كثيرات حدود بيل
في الرياضيات التوافقية ، تُستخدم كثيرات حدود بيل ، التي سُميت تكريمًا لإريك تمبل بيل ، في دراسة تقسيمات المجموعات. وهي مرتبطة بأعداد ستيرلينغ وبيل . كما أنها تظهر في العديد من التطبيقات، مثل صيغة فا دي برونو وصيغة صريحة لعكس لاغرانج .
التعريفات
كثيرات حدود بيل الأسية
كثيرات حدود بيل الأسية الجزئية أو غير الكاملة هي مصفوفة مثلثية من كثيرات الحدود معطاة بواسطة
حيث يتم حساب المجموع على جميع المتتاليات j 1 ، j 2 ، j 3 ، ... ، j n − k +1 من الأعداد الصحيحة غير السالبة بحيث يتم استيفاء هذين الشرطين:
المجموع
يُطلق عليه اسم متعددة الحدود الأسية الكاملة من الرتبة n من نوع بيل .
كثيرات حدود بيل العادية
وبالمثل، تُعرَّف متعددة الحدود الجزئية العادية لبيل بواسطة
حيث يمتد المجموع على جميع المتتاليات j 1 ، j 2 ، j 3 ، ... ، j n − k +1 من الأعداد الصحيحة غير السالبة بحيث
بفضل الشرط الأول المتعلق بالمؤشرات، يمكننا إعادة كتابة الصيغة على النحو التالي:
حيث استخدمنا معامل متعدد الحدود .
يمكن التعبير عن كثيرات حدود بيل العادية بدلالة كثيرات حدود بيل الأسية:
بشكل عام، تشير متعددة حدود بيل إلى متعددة حدود بيل الأسية، ما لم يُنص صراحة على خلاف ذلك.
المعنى التوافقي
تُشفّر دالة بيل الأسية المعلومات المتعلقة بطرق تقسيم مجموعة ما. على سبيل المثال، إذا نظرنا إلى مجموعة {A, B, C}، فيمكن تقسيمها إلى مجموعتين فرعيتين غير فارغتين وغير متداخلتين، واللتين تُعرفان أيضًا بالأجزاء أو الكتل، بثلاث طرق مختلفة:
- {{أ}، {ب، ج}}
- {{ب}، {أ، ج}}
- {{C}, {B, A}}
وبالتالي، يمكننا ترميز المعلومات المتعلقة بهذه الأقسام على النحو التالي:
هنا، تشير الرموز السفلية لـ B 3,2 إلى أننا بصدد تقسيم مجموعة من 3 عناصر إلى كتلتين. يشير الرمز السفلي لكل x i إلى وجود كتلة تحتوي على i عنصرًا (أو كتلة بحجم i ) في التقسيم المُعطى. لذا، يشير x 2 إلى وجود كتلة تحتوي على عنصرين. وبالمثل، يشير x 1 إلى وجود كتلة تحتوي على عنصر واحد. يشير أس x i j إلى وجود j كتلة من هذا النوع بحجم i في التقسيم الواحد. هنا، حقيقة أن كلًا من x 1 و x 2 لهما أس 1 تشير إلى وجود كتلة واحدة فقط من هذا النوع في التقسيم المُعطى. يشير معامل الحد الأحادي إلى عدد هذه التقسيمات. هنا، توجد 3 تقسيمات لمجموعة من 3 عناصر إلى كتلتين، حيث تُقسّم العناصر في كل تقسيم إلى كتلتين بحجم 1 و 2.
بما أن أي مجموعة يمكن تقسيمها إلى كتلة واحدة بطريقة واحدة فقط، فإن التفسير أعلاه يعني أن B <sub>n ,1</sub> = x<sub> n</sub> . وبالمثل، بما أنه لا توجد إلا طريقة واحدة لتقسيم مجموعة تحتوي على n عنصرًا إلى n عنصرًا منفردًا، فإن B<sub> n , n</sub> = x <sub>1, n</sub> .
كمثال أكثر تعقيدًا، انظر
هذا يخبرنا أنه إذا تم تقسيم مجموعة مكونة من 6 عناصر إلى كتلتين، فيمكننا الحصول على 6 أقسام بكتل حجمها 1 و 5، و 15 قسمًا بكتل حجمها 4 و 2، و 10 أقسام بكتلتين حجم كل منهما 3.
مجموع المؤشرات السفلية في الحد الأحادي يساوي العدد الإجمالي للعناصر. وبالتالي، فإن عدد الحدود الأحادية التي تظهر في متعددة حدود بيل الجزئية يساوي عدد الطرق التي يمكن بها التعبير عن العدد الصحيح n كمجموع k من الأعداد الصحيحة الموجبة. وهذا يُطابق تقسيم n إلى k أجزاء. على سبيل المثال، في الأمثلة السابقة، يمكن تقسيم العدد الصحيح 3 إلى جزأين فقط هما 2 + 1. لذا، يوجد حد أحادي واحد فقط في B 3,2 . أما العدد الصحيح 6، فيمكن تقسيمه إلى جزأين هما 5 + 1، و4 + 2، و3 + 3. لذا، يوجد ثلاثة حدود أحادية في B 6,2 . في الواقع، مؤشرات المتغيرات في الحد الأحادي هي نفسها تلك التي يُحددها تقسيم الأعداد الصحيحة، مما يدل على أحجام الأجزاء المختلفة. وبالتالي فإن العدد الإجمالي للحدود الأحادية التي تظهر في كثير الحدود الكامل لـ Bell B n يساوي العدد الإجمالي للتقسيمات الصحيحة لـ n .
كذلك ، فإن درجة كل حدٍّ أحادي، وهي مجموع أسس كل متغير في الحدّ الأحادي، تساوي عدد الكتل التي تُقسَّم إليها المجموعة. أي أن j₁ + j₂ + ... = k . وبالتالي ، إذا كانت لدينا متعددة حدود بيل كاملة Bₙ ، فيمكننا فصل متعددة حدود بيل الجزئية Bₙ ,k بجمع جميع الحدود الأحادية من الدرجة k .
أخيرًا، إذا تجاهلنا أحجام الكتل ووضعنا جميع قيم xᵢ = xᵢ ، فإن مجموع معاملات متعددة حدود بيل الجزئية Bₙ , ᵏ يُعطي العدد الإجمالي للطرق التي يمكن بها تقسيم مجموعة تحتوي على n عنصرًا إلى k كتلة، وهو ما يُعادل أعداد ستيرلينغ من النوع الثاني . كذلك، فإن مجموع جميع معاملات متعددة حدود بيل الكاملة Bₙ يُعطينا العدد الإجمالي للطرق التي يمكن بها تقسيم مجموعة تحتوي على n عنصرًا إلى مجموعات جزئية غير متداخلة، وهو ما يُعادل عدد بيل.
بشكل عام، إذا تم تقسيم العدد الصحيح n إلى مجموع يظهر فيه "1" j مرة واحدة ، ويظهر "2" j مرتين ، وهكذا، فإن عدد تقسيمات مجموعة بحجم n التي تنهار إلى ذلك التقسيم للعدد الصحيح n عندما تصبح عناصر المجموعة غير قابلة للتمييز هو المعامل المقابل في كثير الحدود.
أمثلة
على سبيل المثال، لدينا
لأن طرق تقسيم مجموعة من 6 عناصر إلى كتلتين هي
- ست طرق لتقسيم مجموعة من 6 عناصر إلى 5 + 1،
- 15 طريقة لتقسيم مجموعة من 6 عناصر إلى 4 + 2، و
- 10 طرق لتقسيم مجموعة من 6 عناصر إلى 3 + 3.
بصورة مماثلة،
لأن طرق تقسيم مجموعة من 6 عناصر إلى 3 كتل هي
- 15 طريقة لتقسيم مجموعة من 6 عناصر إلى 4 + 1 + 1،
- 60 طريقة لتقسيم مجموعة من 6 عناصر إلى 3 + 2 + 1، و
- 15 طريقة لتقسيم مجموعة من 6 عناصر إلى 2 + 2 + 2.
جدول القيم
فيما يلي مصفوفة مثلثية لكثيرات حدود بيل غير الكاملة:
ك ن | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | |||||||
| 1 | |||||||
| 2 | |||||||
| 3 | |||||||
| 4 | |||||||
| 5 | |||||||
| 6 |
ملكيات
الدوال المولدة
تحتوي كثيرات الحدود الجزئية الأسية من نوع بيل على دالة توليد ثنائية المتغيرات التالية :
وبعبارة أخرى، بنفس المقدار، عن طريق توسيع المتسلسلة للقوة k :
الدالة المولدة لكثير الحدود الأسي بيل معطاةمنذ
وبالمثل، فإن الدالة المولدة لكثير الحدود الجزئي العادي لبيل هي
على وجه الخصوص، من خلال أخذ معامللدينا:
انظر أيضًا تحويلات الدوال المولدة لكثيرات حدود بيل ، وتوسعات الدوال المولدة لتركيبات الدوال المولدة للمتتاليات، وقوى ، ولوغاريتمات ، وأسس الدوال المولدة للمتتاليات. كل صيغة من هذه الصيغ مذكورة في الأقسام ذات الصلة من كتاب Comtet. [ 1 ]
العلاقات التكرارية
تحقق كثيرات حدود بيل الكاملة علاقة تكرارية :
بالقيمة الأولية.
يمكن أيضًا حساب كثيرات حدود بيل الجزئية بكفاءة عن طريق علاقة تكرارية:
أين
بالإضافة إلى ذلك: [ 2 ]
متى،
تحقق كثيرات حدود بيل الكاملة أيضًا صيغة التفاضل التكراري التالية: [ 3 ]
المشتقات
يتم إعطاء المشتقات الجزئية لكثيرات حدود بيل الكاملة بواسطة [ 4 ]
وبالمثل، تُعطى المشتقات الجزئية لكثيرات حدود بيل الجزئية بالصيغة التالية:
إذا كانت وسائط كثيرات حدود بيل دوالًا أحادية البعد، فيمكن استخدام قاعدة السلسلة للحصول على
أرقام ستيرلينغ وأرقام بيل
قيمة متعددة حدود بيل B n , k ( x 1 , x 2 ,...) على متتالية المضروب تساوي عددًا غير موقّع من نوع ستيرلينغ الأول :
مجموع هذه القيم يعطي قيمة متعددة حدود بيل الكاملة على متتالية المضروب:
قيمة متعددة حدود بيل B n , k ( x 1 , x 2 ,...) على سلسلة الواحدات تساوي عدد ستيرلينغ من النوع الثاني :
مجموع هذه القيم يعطي قيمة متعددة حدود بيل الكاملة على سلسلة الآحاد:
وهو رقم الجرس رقم ن .
مما يعطي رقم لاه .
كثيرات حدود توشارد
متعددة حدود توشارديمكن التعبير عنها كقيمة لكثير الحدود الكامل لـ Bell على جميع الوسائط x :
العلاقات العكسية
إذا عرّفنا
ثم لدينا العلاقة العكسية
وبشكل أعم، [ 5 ] [ 6 ] بالنظر إلى دالة معينةقبول معكوس،
صيغ المحددات
يمكن التعبير عن متعددة حدود بيل الكاملة على شكل محددات :
و
هوية الالتفاف
بالنسبة للمتتاليات x n , y n ، حيث n = 1, 2, ...، عرّف عملية الالتفاف كما يلي:
حدود الجمع هي 1 و n − 1، وليست 0 و n .
يتركليكن الحد النوني للمتتالية
ثم [ 2 ]
على سبيل المثال، دعونا نحسبلدينا
وبالتالي،
هويات أخرى
- مما يعطي العدد المتطابق .
- .
- تحقق كثيرات حدود بيل الكاملة علاقة النوع ذات الحدين:
- هذا يصحح إغفال العاملفي كتاب كومتيت. [ 7 ]
- حالات خاصة من كثيرات حدود بيل الجزئية:
أمثلة
أولى كثيرات حدود بيل الكاملة هي:
التطبيقات
صيغة فا دي برونو
يمكن صياغة صيغة فا دي برونو بدلالة كثيرات حدود بيل على النحو التالي:
وبالمثل، يمكن صياغة صيغة فا دي برونو على شكل متسلسلة قوى باستخدام كثيرات حدود بيل كما يلي. لنفترض
ثم
على وجه الخصوص، تظهر كثيرات حدود بيل الكاملة في الدالة الأسية لسلسلة قوى رسمية :
والتي تمثل أيضًا الدالة المولدة الأسية لكثيرات حدود بيل الكاملة على سلسلة ثابتة من الوسائط.
انعكاس السلسلة
لنفترض أن دالتين f و g معبر عنهما في متسلسلات قوى رسمية كما يلي:
بحيث يكون g هو المعكوس التركيبي لـ f المعرف بـ g ( f ( w )) = w أو f ( g ( z )) = z . إذا كان f₀ = 0 و f₁ ≠ 0 ، فيمكن إعطاء صيغة صريحة لمعاملات المعكوس بدلالة كثيرات حدود بيل كما في [ 8 ] .
معوهو العامل التصاعدي ، و
التوسع التقاربي لتكاملات من نوع لابلاس
لنفترض التكامل على الصورة
حيث ( a , b ) فترة حقيقية (محدودة أو غير محدودة)، وλ معامل موجب كبير، والدوال f و g متصلة. لنفترض أن للدالة f قيمة صغرى واحدة في الفترة [ a , b ] عند x = a . افترض أنه عندما x → a + ،
مع α > 0 و Re( β ) > 0؛ وأن مفكوك f يمكن تفاضله حدًا حدًا. ثم، تنص نظرية لابلاس-إرديلي على أن المفكوك التقاربي للتكامل I ( λ ) يُعطى بالصيغة التالية:
حيث يمكن التعبير عن المعاملات c n بدلالة a n و b n باستخدام كثيرات حدود بيل العادية الجزئية ، كما هو موضح في صيغة كامبل-فرومان-واليس-ووجديلو:
كثيرات الحدود المتناظرة
كثير الحدود المتناظر الأساسيومجموع القوى متعددة الحدود المتناظرةيمكن ربطها ببعضها البعض باستخدام كثيرات حدود بيل كما يلي:
تُتيح هذه الصيغ التعبير عن معاملات كثيرات الحدود أحادية المعامل بدلالة كثيرات حدود بيل لأصفارها. على سبيل المثال، بالاقتران مع نظرية كايلي-هاميلتون، تُؤدي هذه الصيغ إلى التعبير عن مُحدِّد المصفوفة المربعة A من الرتبة n × n بدلالة آثار قواها.
مؤشر دورة المجموعات المتناظرة
مؤشر الدورة للمجموعة المتناظرةيمكن التعبير عنها بدلالة كثيرات حدود بيل الكاملة على النحو التالي:
اللحظات والتراكمات
المجموع
العزم النوني هو العزم الخام من الرتبة n لتوزيع احتمالي تكون عزومه التراكمية الأولى n هي κ₁ ، ...، κₙ . بعبارة أخرى، العزم النوني هو متعدد حدود بيل الكامل من الرتبة n عند حساب العزوم التراكمية الأولى n . وبالمثل، يمكن التعبير عن العزم التراكمي من الرتبة n بدلالة العزوم كما يلي:
كثيرات حدود هيرميت
يمكن التعبير عن كثيرات حدود هيرميت بدلالة كثيرات حدود بيل كما يلي:
حيث xᵢ = 0 لجميع قيم i > 2؛ مما يسمح بتفسير توافقي لمعاملات كثيرات حدود هيرميت. ويمكن ملاحظة ذلك بمقارنة الدالة المولدة لكثيرات حدود هيرميت.
مع ذلك، فإن كثيرات حدود بيل لها نفس خصائصها.
تمثيل متتابعات كثيرات الحدود من النوع ذي الحدين
لأي متتالية من الأعداد القياسية a1 ، a2 ، ...، an ، ليكن
إذن، فإن هذه المتتالية متعددة الحدود من النوع ذي الحدين ، أي أنها تحقق متطابقة ذي الحدين.
- مثال: بالنسبة لـ a 1 = … = a n = 1، فإن كثيرات الحدودتمثل كثيرات الحدود Touchard .
وبشكل عام، لدينا هذه النتيجة:
- نظرية: جميع متتابعات كثيرات الحدود من النوع ذي الحدين تكون على هذا الشكل.
إذا قمنا بتعريف متسلسلة قوى رسمية
ثم لكل n ،
برمجة
يتم تطبيق كثيرات حدود بيل في:
انظر أيضاً
ملحوظات
- ↑ كومتيت 1974 .
- 1 2 Cvijović 2011 .
- ^ أليكسييف وبولوغوفا وأليكسييف 2017 ، ط. 4.2.
- ↑ بيل 1934 ، الهوية (5.1) في الصفحة 266.
- ↑ تشو، و.-س.؛ هسو، ليتش س.؛ شيو، بيتر ج.-س. (2006-06-01). "تطبيق صيغة فا دي برونو في توصيف العلاقات العكسية" . مجلة الرياضيات الحسابية والتطبيقية . 190 ( 1-2 ): 151-169 . doi : 10.1016/j.cam.2004.12.041 .
- ↑ تشو، وينتشانغ (19 نوفمبر 2021). "متعددات حدود بيل والعلاقات العكسية غير الخطية" . المجلة الإلكترونية للتوافقية . 28 (4) ص4.24. doi : 10.37236/10390 . ISSN 1077-8926 .
- ↑ Comtet 1974 ، الهوية [3l"] في الصفحة 136.
- ↑ Charalambides 2002 ، ص 437 ، المعادلة (11.43).
مراجع
- عباس، م.؛ بوروبي، س. (2005). "حول متطابقات جديدة لكثير حدود بيل" . الرياضيات المتقطعة . 293 ( 1-3 ): 5-10 . doi : 10.1016/j.disc.2004.08.023 . MR 2136048 .
- أليكسييف، ن.؛ بولوغوفا، أ.؛ أليكسييف، م.أ. (2017). "أعداد هولتمان المعممة وبنية الدورات في رسوم بيانية نقاط الانقطاع". مجلة علم الأحياء الحاسوبي . 24 (2): 93-105 . arXiv : 1503.05285 . doi : 10.1089/cmb.2016.0190 . PMID 28045556. S2CID 9678733 .
- أندروز، جي إي (1998). نظرية التقسيمات . مكتبة كامبريدج الرياضية (الطبعة الأولى بغلاف ورقي ). مطبعة جامعة كامبريدج . الصفحات 204-211 . ISBN 0-521-63766-X.
- بيل، إي تي (1927-1928). " كثيرات حدود التقسيم". حوليات الرياضيات . 29 (1/4): 38-46 . doi : 10.2307/1967979 . JSTOR 1967979. MR 1502817 .
- بيل، إي تي (1934). "كثيرات الحدود الأسية". حوليات الرياضيات . 35 (2): 258-277 . doi : 10.2307/1968431 . JSTOR 1968431. MR 1503161 .
- بويادجييف، ك. ن. (2009). "كثيرات الحدود الأسية، وأعداد ستيرلينغ، وتقييم بعض تكاملات غاما" . التحليل المجرد والتطبيقي . 2009 168672: 1-18 . arXiv : 0909.0979 . Bibcode : 2009AbApA2009....1B . doi : 10.1155/2009/168672 . S2CID 1608664 . (يحتوي أيضاً على مراجعة أولية لمفهوم كثيرات حدود بيل)
- شارالامبيدس، سي. أ. (2002). التوافيق العددية . تشابمان آند هول / سي آر سي. ص 632. ISBN 9781584882909.
- كومتيت، ل. (1974). التوافقية المتقدمة: فن التوسعات المحدودة وغير المحدودة . دوردريخت، هولندا / بوسطن، الولايات المتحدة: شركة ريدل للنشر. ISBN 978-90-277-0380-4أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 2017-06-01 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2019-07-02 .
- سفيجوفيتش، د. (2011). " متطابقات جديدة لكثيرات حدود بيل الجزئية" (ملف PDF) . رسائل الرياضيات التطبيقية . 24 (9): 1544-1547 . arXiv : 1301.3658 . doi : 10.1016/j.aml.2011.03.043 . S2CID 45311678. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 9 مارس 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 يونيو 2020 .
- غريفيث، م. (2012). "عائلات من المتتاليات من فئة من المجاميع متعددة الحدود" . مجلة متتاليات الأعداد الصحيحة . 15 : المقالة 12.1.8. MR 2872465. مؤرشف من الأصل في 2014-05-02 . تم الاسترجاع في 2012-06-27 .
- كروتشينين، في في (2011). "اشتقاق كثيرات حدود بيل من النوع الثاني". arXiv : 1104.5065 [ math.CO ].
- نوشيز، س.؛ ريتشي، ب. إي. (2003). "تفاضل الدوال المركبة متعددة المتغيرات ومتعددات حدود بيل" . مجلة التحليل الحسابي والتطبيقات . 5 (3): 333-340 . doi : 10.1023/A:1023227705558 . S2CID 118361207 .
- رومان، س. (2013). حساب الظلال . منشورات دوفر . ص 208. ISBN 9780486153421.
- فوينوف، ف. ج.؛ نيكولين، م. س. (1994). "حول متسلسلات القوى، ومتعددات حدود بيل، ومسألة هاردي-رامانوجان-رادماخر وتطبيقاتها الإحصائية". كيبرنيتيكا . 30 (3): 343-358 . ISSN 0023-5954 .
- التوافيق العددية
- كثيرات الحدود
