçgen sayılar )
( kare piramidal sayılar )
( üçgen sayıların karesi)

Örneklerden matris teoremine

Önceki örneklerden şunu elde ederiz:

Bu polinomların matrisler arasında çarpım şeklinde yazılması,

Şaşırtıcı bir şekilde, polinom katsayıları matrisini ters çevirmek daha tanıdık bir şey verir:

Ters matriste Pascal üçgeni , her satırın son elemanı olmadan ve alternatif işaretlerle tanınabilir. Daha doğrusu, Pascal üçgeninden her satırın son elemanı çıkarılarak ve sağdaki satırlar sıfırla doldurularak elde edilen matris olsun, yani alt üçgen Pascal matrisinden elde edilen matris , ana köşegeni sıfırlarla doldurup kaydırarak olsun. tüm unsurları tek bir yerde toplayın:

Izin elde edilen matris garip köşegenleri girişlerin işaretleri değiştirerek, yani değiştirilmesi gereğidir tarafından . Sonra

Bu her mertebe için geçerlidir, yani her pozitif tamsayı için m 'ye sahiptir Böylece, Bernoulli sayılarına başvurmadan, matrisi ters çevirerek ardışık tam sayıların kuvvetlerinin toplamlarının polinomlarının katsayılarını elde etmek mümkündür. Pascal üçgeninden kolayca elde edilir.

Bir de var

eksi işaretleri kaldırılarak nereden elde edilir .

Üstel üretme fonksiyonlu ispat

İzin Vermek

tamsayı için dikkate alınan toplamı belirtmek

Aşağıdaki üstel üretme fonksiyonunu (başlangıçta) belirsiz olarak tanımlayın

Bulduk

Bu tam bir fonksiyondur, böylece herhangi bir karmaşık sayı olarak alınabilir.

Daha sonra Bernoulli polinomları için üstel üreten fonksiyonu hatırlayacağız.

burada Bernoulli sayısını konvansiyonel olarak belirtir . Bu sözleşme ile oluşturma işlevini dönüştürülebilir eklenerek katsayısına her ( değiştirilmesine gerek yoktur):

Hemen takip eder ki

hepsi için .

alternatif ifadeler

  • Yeniden etiketleyerek alternatif ifadeyi buluruz
  • Bulmak için Bernoulli polinomları cinsinden de genişletebiliriz .
Hangi ima
Ne zaman tek olduğundan , faktör ne zaman kaldırılabilir .
Bunun nedeni, ikinci tür Stirling sayılarının düşen faktöriyeller cinsinden tek terimli olarak tanımlanması ve belirsiz toplam altında düşen faktöriyellerin davranışıdır .

Riemann zeta işleviyle ilişkisi

kullanarak , biri yazabilir

Üreten fonksiyonu için büyük limitte düşünürsek, buluruz:

Sezgisel olarak, bu şunu gösteriyor:

Bu sonuç , uygun analitik olarak devam eden negatif tamsayılar için Riemann zeta fonksiyonunun değeri ile uyumludur .

Umbral formu

Klasik umbral hesapta , bir B j dizisindeki j indislerini sanki üslermiş gibi ele alırız, böylece bu durumda binom teoremini uygulayabilir ve şunu söyleyebiliriz:


Olarak , modern umbral hesabı, bir dikkate doğrusal fonksiyonel T ilgili vektör alan bir değişken polinomların b verdiği

O zaman diyebilir


Notlar

Dış bağlantılar