Stirlingova čísla druhého druhu - Stirling numbers of the second kind

v matematika, zejména v kombinatorika, a Stirlingovo číslo druhého druhu (nebo Číslo Stirlingova oddílu) je počet způsobů, jak rozdělit sadu z n předměty do k neprázdné podmnožiny a je označen nebo .[1] Stirlingova čísla druhého druhu se vyskytují v poli matematika volala kombinatorika a studium oddíly.
Stirlingova čísla druhého druhu jsou jedním ze dvou druhů Stirlingova čísla druhý druh, kterému se říká Stirlingova čísla prvního druhu (nebo čísla Stirlingova cyklu). Vzájemně inverzní (konečné nebo nekonečné) trojúhelníkové matice mohou být vytvořeny ze Stirlingových čísel každého druhu podle parametrů n, k.
Definice
Stirlingova čísla druhého druhu, zapsaná nebo nebo pomocí jiných notací spočítejte počet způsobů, jak rozdělit A soubor z označené objekty do neprázdné neoznačené podmnožiny. Ekvivalentně počítají počet různých ekvivalenční vztahy přesně třídy ekvivalence, které lze definovat na sada prvků. Ve skutečnosti existuje bijekce mezi množinou oddílů a množinou relací ekvivalence na dané množině. Očividně,
- a pro
jako jediný způsob rozdělení oddílu n- prvek nastaven do n parts is to put each element of the set into its own part, and the only way to partition a nonempty set into one part is to put all of the elements in the same part. Lze je vypočítat pomocí následujícího explicitního vzorce:[2]
Stirlingova čísla druhého druhu lze také charakterizovat jako čísla, která vznikají, když člověk vyjádří mocninu neurčitého X z hlediska klesající faktoriály[3]
(Zejména, (X)0 = 1, protože je to prázdný produkt.) Zejména jeden má
Zápis
Pro Stirlingova čísla druhého druhu byly použity různé notace. Rovnátka byl použit Imanuel Marx a Antonio Salmeri v roce 1962 pro varianty těchto čísel.[4][5] To vedlo Knuth použít, jak je znázorněno zde, v prvním svazku Umění počítačového programování (1968).[6][7] Podle třetího vydání Umění počítačového programování, tuto notaci dříve používal také Jovan Karamata v roce 1935.[8][9] Zápis S(n, k) byl používán Richard Stanley ve své knize Enumerativní kombinatorika.[6]
Vztah k číslům Bell
Od Stirlingova čísla počítá nastavené oddíly souboru n- prvek nastaven do k části, součet
přes všechny hodnoty k je celkový počet oddílů sady s n členů. Toto číslo je známé jako nth Bell číslo.
Analogicky objednal Bell čísla lze vypočítat ze Stirlingových čísel druhého druhu pomocí
Tabulka hodnot
Níže je a trojúhelníkové pole hodnot pro Stirlingova čísla druhého druhu (sekvence A008277 v OEIS ):
k n | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 1 | ||||||||||
1 | 0 | 1 | |||||||||
2 | 0 | 1 | 1 | ||||||||
3 | 0 | 1 | 3 | 1 | |||||||
4 | 0 | 1 | 7 | 6 | 1 | ||||||
5 | 0 | 1 | 15 | 25 | 10 | 1 | |||||
6 | 0 | 1 | 31 | 90 | 65 | 15 | 1 | ||||
7 | 0 | 1 | 63 | 301 | 350 | 140 | 21 | 1 | |||
8 | 0 | 1 | 127 | 966 | 1701 | 1050 | 266 | 28 | 1 | ||
9 | 0 | 1 | 255 | 3025 | 7770 | 6951 | 2646 | 462 | 36 | 1 | |
10 | 0 | 1 | 511 | 9330 | 34105 | 42525 | 22827 | 5880 | 750 | 45 | 1 |
Stejně jako u binomické koeficienty, tuto tabulku lze rozšířit nak > n, ale všechny tyto položky by byly 0.
Vlastnosti
Vztah opakování
Stirlingova čísla druhého druhu se řídí relací opakování
pro k > 0 s počátečními podmínkami
pro n > 0.
Například číslo 25 ve sloupci k= 3 a řada n= 5 je dáno 25 = 7 + (3 × 6), kde 7 je číslo nahoře a nalevo od 25, 6 je číslo nad 25 a 3 je sloupec obsahující 6.
Chcete-li pochopit toto opakování, pozorujte, že oddíl předměty do k neprázdné podmnožiny buď obsahují -tý objekt jako singleton nebo ne. Počet způsobů, kterými je singleton jednou z podmnožin, je dán
protože zbývající musíme rozdělit n objekty do dostupných podmnožiny. V druhém případě -tý objekt patří do podmnožiny obsahující další objekty. Počet způsobů je dán vztahem
protože rozdělujeme všechny objekty kromě - do k podmnožiny a pak nám zbývá k možnosti pro vložení objektu . Součet těchto dvou hodnot poskytuje požadovaný výsledek.
Některé další opakování jsou následující:
Dolní a horní mez
Li a , pak
kde
a
Maximum
Pro pevné , má jediné maximum, kterého je dosaženo maximálně pro dvě po sobě jdoucí hodnoty k. To znamená, že existuje celé číslo takhle
Když je velký
a maximální hodnota Stirlingova čísla druhého druhu je
Parita

The parita Stirlingova čísla druhého druhu se rovná paritě příbuzného binomický koeficient:
- kde
Tento vztah je určen mapováním n a k souřadnice na Sierpińského trojúhelník.
Příměji nechť dvě sady obsahují pozice 1 v binárních reprezentacích výsledků příslušných výrazů:
Lze napodobit a bitové AND provoz protínáním těchto dvou sad:
získat paritu Stirlingova čísla druhého druhu v Ó(1) čas. v pseudo kód:
kde je Iverson držák.
Jednoduché identity
Některé jednoduché identity zahrnují
Je to proto, že dělení n prvky do n − 1 sady nutně znamenají rozdělení na jednu sadu velikosti 2 a n − 2 sady velikosti 1. Proto musíme vybrat pouze tyto dva prvky;
a
Nejprve si všimněte, že existují 2n objednal dvojice doplňkových podskupin A a B. V jednom případě A je prázdný a v jiném B je prázdný, takže 2n − 2 objednané páry podmnožin zůstávají. Konečně, protože chceme neuspořádaný spíše párů než objednal páry vydělíme toto poslední číslo 2 a výsledek dostaneme výše.
Další explicitní rozšíření relace rekurence dává identity v duchu výše uvedeného příkladu.
Tyto příklady lze shrnout podle opakování
Explicitní vzorec
Stirlingova čísla druhého druhu jsou dána explicitním vzorcem:
To lze odvodit pomocí zahrnutí-vyloučení k výpočtu počtu surjekcí z n na k a s využitím skutečnosti, že počet takových surjekcí je .
Navíc je tento vzorec zvláštním případem kth vpřed rozdíl z monomiální hodnoceno na X = 0:
Protože Bernoulliho polynomy lze psát z hlediska těchto dopředných rozdílů, získá se okamžitě vztah v Bernoulliho čísla:
Generování funkcí
Pro pevné celé číslo n, obyčejná generující funkce pro Stirlingova čísla druhého druhu darováno
kde jsou Dotykové polynomy.Je-li místo toho sečteno Stirlingovo číslo proti klesajícímu faktoriálu, můžeme ukázat mimo jiné následující identity:
a
Pro pevné celé číslo k, Stirlingova čísla druhého druhu mít racionální obyčejnou generující funkci
a mít exponenciální generující funkce dána
Funkce generování smíšených dvojrozměrů pro Stirlingova čísla druhého druhu je
Asymptotická aproximace
Pro pevnou hodnotu asymptotická hodnota Stirlingových čísel druhého druhu jako darováno
Na druhé straně, pokud (kde Ó označuje malý o zápis ) pak
Rovněž existuje jednotně platná aproximace: pro všechny k takhle 1 < k < n, jeden má
kde , a je hlavní pobočkou Funkce Lambert W..[13] Relativní chyba je ohraničena asi .
Aplikace
Okamžiky Poissonova rozdělení
Li X je náhodná proměnná s Poissonovo rozdělení s očekávaná hodnota λ, pak jeho nth okamžik je
Zejména nČtvrtým okamžikem Poissonova rozdělení s očekávanou hodnotou 1 je přesně počet oddíly sady velikosti n, tj. je to nth Bell číslo (tato skutečnost je Dobińského vzorec ).
Okamžiky pevných bodů náhodných permutací
Nechte náhodnou proměnnou X být počet pevných bodů a rovnoměrně rozloženo náhodná permutace konečné sady velikostí m. Pak nTřetí okamžik X je
Poznámka: Horní hranice součtu je m, ne n.
Jinými slovy nčtvrtý okamžik rozdělení pravděpodobnosti je počet oddílů sady velikosti n do ne více než m dílů. To dokazuje článek v statistika náhodné permutace, i když notace je trochu jiná.
Rýmovací schémata
Stirlingova čísla druhého druhu mohou představovat celkový počet rýmová schémata pro báseň n řádky. udává počet možných schémat rýmování pro n řádky pomocí k jedinečné rýmované slabiky. Jako příklad pro báseň o 3 řádcích existuje 1 rýmové schéma používající pouze jeden rým (aaa), 3 rýmová schémata používající dva rýmy (aab, aba, abb) a 1 rýmové schéma používající tři rýmy (abc).
Varianty
Přidružená Stirlingova čísla druhého druhu
An r- přidružené Stirlingovo číslo druhého druhu je počet způsobů, jak rozdělit sadu n předměty do k podmnožiny, přičemž každá podmnožina obsahuje alespoň r elementy.[14] Označuje to a řídí se relací opakování
2 přidružená čísla (sekvence A008299 v OEIS ) se objevují jinde jako „Wardova čísla“ a jako velikosti koeficientů Mahlerovy polynomy.
Snížená Stirlingova čísla druhého druhu
Označte n objekty k rozdělení na celá čísla 1, 2, ..., n. Definujte redukovaná Stirlingova čísla druhého druhu, označená , to je počet způsobů rozdělení celých čísel 1, 2, ..., n do k neprázdné podmnožiny, takže všechny prvky v každé podmnožině mají alespoň párovou vzdálenost d. To znamená pro všechna celá čísla i a j v dané podmnožině je to vyžadováno . Ukázalo se, že tato čísla uspokojují
(odtud název „snížený“).[15] Dodržujte (jak definicí, tak redukčním vzorcem) to , známá Stirlingova čísla druhého druhu.
Viz také
- Bell číslo - počet oddílů sady s n členů
- Stirlingova čísla prvního druhu
- Stirlingovy polynomy
- Dvanáctkrát
Číselné trojúhelníky spojené s oddíly
Reference
- ^ Ronald L. Graham, Donald E. Knuth, Oren Patashnik (1988) Konkrétní matematika „Addison – Wesley, Reading MA. ISBN 0-201-14236-8, str. 244.
- ^ "Stirlingovo číslo druhého druhu".
- ^ Matoucí je nota, pro kterou kombinatorialisté používají padající faktoriály se shodují s notací používanou v speciální funkce pro zvyšující se faktoriály; vidět Pochhammer symbol.
- ^ Transformace série variantou Stirlingových čísel, Imanuel Marx, Americký matematický měsíčník 69, # 6 (červen – červenec 1962), str. 530–532, JSTOR 2311194.
- ^ Antonio Salmeri, Introduzione alla teoria dei coefficienti fattoriali, Giornale di Matematiche di Battaglini 90 (1962), str. 44–54.
- ^ A b Knuth, D.E. (1992), „Dvě poznámky k notaci“, Amer. Matematika. Měsíční, 99 (5): 403–422, arXiv:matematika / 9205211, Bibcode:1992math ...... 5211K, doi:10.2307/2325085, JSTOR 2325085
- ^ Donald E. Knuth, Základní algoritmy, Reading, Mass .: Addison – Wesley, 1968.
- ^ str. 66, Donald E. Knuth, Základní algoritmy, 3. vyd., Reading, Mass.: Addison – Wesley, 1997.
- ^ Jovan Karamata, Théorèmes sur la sommabilité exponentielle et d'autres sommabilités s'y rattachant, Mathematica (Cluj) 9 (1935), str. 164–178.
- ^ Sprugnoli, Renzo (1994), „Riordanova pole a kombinatorické částky“ (PDF), Diskrétní matematika, 132 (1–3): 267–290, doi:10.1016 / 0012-365X (92) 00570-H, PAN 1297386
- ^ A b Rennie, B.C .; Dobson, A.J. (1969). „Na stirlingových číslech druhého druhu“. Journal of Combinatorial Theory. 7 (2): 116–121. doi:10.1016 / S0021-9800 (69) 80045-1. ISSN 0021-9800.
- ^ L. C. Hsu, Poznámka k asymptotickému rozšíření n. Rozdílu nuly, AMS sv. 19 č. 2 1948, s. 273--277
- ^ N. M. Temme, Asymptotic Estimates of Stirling Numbers, STUDIES IN APPLIED MATHEMATICS 89: 233-243 (1993), Elsevier Science Publishing.
- ^ L. Comtet, Pokročilá kombinatorika, Reidel, 1974, s. 222.
- ^ A. Mohr a T.D. Porter, Aplikace chromatických polynomů zahrnujících Stirlingova čísla, Journal of Combinatorial Mathematics and Combinatorial Computing 70 (2009), 57–64.
- Boyadzhiev, Khristo (2012). "Blízká setkání s Stirlingovými čísly druhého druhu". Matematický časopis. 85 (4): 252–266. arXiv:1806.09468. doi:10,4169 / math.mag.85.4.252..
- "Stirlingova čísla druhého druhu, S (n, k)". PlanetMath..
- Weisstein, Eric W. „Stirlingovo číslo druhého druhu“. MathWorld.
- Kalkulačka pro Stirlingova čísla druhého druhu
- Nastavit oddíly: Stirlingova čísla
- Jack van der Elsen (2005). Černobílé transformace. Maastricht. ISBN 90-423-0263-1.