صيغة فا دي برونو

صيغة فا دي برونو هي متطابقة رياضية تُعمم قاعدة السلسلة لتشمل المشتقات العليا. سُميت نسبةً إلى فرانشيسكو فا دي برونو ( 1855 ، 1857 ) ، مع أنه لم يكن أول من صاغها أو برهنها. ففي عام 1800، أي قبل فا دي برونو بأكثر من 50 عامًا، كان عالم الرياضيات الفرنسي لويس فرانسوا أنطوان أربوغاست قد ذكر الصيغة في كتاب مدرسي في حساب التفاضل والتكامل، [ 1 ] والذي يُعتبر أول مرجع منشور في هذا الموضوع. [ 2 ] 

لعلّ أشهر صيغة لفا دي برونو تقول:

دندxنو(ز(x))=ن!م1!1!م1من!ن!من{\displaystyle {d^{n} \over dx^{n}}f(g(x))=\sum {\frac {n!}{m_{1}!\,1!^{m_{1}}\cdots m_{n}!\,n!^{m_{n}}}}\cdot {}}و(م1++من)(ز(x)){\displaystyle f^{(m_{1}+\cdots +m_{n})}(g(x))\cdot {}}ج=1ن(ز(ج)(x))مج{\displaystyle \prod _{j=1}^{n}\left(g^{(j)}(x)\right)^{m_{j}}}،

حيث يكون المجموع شاملاًن{\displaystyle n}- صفوف من الأعداد الصحيحة غير السالبة(م1،...،من){\displaystyle (m_{1},\ldots ,m_{n})}تلبية القيد1م1+2م2+3م3++نمن=ن.{\displaystyle 1\cdot m_{1}+2\cdot m_{2}+3\cdot m_{3}+\cdots +n\cdot m_{n}=n.}أحيانًا، ولإعطائها نمطًا لا يُنسى، تُكتب بطريقة تكون فيها المعاملات التي لها التفسير التوافقي الذي نناقشه أدناه أقل وضوحًا:

دندxنو(ز(x))=ن!م1!م2!من!{\displaystyle {d^{n} \over dx^{n}}f(g(x))=\sum {\frac {n!}{m_{1}!\,m_{2}!\,\cdots \,m_{n}!}}\cdot {}}و(م1++من)(ز(x)){\displaystyle f^{(m_{1}+\cdots +m_{n})}(g(x))\cdot {}}ج=1ن(ز(ج)(x)ج!)مج{\displaystyle \prod _{j=1}^{n}\left({\frac {g^{(j)}(x)}{j!}}\right)^{m_{j}}}.

بدمج المصطلحات ذات القيمة نفسهام1+م2++من=ك{\displaystyle m_{1}+m_{2}+\cdots +m_{n}=k} ولاحظ ذلكمج{\displaystyle m_{j}}يجب أن يكون صفرًا لـج>ن-ك+1{\displaystyle j>n-k+1}ويؤدي ذلك إلى صيغة أبسط نوعًا ما معبر عنها بدلالة كثيرات حدود بيل الأسية الجزئية (أو غير الكاملة)بن،ك(x1،...،xن-ك+1){\displaystyle B_{n,k}(x_{1},\ldots ,x_{n-k+1})}:

دندxنو(ز(x))=ك=0نو(ك)(ز(x)){\displaystyle {d^{n} \over dx^{n}}f(g(x))=\sum _{k=0}^{n}f^{(k)}(g(x))\cdot {}}بن،ك(ز(x)،ز"(x)،...،ز(ن-ك+1)(x)){\displaystyle B_{n,k}{\bigl (}g'(x),g''(x),\dots ,g^{(n-k+1)}(x){\bigr )}}.

هذه الصيغة فعالة للجميعن0{\displaystyle n\geq 0}لكن بالنسبة لـن>0{\displaystyle n>0}كثيرات الحدودبن،0{\displaystyle B_{n,0}}تكون القيم صفرًا، وبالتالي يمكن أن يبدأ الجمع في الصيغة بـك=1{\displaystyle k=1}.

التوافقي

الصيغة لها شكل "توافقي":

دندxنو(ز(x))=(وز)(ن)(x)=πΠو(|π|)(ز(x))بπز(|ب|)(x){\displaystyle {d^{n} \over dx^{n}}f(g(x))=(f\circ g)^{(n)}(x)=\sum _{\pi \in \Pi }f^{(\left|\pi \right|)}(g(x))\cdot \prod _{B\in \pi }g^{(\left|B\right|)}(x)}

أين

  • π{\displaystyle \pi }يمر عبر المجموعةΠ{\displaystyle \Pi }من جميع أقسام المجموعة{1،...،ن}{\displaystyle \{1,\ldots ,n\}}،
  • "بπ{\displaystyle B\in \pi }" تعني المتغيرب{\displaystyle B}يستعرض قائمة جميع "الكتل" الخاصة بالقسمπ{\displaystyle \pi }، و
  • |أ|{\displaystyle |A|}يشير إلى عدد عناصر المجموعةأ{\displaystyle A}(لهذا السبب|π|{\displaystyle |\pi |}يمثل عدد الكتل في القسمπ{\displaystyle \pi }و|ب|{\displaystyle |B|}حجم الكتلةب{\displaystyle B}).

مثال

فيما يلي شرحٌ مُفصّل للصيغة التوافقية لـن=4{\displaystyle n=4}قضية.

(وز)(x)=و(ز(x))ز(x)4+6و(ز(x))ز"(x)ز(x)2+3و"(ز(x))ز"(x)2+4و"(ز(x))ز(x)ز(x)+و(ز(x))ز(x).{\displaystyle {\begin{aligned}(f\circ g)''''(x)={}&f''''(g(x))g'(x)^{4}+6f'''(g(x))g''(x)g'(x)^{2}\\[8pt]&{}+\;3f''(g(x))g''(x)^{2}+4f''(g(x))g'''(x)g'(x)\\[8pt]&{}+\;f'(g(x))g''''(x).\end{aligned}}}

النمط هو:

ز(x)41+1+1+1و(ز(x))1ز"(x)ز(x)22+1+1و(ز(x))6ز"(x)22+2و"(ز(x))3ز(x)ز(x)3+1و"(ز(x))4ز(x)4و(ز(x))1{\displaystyle {\begin{array}{cccccc}g'(x)^{4}&&\leftrightarrow &&1+1+1+1&&\leftrightarrow &&f''''(g(x))&&\leftrightarrow &&1\\[12pt]g''(x)g'(x)^{2}&&\leftrightarrow &&2+1+1&&\leftrightarrow &&f'''(g(x))&&\leftrightarrow &&6\\[12pt]g''(x)^{2}&&\leftrightarrow &&2+2&&\leftrightarrow &&f''(g(x))&&\leftrightarrow &&3\\[12pt]g'''(x)g'(x)&&\leftrightarrow &&3+1&&\leftrightarrow &&f''(g(x))&&\leftrightarrow &&4\\[12pt]g''''(x)&&\leftrightarrow &&4&&\leftrightarrow &&f'(g(x))&&\leftrightarrow &&1\end{array}}}

العاملز"(x)ز(x)2{\displaystyle g''(x)g'(x)^{2}}يتوافق هذا مع تجزئة العدد الصحيح 4 إلى 2 + 1 + 1، وذلك بشكل واضح. العاملو(ز(x)){\displaystyle f'''(g(x))}يتوافق ذلك مع حقيقة وجود ثلاثة حدود في هذا التقسيم. ويتوافق المعامل 6 المصاحب لهذه العوامل مع حقيقة وجود ستة تقسيمات بالضبط لمجموعة من أربعة عناصر، بحيث تقسمها إلى جزء واحد بحجم 2 وجزأين بحجم 1.

وبالمثل، فإن العاملز"(x)2{\displaystyle g''(x)^{2}}في السطر الثالث، يُمثل ذلك تجزئة العدد الصحيح 4 إلى 2 + 2 (4، لأننا نجد المشتقة الرابعة)، بينماو"(ز(x)){\displaystyle f''(g(x))}يتوافق ذلك مع حقيقة وجود حدين (2  +  2) في هذا التقسيم. ويتوافق المعامل 3 مع حقيقة وجود12(42)=3{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}{\tbinom {4}{2}}=3}طرق تقسيم 4 كائنات إلى مجموعات من  2. وينطبق المفهوم نفسه على الكائنات الأخرى.

فيما يلي مخطط يسهل تذكره:

د1(وز)1!=(و(1)ز)ز(1)1!1!د2(وز)2!=(و(1)ز)ز(2)2!1!+(و(2)ز)ز(1)1!ز(1)1!2!د3(وز)3!=(و(1)ز)ز(3)3!1!+(و(2)ز)ز(1)1!1!ز(2)2!1!+(و(3)ز)ز(1)1!ز(1)1!ز(1)1!3!د4(وز)4!=(و(1)ز)ز(4)4!1!+(و(2)ز)(ز(1)1!1!ز(3)3!1!+ز(2)2!ز(2)2!2!)+(و(3)ز)ز(1)1!ز(1)1!2!ز(2)2!1!+(و(4)ز)ز(1)1!ز(1)1!ز(1)1!ز(1)1!4!{\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {D^{1}(f\circ {}g)}{1!}}&=\left(f^{(1)}\circ {}g\right){\frac {\frac {g^{(1)}}{1!}}{1!}}\\[8pt]&{\frac {D^{2}(f\circ g)}{2!}}&=\left(f^{(1)}\circ {}g\right){\frac {\frac {g^{(2)}}{2!}}{1!}}&{}+\left(f^{(2)}\circ {}g\right){\frac {{\frac {g^{(1)}}{1!}}{\frac {g^{(1)}}{1!}}}{2!}}\\[8pt]&{\frac {D^{3}(f\circ g)}{3!}}&=\left(f^{(1)}\circ {}g\right){\frac {\frac {g^{(3)}}{3!}}{1!}}&{}+\left(f^{(2)}\circ {}g\right){\frac {\frac {g^{(1)}}{1!}}{1!}}{\frac {\frac {g^{(2)}}{2!}}{1!}}&{}+\left(f^{(3)}\circ {}g\right){\frac {{\frac {g^{(1)}}{1!}}{\frac {g^{(1)}}{1!}}{\frac {g^{(1)}}{1!}}}{3!}}\\[8pt]&{\frac {D^{4}(f\circ g)}{4!}}&=\left(f^{(1)}\circ {}g\right){\frac {\frac {g^{(4)}}{4!}}{1!}}&{}+\left(f^{(2)}\circ {}g\right)\left({\frac {\frac {g^{(1)}}{1!}}{1!}}{\frac {\frac {g^{(3)}}{3!}}{1!}}+{\frac {{\frac {g^{(2)}}{2!}}{\frac {g^{(2)}}{2!}}}{2!}}\right)&{}+\left(f^{(3)}\circ {}g\right){\frac {{\frac {g^{(1)}}{1!}}{\frac {g^{(1)}}{1!}}}{2!}}{\frac {\frac {g^{(2)}}{2!}}{1!}}&{}+\left(f^{(4)}\circ {}g\right){\frac {{\frac {g^{(1)}}{1!}}{\frac {g^{(1)}}{1!}}{\frac {g^{(1)}}{1!}}{\frac {g^{(1)}}{1!}}}{4!}}\end{aligned}}}

الاختلافات

النسخة متعددة المتغيرات

يتركy=ز(x1،...،xن){\displaystyle y=g(x_{1},\dots ,x_{n})}إذن، تبقى المتطابقة التالية صحيحة بغض النظر عما إذا كانن{\displaystyle n}المتغيرات إما متميزة، أو متطابقة، أو مقسمة إلى عدة فئات مميزة من المتغيرات غير القابلة للتمييز (إذا بدا الأمر غامضًا، فانظر المثال الملموس أدناه): [ 3 ]

نx1xنو(y)=πΠو(|π|)(y)بπ|ب|yجبxج{\displaystyle {\partial ^{n} \over \partial x_{1}\cdots \partial x_{n}}f(y)=\sum _{\pi \in \Pi }f^{(\left|\pi \right|)}(y)\cdot \prod _{B\in \pi }{\partial ^{\left|B\right|}y \over \prod _{j\in B}\partial x_{j}}}

حيث (كما سبق)

  • π{\displaystyle \pi }يمر عبر المجموعةΠ{\displaystyle \Pi }من جميع أقسام المجموعة{1،...،ن}{\displaystyle \{1,\ldots ,n\}}،
  • "بπ{\displaystyle B\in \pi }" تعني المتغيرب{\displaystyle B}يستعرض قائمة جميع "الكتل" الخاصة بالقسمπ{\displaystyle \pi }، و
  • |أ|{\displaystyle |A|}يشير إلى عدد عناصر المجموعةأ{\displaystyle A}(لهذا السبب|π|{\displaystyle |\pi |}يمثل عدد الكتل في القسمπ{\displaystyle \pi }و

|ب|{\displaystyle |B|}حجم الكتلةب{\displaystyle B}).

توجد صيغ أكثر عمومية للحالات التي تكون فيها جميع الدوال متجهة، بل وحتى ذات قيم في فضاء باناخ . في هذه الحالة، يجب النظر في مشتقة فريشيه أو مشتقة جاتو .

مثال

تتوافق الحدود الخمسة في التعبير التالي بشكل واضح مع التقسيمات الخمسة للمجموعة{1،2،3}{\displaystyle \{1,2,3\}}وفي كل حالة، رتبة مشتقةو{\displaystyle f}عدد الأجزاء في القسم:

3x1x2x3و(y)=و(y)3yx1x2x3+و"(y)(yx12yx2x3+yx22yx1x3+yx32yx1x2)+و(y)yx1yx2yx3.{\displaystyle {\begin{aligned}{\partial ^{3} \over \partial x_{1}\,\partial x_{2}\,\partial x_{3}}f(y)={}&f'(y){\partial ^{3}y \over \partial x_{1}\,\partial x_{2}\,\partial x_{3}}\\[10pt]&{}+f''(y)\left({\partial y \over \partial x_{1}}\cdot {\partial ^{2}y \over \partial x_{2}\,\partial x_{3}}+{\partial y \over \partial x_{2}}\cdot {\partial ^{2}y \over \partial x_{1}\,\partial x_{3}}+{\partial y \over \partial x_{3}}\cdot {\partial ^{2}y \over \partial x_{1}\,\partial x_{2}}\right)\\[10pt]&{}+f'''(y){\partial y \over \partial x_{1}}\cdot {\partial y \over \partial x_{2}}\cdot {\partial y \over \partial x_{3}}.\end{aligned}}}

إذا كانت المتغيرات الثلاثة غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض، فإن ثلاثة من الحدود الخمسة المذكورة أعلاه غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض أيضًا، وعندها نحصل على الصيغة الكلاسيكية ذات المتغير الواحد.

إصدار سلسلة الطاقة الرسمي

يفترضو(x)=ن=0أنxن{\displaystyle f(x)=\sum _{n=0}^{\infty }{a_{n}}x^{n}}وز(x)=ن=0بنxن{\displaystyle g(x)=\sum _{n=0}^{\infty }{b_{n}}x^{n}}هي متسلسلات قوى رسمية وب0=0{\displaystyle b_{0}=0}.

ثم التركيبوز{\displaystyle f\circ g}وهي مرة أخرى سلسلة قوى رسمية ،

و(ز(x))=ن=0جنxن،{\displaystyle f(g(x))=\sum _{n=0}^{\infty }{c_{n}}x^{n},}

أينج0=أ0{\displaystyle c_{0}=a_{0}}والمعامل الآخرجن{\displaystyle c_{n}}لن1{\displaystyle n\geq 1} يمكن التعبير عنها كمجموع على تركيبات منن{\displaystyle n}أو كمجموع مكافئ على تجزئات الأعداد الصحيحة لـن{\displaystyle n}:

جن=أناجنأكبأنا1بأنا2بأناك،{\displaystyle c_{n}=\sum _{\mathbf {i} \in {\mathcal {C}}_{n}}a_{k}b_{i_{1}}b_{i_{2}}\cdots b_{i_{k}},}

أين

جن={(أنا1،أنا2،...،أناك): 1كن، أنا1+أنا2++أناك=ن}{\displaystyle {\mathcal {C}}_{n}=\{(i_{1},i_{2},\dots ,i_{k})\,:\ 1\leq k\leq n,\ i_{1}+i_{2}+\cdots +i_{k}=n\}}

هي مجموعة تركيباتن{\displaystyle n}معك{\displaystyle k}يشير إلى عدد الأجزاء،

أو

جن=ك=1نأكπPن،ك(كπ1،π2،...،πن)ب1π1ب2π2بنπن،{\displaystyle c_{n}=\sum _{k=1}^{n}a_{k}\sum _{\mathbf {\pi } \in {\mathcal {P}}_{n,k}}{\binom {k}{\pi _{1},\pi _{2},\ldots ,\pi _{n}}}b_{1}^{\pi _{1}}b_{2}^{\pi _{2}}\cdots b_{n}^{\pi _{n}},}

أين

Pن،ك={(π1،π2،...،πن): π1+π2++πن=ك، π11+π22++πنن=ن}{\displaystyle {\mathcal {P}}_{n,k}=\{(\pi _{1},\pi _{2},\dots ,\pi _{n})\,:\ \pi _{1}+\pi _{2}+\cdots +\pi _{n}=k,\ \pi _{1}\cdot 1+\pi _{2}\cdot 2+\cdots +\pi _{n}\cdot n=n\}}

هي مجموعة تقسيماتن{\displaystyle n}داخلك{\displaystyle k}الأجزاء، في شكل تكرار الأجزاء.

يتم الحصول على الشكل الأول عن طريق اختيار معاملxن{\displaystyle x^{n}} في(ب1x+ب2x2+)ك{\displaystyle (b_{1}x+b_{2}x^{2}+\cdots )^{k}}"عن طريق الفحص"، ويتم الحصول على الشكل الثاني من خلال جمع الحدود المتشابهة، أو بدلاً من ذلك، عن طريق تطبيق نظرية الحدود المتعددة .

الحالة الخاصةو(x)=هـx{\displaystyle f(x)=e^{x}}،ز(x)=ن11ن!أنxن{\displaystyle g(x)=\sum _{n\geq 1}{\frac {1}{n!}}a_{n}x^{n}}تعطي الصيغة الأسية . الحالة الخاصةو(x)=1/(1-x){\displaystyle f(x)=1/(1-x)}،ز(x)=ن1(-أن)xن{\displaystyle g(x)=\sum _{n\geq 1}(-a_{n})x^{n}} يُعطي تعبيرًا عن مقلوب متسلسلة القوى الرسمية ن0أنxن{\displaystyle \sum _{n\geq 0}a_{n}x^{n}}في هذه الحالةأ0=1{\displaystyle a_{0}=1}.

يقدم ستانلي [ 4 ] صيغة لمتسلسلات القوى الأسية. في متسلسلة القوى الرسمية

و(x)=نأنن!xن،{\displaystyle f(x)=\sum _{n}{\frac {a_{n}}{n!}}x^{n},}

لدينان{\displaystyle n}المشتقة عند 0:

و(ن)(0)=أن.{\displaystyle f^{(n)}(0)=a_{n}.}

لا ينبغي تفسير هذا على أنه قيمة دالة، لأن هذه المتسلسلات شكلية بحتة؛ لا يوجد شيء اسمه التقارب أو التباعد في هذا السياق.

لو

ز(x)=ن=0بنن!xن{\displaystyle g(x)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {b_{n}}{n!}}x^{n}}

و

و(x)=ن=1أنن!xن{\displaystyle f(x)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {a_{n}}{n!}}x^{n}}

و

ز(و(x))=ح(x)=ن=0جنن!xن،{\displaystyle g(f(x))=h(x)=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {c_{n}}{n!}}x^{n},}

ثم المعاملجن{\displaystyle c_{n}}(والذي سيكونن{\displaystyle n}المشتقة منح{\displaystyle h}(تُقيّم عند 0 إذا كنا نتعامل مع متسلسلات متقاربة بدلاً من متسلسلات القوى الرسمية) تُعطى بواسطة

جن=π={ب1،...،بك}أ|ب1|أ|بك|بك{\displaystyle c_{n}=\sum _{\pi =\left\{B_{1},\ldots ,B_{k}\right\}}a_{\left|B_{1}\right|}\cdots a_{\left|B_{k}\right|}b_{k}}

أينπ{\displaystyle \pi }يمر عبر مجموعة جميع أقسام المجموعة{1،...،ن}{\displaystyle \{1,\ldots ,n\}}وب1،...،بك{\displaystyle B_{1},\ldots ,B_{k}} هي كتل التقسيمπ{\displaystyle \pi }، و|بج|{\displaystyle |B_{j}|} هو عدد أعضاءج{\displaystyle j}الكتلة رقم th، لـج=1،...،ك{\displaystyle j=1,\ldots ,k}.

هذه النسخة من الصيغة مناسبة بشكل خاص لأغراض التوافقية .

يمكننا أيضًا الكتابة وفقًا للرموز المذكورة أعلاه

ز(و(x))=ب0+ن=1ك=1نبكبن،ك(أ1،...،أن-ك+1)ن!xن،{\displaystyle g(f(x))=b_{0}+\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {\sum _{k=1}^{n}b_{k}B_{n,k}(a_{1},\ldots ,a_{n-k+1})}{n!}}x^{n},}

أينبن،ك(أ1،...،أن-ك+1){\displaystyle B_{n,k}(a_{1},\ldots ,a_{n-k+1})}هي كثيرات حدود بيل .

حالة خاصة

لوو(x)=هـx{\displaystyle f(x)=e^{x}}ثم جميع مشتقاتو{\displaystyle f}هي نفسها وعامل مشترك بين كل مصطلح:

دندxنهـز(x)=هـز(x)بن(ز(x)،ز"(x)،...،ز(ن)(x))،{\displaystyle {d^{n} \over dx^{n}}e^{g(x)}=e^{g(x)}B_{n}\left(g'(x),g''(x),\dots ,g^{(n)}(x)\right),}

أينبن(x){\displaystyle B_{n}(x)}هي متعددة الحدود الأسية الكاملة من الرتبة n من نوع بيل .

في حالةز(x){\displaystyle g(x)}إذا كانت دالة توليد العزوم التراكمية ، فإنو(ز(x)){\displaystyle f(g(x))} هي دالة توليد العزوم ، ومتعددة الحدود في مشتقات مختلفة منز{\displaystyle g}هي متعددة الحدود التي تعبر عن العزوم كدوال للمتراكمات .

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ( أربوغاست 1800 ) .
  2. وفقًا لكريك (2005 ، ص 120-122) : انظر أيضًا تحليل عمل أربوغاست بواسطة جونسون (2002 ، ص 230) .  
  3. هاردي، مايكل (2006). "توافقية المشتقات الجزئية" . المجلة الإلكترونية للتوافقية . 13 (1): R1. doi : 10.37236/1027 . S2CID 478066 . 
  4. انظر "الصيغة التركيبية" في الفصل 5 من كتاب ستانلي، ريتشارد ب. (1999) [1997]. التوافقية العددية . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-55309-4.

مراجع

دراسات ومقالات تاريخية

الأعمال البحثية