Биномиальный коэффициент

В математике биномиальные коэффициенты — это коэффициенты в разложении бинома Ньютона по степеням x. Коэффициент при обозначается (иногда ) и читается «биномиальный коэффициент из n по k» (или «це из n по k»):

В комбинаторике биномиальный коэффициент интерпретируется как количество сочетаний из n по k, то есть количество всех подмножеств (выборок) размера k в n-элементном множестве.

Биномиальные коэффициенты часто возникают в задачах комбинаторики и теории вероятностей. Обобщением биномиальных коэффициентов являются мультиномиальные коэффициенты.

Явные формулы

Значение биномиального коэффициента определено для всех целых чисел n и k. Явные формулы для вычисления биномиальных коэффициентов:

для

для или

для

где обозначает факториал числа m.

Треугольник Паскаля

Основная статья: Треугольник Паскаля

Тождество

позволяет расположить биномиальные коэффициенты для неотрицательных целых чисел n, k в виде треугольника Паскаля, в котором каждое число равно сумме двух вышестоящих:

$\begin{matrix} n=0: & & & & & 1 & & & &\\ n=1: & & & & 1 & & 1 & & &\\ n=2: & & & 1 & & 2 & & 1 & &\\ n=3: & & 1 & & 3 & & 3 & & 1 &\\ n=4: & 1 & & 4 & & 6 & & 4 & & 1\\ \vdots & & \vdots & & \vdots & & \vdots & & \vdots & \end{matrix}$

Треугольная таблица, предложенная Паскалем в «Трактате об арифметическом треугольнике» (1654), отличается от выписанной здесь поворотом на 45°. Таблицы для изображения биномиальных коэффициентов были известны и ранее (Тарталье, О. Хайяму и др.).

Строки в треугольнике Паскаля в пределе стремятся к функции нормального распределения.

Если взять квадратную матрицу, отсчитав N элементов по катетам треугольника и повернув квадрат на любой из четырёх углов, то детерминант этих четырёх матриц по модулю равен 1 при любом N. Если поставить уголом из 1 в верхний левый угол, то детерминант матрицы будет равен 1.

В матрице числа на диагонали i + j = const повторяют числа строк треугольника Паскаля (i, j = 0...∞).

Матрицу , где i, j = 0..p можно разложить в произведение двух строго диагональных матриц. Первая нижнетреугольная, а вторая получается из первой путем транcпонирования. Матрицы удовлетворяет соотношению:

где i, j = 0..p.

Обратная матрица к U имеет вид:

Таким образом, можно разложить обратную матрицу к в произведение двух строго диагональных матриц: первая матрица — верхнетреугольная, а вторая получается из первой путем транспонирования, что позволяет дать явное выражение для обратных элементов:

, где i, j , m, n = 0..p.

Элементы обратной матрицы меняются при изменение её размера и, в отличие от матрицы , недостаточно приписать новую строку и столбец.

Свойства

Производящие функции

Для фиксированного значения n производящей функцией последовательности биномиальных коэффициентов является:

Для фиксированного значения k производящей функцией последовательности биномиальных коэффициентов является:

Двумерной производящей функцией биномиальных коэффициентов является:

Делимость

Из теоремы Люка следует, что:

нечётен в двоичной записи числа k единицы не стоят в тех разрядах, где в числе n стоят нули.
некратен простому p в p-ичной записи числа k все разряды не превосходят соответствующих разрядов числа n.
В последовательности биномиальных коэффициентов :
- все числа не кратны заданному простому p , где натуральное число m < p;
- все числа, кроме первого и последнего, кратны заданному простому p ;
- количество нечётных чисел равно степени двойки (степень двойки равна количеству единиц в двоичной записи числа n);
- не может быть поровну чётных и нечётных чисел;
- количество не кратных простому p чисел равно , где числа — разряды p-ичной записи числа n; а число — её длина.

Основные тождества

(правило симметрии).
(вынесение за скобки).
(замена индексов).

Бином Ньютона и следствия

для .
Это тождество можно усилить

Свёртка Вандермонда и следствия

(свёртка Вандермонда).

для .
для .
если — более общий вид тождества выше.

Другие тождества

— m-ое гармоническое число.
Мультисекция ряда даёт тождество, выражающее сумму биномиальных коэффициентов с произвольным шагом s и смещением t в виде замкнутой суммы из s слагаемых:

Асимптотика и оценки

при (неравенство Чебышёва).
, при (энтропийная оценка),

где — энтропия.

(неравенство Чернова).

Алгоритмы вычисления

Биномиальные коэффициенты могут быть вычислены с помощью формулы , если на каждом шаге хранить значения при . Этот алгоритм особенно эффективен, если нужно получить все значения при фиксированном . Алгоритм требует памяти ( при вычислении всей таблицы биномиальных коэффициентов) и времени (в предположении, что каждое число занимает единицу памяти и операции с числами выполняются за единицу времени).

При фиксированном значении k биномиальные коэффициенты могут быть вычислены по рекуррентной формуле с начальным значением . Для вычисления значения этот метод требует памяти и времени.

См. также

Ссылки

Фукс Д., Фукс М. Арифметика биномиальных коэффициентов // Квант. — 1970. — № 6. — С. 17—25.
Кузьмин О. В. Треугольник и пирамида Паскаля: свойства и обобщения // Соросовский Образовательный Журнал. — 2000. — Т. 6. — № 5. — С. 101—109.
Ландо С. К. Теневое исчисление // VIII летняя школа «Современная математика». — Дубна, 2008.
Винберг Э. Б. Удивительные арифметические свойства биномиальных коэффициентов // Математическое просвещение. — 2008. — В. 12. — С. 33–42.

Dom-uslugi66.ru

Бюро Домашних Услуг

Тренды