Coeficiente binomial: Diferenzas entre revisións
imported>Andresv.63 |
(Sen diferenzas.)
|
Revisión actual feita o 13 de decembro de 2024 ás 21:51

Os coeficientes binomiais ou números combinatorios son os enteiros positivos que aparecen como coeficientes no teorema do binomio. Normalmente, un coeficiente binomial está representado por un par de números enteiros Modelo:Math e escríbese Correspóndese co coeficiente do termo Modelo:Math na expansión polinómica da potencia binomial Modelo:Math; este coeficiente pódese calcular mediante a fórmula
Imos ver un exemplo, a cuarta potencia de (Modelo:Math) é
e calculamos o coeficiente binomial é o coeficiente do termo Modelo:Math.
Se ordenamos os números en filas sucesivas para Modelo:Math daquela temos unha matriz triangular chamada triángulo de Pascal, que satisfai a relación de recorrencia
En moitas áreas das matemáticas aparecen os coeficientes binomiais, e teñen especial incidencia na combinatoria. O símbolo adoita lerse como "Modelo:Mvar sobre Modelo:Mvar". Hai formas de escoller un subconxunto (desordenado) de Modelo:Mvar elementos dun conxunto fixo de Modelo:Mvar elementos. Por exemplo, hai formas de escoller Modelo:Math elementos entre Modelo:Mset, é dicir, Modelo:Mset, Modelo:Mset, Modelo:Mset, Modelo:Mset, Modelo:Mset e Modelo:Mset.
Agora podemos xeneralizar para que poida usarse para calquera número complexo Modelo:Mvar e enteiro Modelo:Math, e moitas das súas propiedades seguen a manterse nesta forma máis xeral.
As notacións alternativas máis frecuentes son Modelo:Math, Modelo:Math, e Modelo:Math, en todas elas o Modelo:Mvar significa combinacións.
Definición e interpretacións
Para os números naturais n e k, o coeficiente binomial pódese definir como o coeficiente do monomio Xk na expansión de Modelo:Math. O mesmo coeficiente tamén ocorre (se Modelo:Math ) na fórmula binomialModelo:Bloque numerado(válida para calquera elemento x, y dun anel conmutativo), o que explica o nome de "coeficiente binomial".
Tamén aparece na combinatoria, onde dá o número de subconxuntos de Modelo:Mvar elementos (ou Modelo:Mvar-combinacións) dun conxunto de Modelo:Mvar elementos.
Cálculo do valor dos coeficientes binomiais
Fórmula recursiva
- para todos os números enteiros tal que
con valores límite
para todos os números enteiros Modelo:Math.
Fórmula multiplicativa
onde o numerador da primeira fracción exprésase como o símbolo de Pochhammer do factorial descendente.
Fórmula factorial
- onde Modelo:Math denota o factorial de Modelo:Mvar . A fórmula presenta unha simetría Modelo:Bloque numerado
Xeneralización e conexión coa serie binomial
A fórmula multiplicativa permítenos ampliar a definición dos coeficientes binomiais substituíndo Modelo:Mvar por un número arbitrario (negativo, real, complexo) ou mesmo un elemento de calquera anel conmutativo no que todos os enteiros positivos sexan invertibles:Aproveitamos esta definición para ter unha xeneralización da fórmula binomial, cunha das variables posta a 1, :Modelo:Bloque numeradoEsta fórmula é válida para todos os números complexos α e X con |X| < 1.
Triángulo de Pascal
A regra de Pascal é unha importante relación de recorrenciaModelo:Bloque numeradoque se pode utilizar para demostrar por indución matemática que é un número natural para todos os enteiros n ≥ 0 e todos os enteiros k, un feito que non é inmediatamente obvio a partir da fórmula (1).
A regra de Pascal dá lugar ao triángulo de Pascal:
| 0: | 1 | ||||||||||||||||
| 1: | 1 | 1 | |||||||||||||||
| 2: | 1 | 2 | 1 | ||||||||||||||
| 3: | 1 | 3 | 3 | 1 | |||||||||||||
| 4: | 1 | 4 | 6 | 4 | 1 | ||||||||||||
| 5: | 1 | 5 | 10 | 10 | 5 | 1 | |||||||||||
| 6: | 1 | 6 | 15 | 20 | 15 | 6 | 1 | ||||||||||
| 7: | 1 | 7 | 21 | 35 | 35 | 21 | 7 | 1 | |||||||||
| 8: | 1 | 8 | 28 | 56 | 70 | 56 | 28 | 8 | 1 |
O número de fila Modelo:Mvar contén os números para Modelo:Math. Constrúese colocando primeiro 1 nas posicións máis externas e despois enchendo cada posición interna coa suma dos dous números directamente enriba.
Combinatoria e estatística
Os coeficientes binomiais son de importancia en combinatoria, porque proporcionan fórmulas feitas para certos problemas frecuentes de contaxe:
- Hai formas de escoller k elementos dun conxunto de n elementos. Consulte Combinacións.
- Hai formas de escoller k elementos dun conxunto de n elementos se se permiten as repeticións. Consulte Multiconxunto.
- Hai cadeas que conteñen k uns e n ceros.
- Hai cadeas formadas por k uns e n ceros de xeito que non hai dous uns adxacentes.[1]
- Os números de Catalan son
- A distribución binomial en estatística é
Coeficientes binomiais como polinomios
Dado calquera enteiro non negativo k, a expresión pódese simplificar e definir como un polinomio dividido por Modelo:Math:
isto presenta un polinomio en t con coeficientes racionais.
Os seus coeficientes poden expresarse en termos dos números de Stirling:
Identidades que implican coeficientes binomiais
Se k é un número enteiro positivo e n é arbitrario, entónModelo:Bloque numerado
Para n constnte, temos a seguinte recorrencia:
Sumas dos coeficientes binomiais
A fórmulaModelo:Bloque numeradoexpresa que os elementos da fila Modelo:Mvar-ésima do triángulo de Pascal sempre suman 2 elevados á potencia Modelo:Mvar-ésima.
Temos dúas fórmulas máis,
- .
- .
Estas dúas fórmulas séguense do teorema do binomio despois de diferenciar con respecto a Modelo:Mvar (dúas veces na segunda) e despois de substituír Modelo:Math.
A identidade de Chu-Vandermonde, que se cumpre para calquera valores complexos m e n e calquera número enteiro non negativo k, éModelo:Bloque numerado No caso especial Modelo:Math, usando (1), a expansión (7) fica comoModelo:Bloque numeradoonde o termo do lado dereito é un coeficiente binomial central.
Imos ver outra forma da identidade de Chu-Vandermonde que se aplica a calquera número enteiro j, k e n que satisfaga Modelo:Math, éModelo:Bloque numeradoCando Modelo:Math, a ecuación (9) dá
Sexa F (n) o n-ésimo número de Fibonacci, entón
Sumas de multiseccións
Para os enteiros s e t tales que as series de multisección (con termos igualmente espazados) dás a seguinte identidade para a suma dos coeficientes binomiais:
Para Modelo:Mvar pequenos, estas series teñen formas particularmente feitucas; por exemplo, [2]
Sumas parciais
co caso especial
para Modelo:Math. Este último resultado é tamén un caso especial do resultado da teoría das diferenzas finitas que para calquera polinomio P(x) de grao menor que n, [3]
Cando P(x) é de grao menor ou igual a n,Modelo:Bloque numeradoonde é o coeficiente de grao n en P(x).
Identidade de Dixon
ou, máis xeralmente,
onde a, b e c son enteiros non negativos.
Identidades continuas
Existen certas integrais trigonométricas que teñen valores expresables en termos de coeficientes binomiais, para calquera
Estas integrais pódense demostrar usando a fórmula de Euler para converter funcións trigonométricas en exponenciais complexas, expandindo usando o teorema binomial e integrando termo por termo.
Congruencias
Se n é primo, entónpor cada k con
De xeito máis xeral, isto segue sendo certo se n é calquera número e k é tal que todos os números entre 1 e k son coprimos con n.
Daquela temos
Funcións xeradoras
Funcións xeradoras ordinarias
Se temos un Modelo:Mvar fixo, a función xeradora ordinaria da secuencia é
Agora, se facemos que Modelo:Mvar sexa fixo, a función xeradora ordinaria da secuencia é
A función xeradora bivariada dos coeficientes binomiais é
Función xeradora exponencial
Para dúas variables, unha función xeradora exponencial simétrica dos coeficientes binomiais é:
Propiedades de divisibilidade
En 1852, Kummer demostrou (Teorema de Kummer) que se m e n son enteiros non negativos e p é un número primo, entón a maior potencia de p que divide é igual a pc, onde c é o número de carrexos cando m e n se suman na base p. Isto é valoración p-ádica dun coeficiente binomial.
Os coeficientes binomiais teñen propiedades de divisibilidade relacionadas cos mínimos múltiplos comúns (lcm) de números enteiros consecutivos. Por exemplo:[4]
- .
- .
un dato máis en relación á divisibilidade: un número enteiro Modelo:Math é primo se e só se todos os coeficientes binomiais intermedios
son divisibles por Modelo:Mvar.
Límites e fórmulas asintóticas
Os seguintes límites para cúmprense para todos os valores de n e k tal que Modelo:Math:Das propiedades de divisibilidade podemos inferir que
Tanto n como k grandes
A aproximación de Stirling dá a seguinte aproximación, válida cando tenden ao infinito:En particular, cando é suficientemente grande, temos
- .
- .
Se n é grande e k é linear en n, existen varias estimacións asintóticas precisas para o coeficiente binomial . Por exemplo, se entónonde d = n − 2k.[5]
Modelo:Mvar moito maior que Modelo:Mvar
Se Modelo:Mvar é grande e Modelo:Mvar é Modelo:Math (é dicir, se Modelo:Math), entónonde de novo Modelo:Mvar é a notación o pequena. [6]
Coeficientes binomiais xeneralizados
Obtemos unha nova expresión para os coeficientes binomiais usando a fórmula do produto infinito para a función gammaque produce as fórmulas asintóticascando .
Xeneralizacións
Xeneralización a multinomial
Modelo:Artigo principal Os coeficientes binomiais pódense xeneralizarse a coeficientes multinomiais definidos como o número:
onde
Lembrando o que representan os coeficientes binomiais de Modelo:Math, vemos que os coeficientes multinomiais representan os coeficientes do polinomio
O caso r = 2 dá os coeficientes binomiais:
A interpretación combinatoria dos coeficientes multinomiais sería que temos n elementos distinguibles sobre r recipientes distinguibles, onde cada un contén exactamente ki elementos, onde i é o índice do recipiente.
Serie de Taylor
Usando os números de Stirling do primeiro tipo,, temos que a expansión en serie arredor de calquera punto escollido arbitrariamente é
Coeficiente binomial con Modelo:Math
Podemos estender a definición dos coeficientes binomiais ao caso en que é real e é enteiro.
En particular, a seguinte identidade cúmprese para calquera número enteiro non negativo :
Isto vese cando se expande nunha serie de potencias utilizando a serie binomial de Newton:
Descomposición de fracción parcial
A descomposición en fraccións parciais do recíproco vén dada por
Serie binomial de Newton
Modelo:Principal A serie binomial de Newton, que recibe o nome de Isaac Newton, é unha xeneralización do teorema binomial a series infinitas:
A identidade pódese obter mostrando que ambos os dous lados satisfan a ecuación diferencial Modelo:Math.
O raio de converxencia desta serie é 1. Unha expresión alternativa é
onde se aplica a identidade
- .
Coeficiente binomial multiconxunto (ascendente)
Os coeficientes binomiais contan subconxuntos de tamaño prescrito dun conxunto dado. Un problema combinatorio relacionado é contar multiconxuntos é dicir, contar o número de formas de seleccionar un determinado número de elementos dun conxunto dado incluíndo a posibilidade de seleccionar o mesmo elemento con repetición. Os números resultantes chámanse coeficientes multiconxuntos;[7] o número resultante dunha "multiescolla" (isto é, escolla con remprazacemento) de k elementos de un conxunto de n elementos denótase cun duplo paréntese .
O valor dos coeficientes multiconxunto é
Xeneralización a enteiros negativos
Para calquera n,
En particular, os coeficientes binomiais para enteiros negativos n poden darse con coeficientes multiconxuntos negativos.
Por exemplo,
Dous argumentos reais ou complexos
Xeneralízase a dous argumentos reais ou complexos usando a función gamma ou a función beta vía
Esta definición herda as seguintes propiedades da :
e tamén,
A función resultante ten sido pouco estudada, ao parecer obtívose un gráfico dela por primeira vez en Modelo:Harv.
Xeneralización a q-series
O coeficiente binomial ten un q-análogo coñecido como coeficiente binomial gaussiano (ligazón en inglés).
Notas
Véxase tamén
Bibliografía
- Modelo:Cite book
- Modelo:Cite book
- Modelo:Cite book
- Modelo:Cite book
- Modelo:Cite journal
- Modelo:Cite journal
- Modelo:Cite book
- Modelo:Cite book
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cite book
- Modelo:Cite book
- Modelo:Cite journal
- Modelo:Cite book
- Modelo:Cita libro
Outros artigos
- Transformación binomial
- Número de Delannoy
- Número euleriano
- Función hiperxeométrica
- Número de Motzkin
- Número de Narayana