Symbol Newtona

Symbol Newtona, współczynnik dwumianowy (dwumienny) Newtonafunkcja dwóch argumentów całkowitych nieujemnych, zdefiniowana jako[1][2]:

   dla  

gdzie oznacza silnię liczby całkowitej nieujemnej

Symbol odczytuje się n nad k, n po k lub k z n.

Symbol Newtona można równoważnie wyrazić wzorem rekurencyjnym:

Symbol Newtona pojawia się we wzorze dwumiennym Newtona[3] jako współczynnik w -tym wyrazie rozwinięcia -tej potęgi sumy dwu składników – stąd jego druga nazwa współczynnik dwumienny Newtona.

Własności symbolu Newtona

Związki kombinatoryczne

Symbol Newtona równy jest liczbie wszystkich -elementowych kombinacji bez powtórzeń ze zbioru -elementowego (-elementowych podzbiorów zbioru -elementowego). Liczba ta jest też oznaczana jako w literaturze angielskiej spotyka się oznaczenie w amerykańskiej (od wyrażenia „n choose k”, czyli „n brane po k”).

Zatem poniższe symbole są równoważnymi oznaczeniami liczby dwuelementowych kombinacji ze zbioru siedmioelementowego:

Pochodzenie wzoru iteracyjnego

Każdą kombinację -elementową ze zbioru -elementowego można utworzyć, wybierając kolejno różnych elementów. Uzyskuje się w ten sposób -elementowy ciąg, czyli wariację ze zbioru Wariacji takich jest

Kombinacje, jako podzbiory, w przeciwieństwie do wariacji, czyli ciągów, nie mają ustalonej kolejności elementów. Dwie różne wariacje, różniące się tylko kolejnością elementów, dają tę samą kombinację. Liczba -elementowych kombinacji jest więc mniejsza od liczby -elementowych wariacji tylokrotnie, ile jest różnych porządków (przestawień, czyli permutacji) takiego ciągu. A ponieważ permutacji -elementowych jest

ostatecznie:

Pochodzenie wzoru rekurencyjnego

Z każdego zbioru -elementowego można wybrać tylko jedną kombinację 0-elementową (czyli podzbiór pusty, ), stąd liczba kombinacji pustych

Z każdego zbioru -elementowego można wybrać tylko jedną kombinację -elementową (podzbiór niewłaściwy, równy całemu zbiorowi: ), stąd liczba takich kombinacji

Oba powyższe stwierdzenia dotyczą oczywiście także zbioru pustego

Niech teraz będzie niepustym zbiorem -elementowym Wyłączymy zeń jeden element, i oznaczymy pozostały podzbiór -elementowy przez

Wśród wszystkich niepustych kombinacji k-elementowych wyróżnić można te, które zawierają element i pozostałe, które go nie zawierają.

  • Każdą -elementową kombinację zawierającą można przedstawić jako unię pewnej -elementowej kombinacji i jednoelementowego zbioru Ponieważ przy tym zawiera się w -elementowym to kombinacji takich jest
  • Każda k-elementowa kombinacja nie zawierająca sama zawiera się w czyli w -elementowym zbiorze Zatem kombinacji takich jest

Stąd ostatecznie dla liczba kombinacji -elementowych równa jest sumie liczb kombinacji obu rodzajów:

Tożsamości algebraiczne

Skracając w definicji czynnik otrzymuje się:

co dla dodatnich wartości rozwija się do uproszczonej postaci iteracyjnej[1]:

Dla puste iloczyny stają się równe jedności, i w efekcie[1]:

Dla w liczniku i mianowniku zostaje tylko pierwszy czynnik, stąd:

– jeden element spośród wybrać można na sposobów.

Inne tożsamości:

liczba kombinacji dopełniających[1]:

liczba kombinacji pustych (i dopełniających do pustych):

liczba kombinacji w zbiorze pustym:

suma współczynników dwumianu Newtona

Teoria liczb

Liczba pierwsza dzieli każdą liczbę dla

Dowód: W liczniku wyrażenia występuje zaś w mianowniku tylko liczby mniejsze, które ze względu na pierwszość liczby nie mogą być jej dzielnikami (oprócz 1). Ponieważ liczba jest całkowita, w jej rozkładzie na czynniki pierwsze występuje

Wniosek: W ciele zachodzi równość:

Trójkąt Pascala

Wartości kolejnych symboli Newtona można zapisać w postaci trójkąta Pascala:

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
9    1   9   36  84 126 126  84  36  9   1
10 1   10  45  120 210 252 210 120 45 10   1
   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Kolejnym wierszom trójkąta odpowiadają kolejne wartości kolejnym wyrazom w każdym wierszu – kolejne wartości

Skrajne wyrazy w każdym wierszu równe są jedności, każdy wyraz (poza skrajnymi) jest sumą dwu wyrazów stojących bezpośrednio nad nim, w poprzednim wierszu. Schemat ten odpowiada wprost wzorowi rekurencyjnemu.

Obliczanie symbolu Newtona

Prosta, a równocześnie dość szybka metoda obliczania wartości współczynnika Newtona opiera się na uproszczonej postaci iteracyjnej:

oraz spostrzeżeniu o występowaniu czynników pierwszych w ciągu kolejnych liczb naturalnych:

  • z każdych kolejnych dwu liczb naturalnych jedna jest parzysta (podzielna przez 2),
  • z każdych kolejnych trzech liczb naturalnych jedna jest podzielna przez 3,
  • z każdych kolejnych czterech liczb naturalnych jedna jest podzielna przez 4 itd.

To gwarantuje, że z liczb i jedna jest podzielna przez 2, a więc i iloczyn jest podzielny przez 2 – można więc obliczyć iloraz i iloraz ten jest liczbą całkowitą. Z kolei z liczb i jedna jest podzielna przez 3, zatem iloczyn dzieli się przez 3 (prócz tego, że na pewno dzieli się przez 2); zatem obliczony wcześniej iloraz po pomnożeniu przez można podzielić przez 3, a uzyskana wartość ilorazu znów jest liczbą całkowitą.

Tym sposobem, mnożąc i dzieląc na przemian, można obliczyć wartość współczynnika Newtona wykonując mnożeń i tyleż dzieleń całkowitoliczbowych. Dzięki odpowiedniemu uporządkowaniu działań w metodzie tej nie występują ułamki – wszystkie wyniki pośrednie są całkowite, a więc nie ma ryzyka błędów zaokrąglenia.

Przykładowa procedura w Pascalu:

function WspNewtona( n, k : integer ) : integer;
var
    wynik : integer;
    i : integer;
begin
    wynik := 1;

    for i := 1 to k do
        wynik := wynik * (n - i + 1) div i;

    WspNewtona := wynik;
end;

Przykładowa metoda 64-bitowa w Javie kontrolująca przepełnienie typu Long:

long symbolNewtona(final long N, final long K)
{
    assert N >= 0;
    assert K >= 0;

    if (N < K)
        return 0L;

    if (K == 0 || K == N)
        return 1L;

    if (K == 1 || K == N - 1)
        return N;

    long wynik = 1L;
    try
    {
        final long maxK = Math.min(K, N - K);
        for (long i = 1L; i <= maxK; i++)
            wynik = Math.multiplyExact(wynik, (N - i + 1)) / i;
    }
    catch (ArithmeticException e)
    {
        return -1L;
    }

    return wynik;
}

Drugi przykład w Javie daje poprawne wyniki dla dowolnych dodatnich danych wejściowych:

BigInteger symbolNewtona(final long N, final long K)
{
    assert N >= 0;
    assert K >= 0;

    if (N < K)
        return BigInteger.valueOf(0);

    if (K == 0L || K == N)
        return BigInteger.valueOf(1);

    if (K == 1L || K == N - 1L)
        return BigInteger.valueOf(N);

    BigInteger result = BigInteger.valueOf(1);

    final long maxK = Math.min(K, N - K);
    for (long i = 1L; i <= maxK; i++)
        result = result.multiply(BigInteger.valueOf(N - i + 1L)).divide(BigInteger.valueOf(i));

    return result;
}

Ta druga metoda jest efektywna czasowo i pamięciowo, jest tylko około trzy razy wolniejsza od wersji poprzedniej. W obu metodach sprawdzane są przypadki szczególne oraz zoptymalizowano liczbę pętli dla korzystając z faktu, że funkcja ta jest symetryczna.

Przykładowy predykat w Prologu:

silnia(0, 1) :- !.
silnia(1, 1) :- !.
silnia(N, X) :- N1 is N-1, silnia(N1, X1), X is N * X1.

npok(N, K, X) :- silnia(N, X1), silnia(K, X2), NK is N-K, silnia(NK, X3), X is X1 / (X2 * X3).

Procedura ta działa szybko i z minimalnym kosztem pamięciowym – wymaga tylko dwu pomocniczych zmiennych (a po dodatkowym usprawnieniu nie potrzebowałaby żadnych). Drobną wadą tego sposobu jest niewielki nadmiar w trakcie obliczeń: maksymalna wartość pośrednia, otrzymana przed ostatnim dzieleniem przez jest -krotnie większa od ostatecznego wyniku. To oznacza, że metody tej nie da się wykorzystać „do granic pojemności” typu całkowitego: maksymalna wiarygodna wartość obliczana tym sposobem zawsze będzie -krotnie niższa od największej wartości całkowitej dostępnej w danym komputerze, kalkulatorze bądź języku programowania.

Poniżej przedstawiona jest procedura rekurencyjna, pozbawiona tej wady.

function WspNewtonaRek( n, k : integer ) : integer;
begin
    if (k = 0) or (k = n) then
        WspNewtonaRek := 1
    else
        WspNewtonaRek := WspNewtonaRek( n-1, k-1 ) + WspNewtonaRek( n-1, k );
end;

Implementacja rekurencyjna bez użycia silni w Prologu:

symbolnewtona(N, K, fail) :- K > N, !.
symbolnewtona(K, K, 1) :- !.
symbolnewtona(N, 0, 1) :- !.
symbolnewtona(N, K, X) :- N1 is N-1, K1 is K-1, symbolnewtona(N1, K1, X1), symbolnewtona(N1, K, X2), X is X1 + X2, !.

Ten sposób opiera się wprost na rekurencyjnym wzorze:

Procedura ta nie ma wady poprzedniej metody – oblicza końcową wartość bez żadnego nadmiaru w wynikach pośrednich. Niestety, płaci się za to ogromnym kosztem obliczeń. Funkcja przestaje wywoływać samą siebie, dopiero gdy zwraca wartość 1 – to oznacza, że obliczenie wartości wymaga co najmniej wywołań funkcji (bezpośrednich i pośrednich). Złożoność czasowa jest więc nie mniejsza niż wartość funkcji: (zobacz Notacja dużego O). Równocześnie, jeśli tylko początkowa wartość nie jest równa 0 ani co najmniej jedna ścieżka rekursji kończy się na wywołaniu WspNewtonaRek(1, 0) albo WspNewtonaRek(1, 1). Ścieżka ta prowadzi przez poziomów wywołań, w których parametr był kolejno zmniejszany aż do jedności. Głębokość rekurencji, a zatem złożoność pamięciowa jest więc ściśle liniowa i to w bardzo wrażliwym obszarze stosu.

Kolejnym krokiem pozwalającym na przyspieszenie obliczeń jest wykorzystanie programowania dynamicznego – można w tabeli przechowywać wyniki obliczeń poszczególnych kroków rekurencji, aby skrócić czas potrzebny na znalezienie danej wartości symbolu. Efektem ubocznym stosowania powyższej metody jest to, że otrzymuje się od razu wszystkie elementy trójkąta Pascala poprzedzające szukaną wartość.

Ograniczenia dla symbolu Newtona

Zachodzą następujące nierówności (z definicji oraz przyjmujemy by uniknąć dzielenia przez zero):

  • ,

Uogólnienie na wielomiany wyższych stopni

Współczynniki dwumienne można uogólnić do współczynników wielomianowych. Definiuje się je w następujący sposób:

przy czym:

Współczynnik dwumienny określa współczynniki wyrażenia: podczas gdy współczynniki wielomianowe określają współczynniki wielomianu:

w następujący sposób:

gdzie sumujemy po wszystkich naturalnych spełniających podane wcześniej reguły.

Dla uzyskujemy współczynniki dwumianowe:

Interpretacja kombinatoryczna współczynników wielomianowych to liczba sposobów rozmieszczenia rozróżnialnych elementów w rozróżnialnych pudełkach, z których każde mieści dokładnie elementów, gdzie jest indeksem pudełka.

Współczynniki wielomianowe mają wiele własności podobnych do własności współczynników dwumianowych, takich jak rekurencja:

i symetria:

gdzie jest permutacją

Uogólnienie na liczby rzeczywiste i zespolone

Symbol Newtona uogólnia się na liczby rzeczywiste i zespolone, korzystając z funkcji specjalnej gamma. Uogólnienie to opiera się na tożsamości:

spełnionej dla naturalnych wartości

Możemy także przyjąć następującą (nierównoważną) definicję:
Niech będzie dowolną liczbą rzeczywistą lub zespoloną. Wówczas przez symbol będziemy rozumieli wyrażenie

lub zapisane inaczej

Następujący wzór, zwany górną negacją, przydaje się do wyznaczania wartości symbolu Newtona dla ujemnych wartości z:

Przypisy

  1. a b c d Wybrane wzory matematyczne, Warszawa: Centralna Komisja Egzaminacyjna, 2015, s. 2, ISBN 978-83-940902-1-0.
  2. Kenneth A. Ross, Charles R. B. Wright: Matematyka dyskretna. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001, s. 277. ISBN 83-01-12129-7.
  3. Newtona symbol, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-22].

Linki zewnętrzne

Read other articles:

Pour les articles homonymes, voir James Hunt (homonymie) et Hunt. James Hunt James Hunt lors de sa victoire au Grand Prix des Pays-Bas 1976. Biographie Nom complet James Simon Wallis Hunt Date de naissance 29 août 1947 Lieu de naissance Belmont (en), Angleterre, Royaume-Uni Date de décès 15 juin 1993 (à 45 ans) Lieu de décès Wimbledon, Angleterre, Royaume-Uni Nationalité Britannique Carrière Années d'activité 1973-1979 Qualité Pilote automobile Parcours AnnéesÉcurie0C.0...

 

Pour les articles homonymes, voir École polytechnique. École polytechnique fédérale de ZurichLogoHistoireFondation 1855StatutType PubliqueNom officiel Eidgenössische Technische Hochschule ZürichRégime linguistique Allemand, anglaisFondateur Confédération suissePrésident Joël MesotRecteur Sarah SpringmanMembre de ORCID (d), Alliance internationale des universités de recherche, Association des universités européennesSite web www.ethz.chChiffres-clésÉtudiants 18 500Localisat...

 

Georges ScelleGeorges Scelle dans Excelsior du 10 mars 1925.BiographieNaissance 19 mars 1878AvranchesDécès 8 janvier 1961 (à 82 ans)ParisNationalité FrançaisFormation Institut d'études politiques de ParisUniversité de ParisActivités Juriste, professeur d'universitéAutres informationsA travaillé pour Université de ParisMembre de Institut de droit international (1929)Institut de droit internationalDistinction Ordre national de la Légion d'honneurmodifier - modifier le code - mo...

يفتقر محتوى هذه المقالة إلى الاستشهاد بمصادر. فضلاً، ساهم في تطوير هذه المقالة من خلال إضافة مصادر موثوق بها. أي معلومات غير موثقة يمكن التشكيك بها وإزالتها. (ديسمبر 2018) تصفيات كأس العالم 1990  تصفيات كأس العالم 1990 (آسيا)  تصفيات كأس العالم 1990 - آسيا المرحلة الأولى المرحلة ا

 

Historically black college in Knoxville, Tennessee, U.S. Not to be confused with Knoxville Medical College. Knoxville CollegeMottoLet There Be LightMotto in EnglishGuided by Faith. Inspired by KnowledgeTypePrivate, HBCUEstablishedDecember 16, 1875AffiliationPresbyterian Church (U.S.A.)Endowment$1 million (appx.)[1]ChairmanJessica Thrasher WilsonPresidentLeonard L. Adams Jr.Vice-presidentDasha LundyAcademic staff35[2]Students11[3]LocationKnoxville, Tennessee, Unite...

 

Mary Wortley Montagu, door Charles Jervas Mary en haar zoon Edward, geschilderd door Jean-Baptiste van Mour rond 1717. Lady Montagu in Ottomaanse klederdracht (Jean-Étienne Liotard, ca. 1756) Lady Mary Wortley Montagu (geboren Mary Pierrepont, Thoresby Hall, Nottinghamshire, gedoopt op 26 mei 1689 – Londen, 21 augustus 1762) was een Engels aristocraat, poëet en schrijfster. Biografie Zij was een dochter van Evelyn Pierrepont, destijds graaf van Kingston, later markies van Dorchester en he...

1970 film Aathi ParasakthiTheatrical release posterDirected byK. S. GopalakrishnanWritten byK. S. GopalakrishnanStarringGemini GanesanJayalalithaaCinematographyK. S. PrashathEdited byR. DevarajanMusic byK. V. MahadevanProductioncompanyChitra ProductionsRelease date 17 October 1971 (1971-10-17)[1] Running time168 minutesCountryIndiaLanguageTamil Aathi Parasakthi (transl. Primordial power) is a 1971 Indian Tamil-language Hindu mythological film directed by K. S. Gop...

 

راوية جرجورة بربارة معلومات شخصية الميلاد 27 نوفمبر 1969 (54 سنة)  الناصرة  الحياة العملية المدرسة الأم جامعة حيفا (الشهادة:بكالوريوس) (–1994)جامعة حيفا (الشهادة:ماجستير) (–2004)جامعة حيفا (الشهادة:دكتوراه في الفلسفة) (–2011)  المهنة كاتِبة  اللغات العربية،  والعبرية،  و

 

County in Florida, United States U.S. county in FloridaSarasota CountyU.S. countyImages, from top down, left to right: Downtown Sarasota skyline; Van Wezel Performing Arts Hall on Sarasota's Bayfront; Sunset at Siesta Beach; Sarasota County Courthouse; Beachfront on Venice Beach; Front walkway of Ca' d'Zan SealLogoLocation within the U.S. state of FloridaFlorida's location within the U.S.Coordinates: 27°11′N 82°22′W / 27.19°N 82.37°W / 27.19; -82.37Country ...

This article includes a list of general references, but it lacks sufficient corresponding inline citations. Please help to improve this article by introducing more precise citations. (February 2013) (Learn how and when to remove this template message) HMS Portisham Class overview Operators  Royal Navy  Royal Australian Navy  French Navy  Ghana Navy  Libyan Navy  Indian Navy  Royal Malaysian Navy  Royal Saudi Navy  Yugoslav Navy Built1954–1959 Com...

 

Oman Artikel ini adalah bagian dari seri Politik dan KetatanegaraanOman Undang-Undang Dasar Hak Asasi Kerajaan Sultan Haitham dari Oman Kabinet Dewan Dewan Negara Majelis Permusyawaratan Pemilihan Umum Pemilu Terakhir Pemilu: 200720112015 Pembagian Administratif Kegubernuran Provinsi Hubungan Luar Negeri Menteri Luar Negeri Misi Diplomatik dari Omandi Oman Hukum Kewarganegaraan Paspor Persyaratan Visa Topik yang Berhubungan Simbol Nasional BenderaLambang NasionalLagu Kebangsaan Militer Sejara...

 

Marcia FreedmanLahir(1938-05-17)17 Mei 1938Tempat lahirNewark, New Jersey, Amerika SerikatTahun aliyah1967Meninggal dunia21 September 2021(2021-09-21) (umur 83)Knesset8Faksi yang diwakili di Knesset1974–1975Ratz1975–1976Ya'ad – Gerakan Hak Sipil1976–1977Faksi Sosialis Independen Marcia Freedman (Ibrani: מרשה פרידמן, 17 Mei 1938 – 21 September 2021) adalah seorang aktivis Amerika Serikat-Israel yang mendorong perdamaian, hak wanita dan hak gay. Pada awal ...

「球根」THE YELLOW MONKEY の シングル初出アルバム『PUNCH DRUNKARD』リリース 1998年2月4日ジャンル ロック時間 15分16秒レーベル ファンハウスプロデュース 吉井和哉ゴールドディスク プラチナ (日本レコード協会 1998年2月)チャート最高順位 週間1位(オリコン) 1998年度年間87位(オリコン)THE YELLOW MONKEY シングル 年表 BURN(1997年)球根 (1998年)離れるな(1998年) ミュージ...

 

Trinbagonian calypsonian (1922–2000) Kitch redirects here. Not to be confused with Kitsch. Lord KitchenerBackground informationBirth nameAldwyn RobertsBorn(1922-04-18)18 April 1922Arima, Trinidad and TobagoDied11 February 2000(2000-02-11) (aged 77)Port of Spain, Trinidad and TobagoGenresCalypsosocaOccupation(s)CalypsonianLabelsRCA VictorTrinidadCharlie'sJW ProductionsMusical artist Aldwyn Roberts HBM[1] DA[2] (18 April 1922 – 11 February 2000),[3] better known...

 

2016 French filmRoommates WantedTheatrical release posterDirected byFrançois DesagnatWritten byJérôme CorcosFrançois DesagnatCatherine DiamentRichard PezetRomain ProtatProduced byJérôme CorcosAntoine PezetStarringAndré DussollierBérengère KriefArnaud DucretJulia PiatonCinematographyVincent GallotEdited byBeatrice HerminieProductioncompaniesTF1 Films ProductionSND FilmsNac FilmsSomeciOrange StudioDistributed bySND FilmsRelease date 20 April 2016 (2016-04-20) (France...

1994 studio album by PentagramBe ForewarnedStudio album by PentagramReleasedApril 1994RecordedJanuary 1994StudioCue Recording Studio, Falls Church, VirginiaGenreDoom metal, heavy metalLength58:43LabelPeacevilleProducerPentagram and Chris MurphyPentagram chronology 1972-1979(1993) Be Forewarned(1994) Human Hurricane(1998) Professional ratingsReview scoresSourceRatingAllMusic[1]Collector's Guide to Heavy Metal8/10[2] Be Forewarned is the third studio album by American do...

 

Artikel ini perlu diwikifikasi agar memenuhi standar kualitas Wikipedia. Anda dapat memberikan bantuan berupa penambahan pranala dalam, atau dengan merapikan tata letak dari artikel ini. Untuk keterangan lebih lanjut, klik [tampil] di bagian kanan. Mengganti markah HTML dengan markah wiki bila dimungkinkan. Tambahkan pranala wiki. Bila dirasa perlu, buatlah pautan ke artikel wiki lainnya dengan cara menambahkan [[ dan ]] pada kata yang bersangkutan (lihat WP:LINK untuk keterangan lebih lanjut...

 

1969 film by Bernard Girard This article has multiple issues. Please help improve it or discuss these issues on the talk page. (Learn how and when to remove these template messages) This article consists almost entirely of a plot summary. Please help improve the article by adding more real-world context. (April 2019) (Learn how and when to remove this template message) This article is missing information about the film's production, and theatrical release. Please expand the article to include...

Моріс Фіцджеральд, 6-й герцог ЛейнстерНародився 1 березня 1887(1887-03-01)[1]Помер 4 лютого 1922(1922-02-04)[1] (34 роки)Alma mater Ітонський коледжТитул Герцог ЛейнстерРід Фіцджеральди, династіяБатько Джеральд Фіцджеральд, 5-й герцог ЛейнстерМати Lady Hermione Duncombed[1]Брати, сестри Едвар...

 

Schéma simplifié des principales étapes de la formation de l'Univers.1- Big Bang.2- Ère de l'inflation.3- Découplage de l'interaction forte et faible et formation des particules.4- Formation des étoiles et galaxies. L'histoire et la chronologie de l'Univers décrit l'évolution de l’Univers en s'appuyant sur le modèle standard de la cosmologie, fondé sur le modèle cosmologique du Big Bang et les recherches en cosmologie et en astronomie. Selon plusieurs estimations, l'âge de l...

 

Strategi Solo vs Squad di Free Fire: Cara Menang Mudah!