Coeficiente binomial

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