Números de Stirling de primera especie.

Números importantes en combinatoria.

En matemáticas , especialmente en combinatoria , los números de Stirling de primera especie surgen en el estudio de las permutaciones. En particular, los números de Stirling del primer tipo cuentan las permutaciones según su número de ciclos (contando los puntos fijos como ciclos de longitud uno).

Los números de Stirling de primera y segunda clase pueden entenderse como inversos entre sí cuando se ven como matrices triangulares . Este artículo está dedicado a los detalles de los números de Stirling del primer tipo. Las identidades que vinculan los dos tipos aparecen en el artículo sobre los números de Stirling .

Definiciones

Los números de Stirling del primer tipo son los coeficientes en la expansión del factorial descendente. ${\displaystyle s(n,k)}$

${\displaystyle (x)_{n}=x(x-1)(x-2)\cdots (x-n+1)}$

en potencias de la variable : ${\displaystyle x}$

${\displaystyle (x)_{n}=\sum _{k=0}^{n}s(n,k)x^{k},}$

Por ejemplo, , lo que lleva a los valores , y . ${\displaystyle (x)_{3}=x(x-1)(x-2)=x^{3}-3x^{2}+2x}$ ${\displaystyle s(3,3)=1}$ ${\displaystyle s(3,2)=-3}$ ${\displaystyle s(3,1)=2}$

Posteriormente, se descubrió que los valores absolutos de estos números son iguales al número de permutaciones de ciertos tipos. Estos valores absolutos, que se conocen como números de Stirling sin signo de primera especie, a menudo se denominan o . Pueden definirse directamente como el número de permutaciones de elementos con ciclos disjuntos . Por ejemplo, de las permutaciones de tres elementos, hay una permutación con tres ciclos (la permutación identidad , dada en notación unifilar por o en notación cíclica por ), tres permutaciones con dos ciclos ( , , y ) y dos permutaciones con un ciclo ( y ). Así, , y . Se puede considerar que estos concuerdan con el cálculo anterior de for . Alfréd Rényi observó que el número de Stirling sin signo también cuenta el número de permutaciones de tamaño con máximos de izquierda a derecha. ^[1] ${\displaystyle |s(n,k)|}$ ${\displaystyle c(n,k)}$ ${\displaystyle \left[{n \atop k}\right]}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle 3!=6}$ ${\displaystyle 123}$ ${\displaystyle (1)(2)(3)}$ ${\displaystyle 132=(1)(23)}$ ${\displaystyle 213=(12)(3)}$ ${\displaystyle 321=(13)(2)}$ ${\displaystyle 312=(132)}$ ${\displaystyle 231=(123)}$ ${\displaystyle \left[{3 \atop 3}\right]=1}$ ${\displaystyle \left[{3 \atop 2}\right]=3}$ ${\displaystyle \left[{3 \atop 1}\right]=2}$ ${\displaystyle s(n,k)}$ ${\displaystyle n=3}$ ${\displaystyle \left[{n \atop k}\right]}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle k}$

Los números de Stirling sin signo también se pueden definir algebraicamente, como los coeficientes del factorial ascendente :

${\displaystyle x^{\overline {n}}=x(x+1)\cdots (x+n-1)=\sum _{k=0}^{n}\left[{n \atop k}\right]x^{k}}$.

Las notaciones utilizadas en esta página para los números de Stirling no son universales y pueden entrar en conflicto con las notaciones de otras fuentes. (La notación entre corchetes también es una notación común para los coeficientes gaussianos ). ${\displaystyle \left[{n \atop k}\right]}$

Definición por permutación

${\displaystyle \left[{n \atop k}\right]}$se puede definir como el número de permutaciones en elementos con ciclos. ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle k}$

s(4,2)=11

La imagen de la derecha muestra que : el grupo simétrico de 4 objetos tiene 3 permutaciones de la forma ${\displaystyle \left[{4 \atop 2}\right]=11}$

${\displaystyle (\bullet \bullet )(\bullet \bullet )}$(que tiene 2 órbitas, cada una de tamaño 2),

y 8 permutaciones de la forma

${\displaystyle (\bullet \bullet \bullet )(\bullet )}$(teniendo 1 órbita de tamaño 3 y 1 órbita de tamaño 1).

Estos números se pueden calcular considerando las órbitas como clases de conjugación (último punto).

Señales

Los signos de los números de Stirling (con signo) de primera clase son predecibles y dependen de la paridad de n − k . En particular,

${\displaystyle s(n,k)=(-1)^{n-k}\left[{n \atop k}\right].}$

Relación de recurrencia

Los números de Stirling sin signo del primer tipo se pueden calcular mediante la relación de recurrencia

${\displaystyle \left[{n+1 \atop k}\right]=n\left[{n \atop k}\right]+\left[{n \atop k-1}\right]}$

para , con las condiciones iniciales ${\displaystyle k>0}$

${\displaystyle \left[{0 \atop 0}\right]=1\quad {\mbox{and}}\quad \left[{n \atop 0}\right]=\left[{0 \atop n}\right]=0}$

para . ${\displaystyle n>0}$

Se deduce inmediatamente que los números de Stirling (con signo) de la primera clase satisfacen la recurrencia

${\displaystyle s(n+1,k)=-n\cdot s(n,k)+s(n,k-1)}$.

prueba algebraica

Probamos la relación de recurrencia utilizando la definición de números de Stirling en términos de factoriales ascendentes. Distribuyendo el último término del producto, tenemos

${\displaystyle x^{\overline {n+1}}=x(x+1)\cdots (x+n-1)(x+n)=n\cdot x^{\overline {n}}+x\cdot x^{\overline {n}}.}$

El coeficiente de en el lado izquierdo de esta ecuación es . El coeficiente de in es , mientras que el coeficiente de in es . Dado que los dos lados son iguales como polinomios, los coeficientes de en ambos lados deben ser iguales y el resultado es el siguiente. ${\displaystyle x^{k}}$ ${\displaystyle \left[{n+1 \atop k}\right]}$ ${\displaystyle x^{k}}$ ${\displaystyle n\cdot x^{\overline {n}}}$ ${\displaystyle n\cdot \left[{n \atop k}\right]}$ ${\displaystyle x^{k}}$ ${\displaystyle x\cdot x^{\overline {n}}}$ ${\displaystyle \left[{n \atop k-1}\right]}$ ${\displaystyle x^{k}}$

Prueba combinatoria

Probamos la relación de recurrencia utilizando la definición de números de Stirling en términos de permutaciones con un número determinado de ciclos (o equivalentemente, órbitas ).

Considere formar una permutación de objetos a partir de una permutación de objetos agregando un objeto distinguido. Hay exactamente dos maneras en que esto se puede lograr. Podríamos hacer esto formando un ciclo singleton , es decir, dejando el objeto extra en paz. Esto aumenta el número de ciclos en 1 y, por lo tanto, representa el término en la fórmula de recurrencia. También podríamos insertar el nuevo objeto en uno de los ciclos existentes. Considere una permutación arbitraria de objetos con ciclos y etiquete los objetos , de modo que la permutación esté representada por ${\displaystyle n+1}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \left[{n \atop k-1}\right]}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle a_{1},\dots ,a_{n}}$

${\displaystyle \displaystyle \underbrace {(a_{1}\ldots a_{j_{1}})(a_{j_{1}+1}\ldots a_{j_{2}})\ldots (a_{j_{k-1}+1}\ldots a_{n})} _{k\ \mathrm {cycles} }.}$

Para formar una nueva permutación de objetos y ciclos se debe insertar el nuevo objeto en esta matriz. Hay formas de realizar esta inserción, insertando el nuevo objeto inmediatamente después de cualquiera de los ya presentes. Esto explica el término de la relación de recurrencia. Estos dos casos incluyen todas las posibilidades, por lo que se sigue la relación de recurrencia. ${\displaystyle n+1}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle a_{i}}$ ${\displaystyle n\left[{n \atop k}\right]}$

tabla de valores

A continuación se muestra una matriz triangular de valores sin signo para los números de Stirling del primer tipo, similar en forma al triángulo de Pascal . Estos valores son fáciles de generar utilizando la relación de recurrencia de la sección anterior.

Propiedades

Identidades simples

Usando el delta de Kronecker se tiene,

${\displaystyle \left[{n \atop 0}\right]=\delta _{n}}$

y

${\displaystyle \left[{0 \atop k}\right]=0}$si , o más generalmente si k > n . ${\displaystyle k>0}$ ${\displaystyle \left[{n \atop k}\right]=0}$

También

${\displaystyle \left[{n \atop 1}\right]=(n-1)!,\quad \left[{n \atop n}\right]=1,\quad \left[{n \atop n-1}\right]={n \choose 2},}$

y

${\displaystyle \left[{n \atop n-2}\right]={\frac {3n-1}{4}}{n \choose 3}\quad {\mbox{ and }}\quad \left[{n \atop n-3}\right]={n \choose 2}{n \choose 4}.}$

Relaciones similares que involucran a los números de Stirling se mantienen para los polinomios de Bernoulli . Muchas relaciones de los números de Stirling ensombrecen relaciones similares en los coeficientes binomiales . El estudio de estas "relaciones de sombra" se denomina cálculo umbral y culmina en la teoría de las secuencias de Sheffer . Las generalizaciones de los números de Stirling de ambos tipos a entradas arbitrarias de valores complejos pueden extenderse a través de las relaciones de estos triángulos con los polinomios de convolución de Stirling . ^[2]

Pruebas combinatorias

Estas identidades pueden derivarse enumerando permutaciones directamente. Por ejemplo, una permutación de n elementos con n  − 3 ciclos debe tener una de las siguientes formas:

• n  − 6 puntos fijos y tres de dos ciclos
• n  - 5 puntos fijos, uno de tres ciclos y otro de dos ciclos, o
• n  - 4 puntos fijos y cuatro ciclos.

Los tres tipos pueden enumerarse de la siguiente manera:

• elige los seis elementos que van en los dos ciclos, descompónlos en dos ciclos y ten en cuenta que el orden de los ciclos no es importante:

${\displaystyle {n \choose 6}{6 \choose 2,2,2}{\frac {1}{6}}}$

• elige los cinco elementos que van en el tres ciclo y el dos ciclo, elige los elementos del tres ciclo y toma en cuenta que tres elementos generan dos tres ciclos:

${\displaystyle {n \choose 5}{5 \choose 3}\times 2}$

• elija los cuatro elementos del cuatro ciclo y tenga en cuenta que cuatro elementos generan seis cuatro ciclos:

${\displaystyle {n \choose 4}\times 6.}$

Suma las tres contribuciones para obtener

${\displaystyle {n \choose 6}{6 \choose 2,2,2}{\frac {1}{6}}+{n \choose 5}{5 \choose 3}\times 2+{n \choose 4}\times 6={n \choose 2}{n \choose 4}.}$

Tenga en cuenta que todas las pruebas combinatorias anteriores utilizan binomios o multinomios de . ${\displaystyle n}$

Por lo tanto si es primo, entonces: ${\displaystyle p}$

${\displaystyle p\ |\left[{p \atop k}\right]}$para . ${\displaystyle 1<k<p}$

Ampliaciones para k fijo

Dado que los números de Stirling son los coeficientes de un polinomio con raíces 0, 1, ..., n − 1 , según las fórmulas de Vieta se tiene que

$${\displaystyle \left[{\begin{matrix}n\\n-k\end{matrix}}\right]=\sum _{0\leq i_{1}<\ldots <i_{k}<n}i_{1}i_{2}\cdots i_{k}.}$$

En otras palabras, los números de Stirling del primer tipo están dados por polinomios simétricos elementales evaluados en 0, 1, ..., n − 1 . ^[3] De esta forma, las identidades simples dadas anteriormente toman la forma

$${\displaystyle \left[{\begin{matrix}n\\n-1\end{matrix}}\right]=\sum _{i=0}^{n-1}i={\binom {n}{2}},}$$

$${\displaystyle \left[{\begin{matrix}n\\n-2\end{matrix}}\right]=\sum _{i=0}^{n-1}\sum _{j=0}^{i-1}ij={\frac {3n-1}{4}}{\binom {n}{3}},}$$

$${\displaystyle \left[{\begin{matrix}n\\n-3\end{matrix}}\right]=\sum _{i=0}^{n-1}\sum _{j=0}^{i-1}\sum _{k=0}^{j-1}ijk={\binom {n}{2}}{\binom {n}{4}},}$$

Se pueden producir formas alternativas para los números de Stirling del primer tipo con un enfoque similar precedido por alguna manipulación algebraica: desde

${\displaystyle (x+1)(x+2)\cdots (x+n-1)=(n-1)!\cdot (x+1)\left({\frac {x}{2}}+1\right)\cdots \left({\frac {x}{n-1}}+1\right),}$

De las fórmulas de Newton se deduce que los números de Stirling del primer tipo se pueden expandir en términos de números armónicos generalizados . Esto produce identidades como

${\displaystyle \left[{n \atop 2}\right]=(n-1)!\;H_{n-1},}$

${\displaystyle \left[{n \atop 3}\right]={\frac {1}{2}}(n-1)!\left[(H_{n-1})^{2}-H_{n-1}^{(2)}\right]}$

${\displaystyle \left[{n \atop 4}\right]={\frac {1}{3!}}(n-1)!\left[(H_{n-1})^{3}-3H_{n-1}H_{n-1}^{(2)}+2H_{n-1}^{(3)}\right],}$

donde H _n es el número armónico y H _n ^{( m )} es el número armónico generalizado ${\displaystyle H_{n}={\frac {1}{1}}+{\frac {1}{2}}+\ldots +{\frac {1}{n}}}$

$${\displaystyle H_{n}^{(m)}={\frac {1}{1^{m}}}+{\frac {1}{2^{m}}}+\ldots +{\frac {1}{n^{m}}}.}$$

Estas relaciones pueden generalizarse para dar

${\displaystyle {\frac {1}{(n-1)!}}\left[{\begin{matrix}n\\k+1\end{matrix}}\right]=\sum _{i_{1}=1}^{n-1}\sum _{i_{2}=i_{1}+1}^{n-1}\cdots \sum _{i_{k}=i_{k-1}+1}^{n-1}{\frac {1}{i_{1}i_{2}\cdots i_{k}}}={\frac {w(n,k)}{k!}}}$

donde w ( n , m ) se define recursivamente en términos de los números armónicos generalizados por

${\displaystyle w(n,m)=\delta _{m,0}+\sum _{k=0}^{m-1}(1-m)_{k}H_{n-1}^{(k+1)}w(n,m-1-k).}$

(Aquí δ es la función delta de Kronecker y es el símbolo de Pochhammer .) ^[4] ${\displaystyle (m)_{k}}$

Para fijos, estas expansiones de números armónicos ponderados son generadas por la función generadora ${\displaystyle n\geq 0}$

${\displaystyle {\frac {1}{n!}}\left[{\begin{matrix}n+1\\k\end{matrix}}\right]=[x^{k}]\exp \left(\sum _{m\geq 1}{\frac {(-1)^{m-1}H_{n}^{(m)}}{m}}x^{m}\right),}$

donde la notación significa la extracción del coeficiente de de la siguiente serie de potencias formales (consulte los polinomios de Bell no exponenciales y la sección 3 de ^[5] ). ${\displaystyle [x^{k}]}$ ${\displaystyle x^{k}}$

De manera más general, las sumas relacionadas con estas expansiones de números armónicos ponderados de los números de Stirling del primer tipo se pueden definir mediante transformadas en serie zeta generalizadas de funciones generadoras . ^{[6] [7]}

También se pueden "invertir" las relaciones de estos números de Stirling dadas en términos de números armónicos de orden para escribir los números armónicos generalizados de orden entero en términos de sumas ponderadas de términos que involucran los números de Stirling de la primera clase. Por ejemplo, cuando los números armónicos de segundo y tercer orden están dados por ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle k=2,3}$

${\displaystyle (n!)^{2}\cdot H_{n}^{(2)}=\left[{\begin{matrix}n+1\\2\end{matrix}}\right]^{2}-2\left[{\begin{matrix}n+1\\1\end{matrix}}\right]\left[{\begin{matrix}n+1\\3\end{matrix}}\right]}$

${\displaystyle (n!)^{3}\cdot H_{n}^{(3)}=\left[{\begin{matrix}n+1\\2\end{matrix}}\right]^{3}-3\left[{\begin{matrix}n+1\\1\end{matrix}}\right]\left[{\begin{matrix}n+1\\2\end{matrix}}\right]\left[{\begin{matrix}n+1\\3\end{matrix}}\right]+3\left[{\begin{matrix}n+1\\1\end{matrix}}\right]^{2}\left[{\begin{matrix}n+1\\4\end{matrix}}\right].}$

De manera más general, se puede invertir la función generadora del polinomio de Bell para los números de Stirling expandidos en términos de números armónicos de orden para obtener la de los números enteros. ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle m\geq 2}$

${\displaystyle H_{n}^{(m)}=-m\times [x^{m}]\log \left(1+\sum _{k\geq 1}\left[{\begin{matrix}n+1\\k+1\end{matrix}}\right]{\frac {(-x)^{k}}{n!}}\right).}$

sumas finitas

Dado que las permutaciones se dividen por número de ciclos, se tiene

${\displaystyle \sum _{k=0}^{n}\left[{n \atop k}\right]=n!}$

La identidad

${\displaystyle \sum _{p=k}^{n}{\left[{n \atop p}\right]{\binom {p}{k}}}=\left[{n+1 \atop k+1}\right]}$

se puede demostrar mediante las técnicas de la página Números de Stirling y funciones generadoras exponenciales .

La tabla de la sección 6.1 de Matemáticas Concretas proporciona una gran cantidad de formas generalizadas de sumas finitas que involucran los números de Stirling. Varias sumas finitas particulares relevantes para este artículo incluyen

${\displaystyle {\begin{aligned}\left[{n \atop m}\right]&=\sum _{k=m}^{n}\left[{n+1 \atop k+1}\right]{\binom {k}{m}}(-1)^{m-k}\\\left[{n+1 \atop m+1}\right]&=\sum _{k=m}^{n}\left[{k \atop m}\right]{\frac {n!}{k!}}\\\left[{m+n+1 \atop m}\right]&=\sum _{k=0}^{m}(n+k)\left[{n+k \atop k}\right]\\\left[{n \atop l+m}\right]{\binom {l+m}{l}}&=\sum _{k}\left[{k \atop l}\right]\left[{n-k \atop m}\right]{\binom {n}{k}}.\end{aligned}}}$

Además, si definimos los números eulerianos de segundo orden por la relación de recurrencia triangular ^[8]

${\displaystyle \left\langle \!\!\left\langle {n \atop k}\right\rangle \!\!\right\rangle =(k+1)\left\langle \!\!\left\langle {n-1 \atop k}\right\rangle \!\!\right\rangle +(2n-1-k)\left\langle \!\!\left\langle {n-1 \atop k-1}\right\rangle \!\!\right\rangle ,}$

llegamos a la siguiente identidad relacionada con la forma de los polinomios de convolución de Stirling que se pueden emplear para generalizar ambos triángulos numéricos de Stirling a valores arbitrarios reales o de valores complejos de la entrada : ${\displaystyle x}$

${\displaystyle \left[{x \atop x-n}\right]=\sum _{k=0}^{n}\left\langle \!\!\left\langle {n \atop k}\right\rangle \!\!\right\rangle {\binom {x+k}{2n}}.}$

Las expansiones particulares de la identidad anterior conducen a que las siguientes identidades expandan los números de Stirling del primer tipo para los primeros valores pequeños de : ${\displaystyle n:=1,2,3}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\left[{\begin{matrix}x\\x-1\end{matrix}}\right]&={\binom {x}{2}}\\\left[{\begin{matrix}x\\x-2\end{matrix}}\right]&={\binom {x}{4}}+2{\binom {x+1}{4}}\\\left[{\begin{matrix}x\\x-3\end{matrix}}\right]&={\binom {x}{6}}+8{\binom {x+1}{6}}+6{\binom {x+2}{6}}.\end{aligned}}}$

Las herramientas de software para trabajar con sumas finitas que involucran números de Stirling y números de Euler son proporcionadas por las utilidades del paquete RISC Stirling.m en Mathematica . Otros paquetes de software para adivinar fórmulas para secuencias (y sumas de secuencias polinómicas) que involucran números de Stirling y otros triángulos especiales están disponibles tanto para Mathematica como para Sage aquí y aquí, respectivamente. ^[9]

Congruencias

La siguiente identidad de congruencia se puede demostrar mediante un enfoque basado en funciones generadoras : ^[10]

${\displaystyle {\begin{aligned}\left[{\begin{matrix}n\\m\end{matrix}}\right]&\equiv {\binom {\lfloor n/2\rfloor }{m-\lceil n/2\rceil }}=[x^{m}]\left(x^{\lceil n/2\rceil }(x+1)^{\lfloor n/2\rfloor }\right)&&{\pmod {2}},\end{aligned}}}$

Resultados más recientes que proporcionan fracciones J de tipo Jacobi que generan la función factorial única y productos relacionados con factoriales generalizados conducen a otros nuevos resultados de congruencia para los números de Stirling del primer tipo. ^[11] Por ejemplo, trabajando en módulo podemos demostrar que ${\displaystyle 2}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\left[{\begin{matrix}n\\1\end{matrix}}\right]&\equiv {\frac {2^{n}}{4}}[n\geq 2]+[n=1]&&{\pmod {2}}\\\left[{\begin{matrix}n\\2\end{matrix}}\right]&\equiv {\frac {3\cdot 2^{n}}{16}}(n-1)[n\geq 3]+[n=2]&&{\pmod {2}}\\\left[{\begin{matrix}n\\3\end{matrix}}\right]&\equiv 2^{n-7}(9n-20)(n-1)[n\geq 4]+[n=3]&&{\pmod {2}}\\\left[{\begin{matrix}n\\4\end{matrix}}\right]&\equiv 2^{n-9}(3n-10)(3n-7)(n-1)[n\geq 5]+[n=4]&&{\pmod {2}}\end{aligned}}}$

¿Dónde está el soporte de Iverson ? ${\displaystyle [b]}$

y módulo de trabajo podemos probar de manera similar que ${\displaystyle 3}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\left[{\begin{matrix}n\\m\end{matrix}}\right]&\equiv [x^{m}](x^{\lceil n/3\rceil }(x+1)^{\lceil (n-1)/3\rceil }(x+2)^{\lfloor n/3\rfloor }&&{\pmod {3}}\\&\equiv \sum _{k=0}^{m}{\binom {\lceil (n-1)/3\rceil }{k}}{\binom {\lfloor n/3\rfloor }{m-k-\lfloor n/3\rfloor }}2^{\lceil n/3\rceil +\lfloor n/3\rfloor -m+k}&&{\pmod {3}}\end{aligned}}}$

De manera más general, para enteros fijos si definimos las raíces ordenadas ${\displaystyle h\geq 3}$

${\displaystyle \left(\omega _{h,i}\right)_{i=1}^{h-1}:=\left\{\omega _{j}:\sum _{i=0}^{h-1}{\binom {h-1}{i}}{\frac {h!}{(i+1)!}}(-\omega _{j})^{i}=0,\ 1\leq j<h\right\},}$

entonces podemos ampliar las congruencias para estos números de Stirling definidos como los coeficientes

${\displaystyle \left[{\begin{matrix}n\\m\end{matrix}}\right]=[R^{m}]R(R+1)\cdots (R+n-1),}$

de la siguiente forma donde las funciones, denotan polinomios fijos de grado en para cada uno , y : ${\displaystyle p_{h,i}^{[m]}(n)}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle i}$

${\displaystyle \left[{\begin{matrix}n\\m\end{matrix}}\right]=\left(\sum _{i=0}^{h-1}p_{h,i}^{[m]}(n)\times \omega _{h,i}^{n}\right)[n>m]+[n=m]\qquad {\pmod {h}},}$

La sección 6.2 de la referencia citada anteriormente proporciona expansiones más explícitas relacionadas con estas congruencias para los números armónicos de orden y para los productos factoriales generalizados . ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle p_{n}(\alpha ,R):=R(R+\alpha )\cdots (R+(n-1)\alpha )}$

Funciones generadoras

Se pueden derivar una variedad de identidades manipulando la función generadora (ver cambio de base ):

${\displaystyle H(z,u)=(1+z)^{u}=\sum _{n=0}^{\infty }{u \choose n}z^{n}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {z^{n}}{n!}}\sum _{k=0}^{n}s(n,k)u^{k}=\sum _{k=0}^{\infty }u^{k}\sum _{n=k}^{\infty }{\frac {z^{n}}{n!}}s(n,k).}$

Usando la igualdad

${\displaystyle (1+z)^{u}=e^{u\log(1+z)}=\sum _{k=0}^{\infty }(\log(1+z))^{k}{\frac {u^{k}}{k!}},}$

resulta que

${\displaystyle \sum _{n=k}^{\infty }s(n,k){\frac {z^{n}}{n!}}={\frac {(\log(1+z))^{k}}{k!}}}$

y

${\displaystyle \sum _{n=k}^{\infty }\left[{n \atop k}\right]{\frac {z^{n}}{n!}}={\frac {(-\log(1-z))^{k}}{k!}}.}$

(Esta identidad es válida para series de potencias formales , y la suma converge en el plano complejo para | z | < 1.) Otras identidades surgen al intercambiar el orden de la suma, tomar derivadas, hacer sustituciones por z o u , etc. Por ejemplo , podemos derivar: ^[12]

${\displaystyle {\frac {\log ^{m}(1+z)}{1+z}}=m!\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {s(k+1,m+1)\,z^{k}}{k!}},\qquad m=1,2,3,\ldots \quad |z|<1}$

o

${\displaystyle \sum _{n=i}^{\infty }{\frac {\left[{n \atop i}\right]}{n\,(n!)}}=\zeta (i+1),\qquad i=1,2,3,\ldots }$

y

${\displaystyle \sum _{n=i}^{\infty }{\frac {\left[{n \atop i}\right]}{n\,(v)_{n}}}=\zeta (i+1,v),\qquad i=1,2,3,\ldots \quad \Re (v)>0}$

donde y son la función zeta de Riemann y la función zeta de Hurwitz respectivamente, e incluso evaluar esta integral ${\displaystyle \zeta (k)}$ ${\displaystyle \zeta (k,v)}$

${\displaystyle \int _{0}^{1}{\frac {\log ^{z}(1-x)}{x^{k}}}\,dx={\frac {(-1)^{z}\Gamma (z+1)}{(k-1)!}}\sum _{r=1}^{k-1}s(k-1,r)\sum _{m=0}^{r}{\binom {r}{m}}(k-2)^{r-m}\zeta (z+1-m),\qquad \Re (z)>k-1,\quad k=3,4,5,\ldots }$

¿Dónde está la función gamma ? También existen expresiones más complicadas para las funciones zeta que involucran los números de Stirling. Uno, por ejemplo, tiene ${\displaystyle \Gamma (z)}$

${\displaystyle \zeta (s,v)={\frac {k!}{(s-k)_{k}}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {1}{(n+k)!}}\left[{n+k \atop n}\right]\sum _{l=0}^{n+k-1}\!(-1)^{l}{\binom {n+k-1}{l}}(l+v)^{k-s},\quad k=1,2,3,\ldots }$

Esta serie generaliza la serie de Hasse para la función zeta de Hurwitz (obtenemos la serie de Hasse estableciendo k =1). ^{[13] [14]}

Asintóticas

Se aplica la siguiente estimación dada en términos de la constante gamma de Euler : ^[15]

${\displaystyle \left[{\begin{matrix}n+1\\k+1\end{matrix}}\right]{\underset {n\to \infty }{\sim }}{\frac {n!}{k!}}\left(\gamma +\ln n\right)^{k},\ {\text{ uniformly for }}k=o(\ln n).}$

Para fijo tenemos la siguiente estimación: ${\displaystyle n}$

${\displaystyle \left[{\begin{matrix}n+k\\k\end{matrix}}\right]{\underset {k\to \infty }{\sim }}{\frac {k^{2n}}{2^{n}n!}}.}$

Fórmula explícita

Es bien sabido que no conocemos ninguna fórmula de suma única para los números de Stirling de primera especie. Se puede obtener una fórmula de dos sumas utilizando una de las fórmulas simétricas para los números de Stirling junto con la fórmula explícita para los números de Stirling del segundo tipo .

${\displaystyle \left[{n \atop k}\right]=\sum _{j=n}^{2n-k}{\binom {j-1}{k-1}}{\binom {2n-k}{j}}\sum _{m=0}^{j-n}{\frac {(-1)^{m+n-k}m^{j-k}}{m!(j-n-m)!}}}$

Como se analizó anteriormente, mediante las fórmulas de Vieta , se obtiene

$${\displaystyle \left[{\begin{matrix}n\\k\end{matrix}}\right]=\sum _{0\leq i_{1}<\ldots <i_{n-k}<n}i_{1}i_{2}\cdots i_{n-k}.}$$

s(n,np)^[16]

${\displaystyle {\begin{aligned}s(n,n-p)&={\frac {1}{(n-p-1)!}}\sum _{0\leq k_{1},\ldots ,k_{p}:\sum _{1}^{p}mk_{m}=p}(-1)^{K}{\frac {(n+K-1)!}{k_{1}!k_{2}!\cdots k_{p}!~2!^{k_{1}}3!^{k_{2}}\cdots (p+1)!^{k_{p}}}},\end{aligned}}}$

donde La suma es la suma de todas las particiones de p . ${\displaystyle K=k_{1}+\cdots +k_{p}.}$

Otra expansión de suma anidada exacta para estos números de Stirling se calcula mediante polinomios simétricos elementales correspondientes a los coeficientes en de un producto de la forma . En particular, vemos que ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle (1+c_{1}x)\cdots (1+c_{n-1}x)}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\left[{n \atop k+1}\right]&=[x^{k}](x+1)(x+2)\cdots (x+n-1)=(n-1)!\cdot [x^{k}](x+1)\left({\frac {x}{2}}+1\right)\cdots \left({\frac {x}{n-1}}+1\right)\\&=\sum _{1\leq i_{1}<\cdots <i_{k}<n}{\frac {(n-1)!}{i_{1}\cdots i_{k}}}.\end{aligned}}}$

Las identidades de Newton combinadas con las expansiones anteriores pueden usarse para dar una prueba alternativa de las expansiones ponderadas que involucran los números armónicos generalizados ya mencionados anteriormente.

Relaciones con la función logaritmo natural

La n- ésima derivada de la μ -ésima potencia del logaritmo natural involucra los números de Stirling con signo de la primera clase:

${\displaystyle {\operatorname {d} ^{n}\!(\ln x)^{\mu } \over \operatorname {d} \!x^{n}}=x^{-n}\sum _{k=1}^{n}\mu ^{\underline {k}}s(n,n-k+1)(\ln x)^{\mu -k},}$

donde es el factorial descendente y es el número de Stirling con signo. ${\displaystyle \mu ^{\underline {i}}}$ ${\displaystyle s(n,n-k+1)}$

Se puede demostrar mediante inducción matemática .

Otras fórmulas

Los números de Stirling del primer tipo aparecen en la fórmula de los coeficientes de Gregory y en una identidad de suma finita que involucra el número de Bell ^[17]

${\displaystyle n!G_{n}=\sum _{l=0}^{n}{\frac {s(n,l)}{l+1}}}$

${\displaystyle \sum _{j=0}^{n}{\binom {n}{j}}B_{j}k^{n-j}=\sum _{i=0}^{k}\left[{k \atop i}\right]B_{n+i}(-1)^{k-i}}$

Las series infinitas que involucran sumas finitas con los números de Stirling a menudo conducen a funciones especiales. Por ejemplo ^{[12] [18]}

${\displaystyle \ln \Gamma (z)=\left(z-{\frac {1}{2}}\right)\!\ln z-z+{\frac {1}{2}}\ln 2\pi +{\frac {1}{\pi }}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n\cdot n!}}\!\sum _{l=0}^{\lfloor n/2\rfloor }\!{\frac {(-1)^{l}(2l)!}{(2\pi z)^{2l+1}}}\left[{n \atop 2l+1}\right]}$

y

${\displaystyle \Psi (z)=\ln z-{\frac {1}{2z}}-{\frac {1}{\pi z}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n\cdot n!}}\!\sum _{l=0}^{\lfloor n/2\rfloor }\!{\frac {(-1)^{l}(2l+1)!}{(2\pi z)^{2l+1}}}\left[{n \atop 2l+1}\right]}$

o incluso

${\displaystyle \gamma _{m}={\frac {1}{2}}\delta _{m,0}+{\frac {(-1)^{m}m!}{\pi }}\!\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n\cdot n!}}\!\sum _{k=0}^{\lfloor n/2\rfloor }{\frac {(-1)^{k}}{(2\pi )^{2k+1}}}\left[{2k+2 \atop m+1}\right]\left[{n \atop 2k+1}\right]\,}$

donde γm son las constantes de Stieltjes _y δm , ₀ representa la función delta de _Kronecker .

Observe que esta última identidad implica inmediatamente relaciones entre las funciones polilogarítmicas , las funciones generadoras exponenciales del número de Stirling dadas anteriormente y las series de potencias basadas en el número de Stirling para las funciones polilogarítmicas generalizadas de Nielsen.

Generalizaciones

Hay muchas nociones de números de Stirling generalizados que pueden definirse (según la aplicación) en varios contextos combinatorios diferentes. En la medida en que los números de Stirling del primer tipo corresponden a los coeficientes de las distintas expansiones polinómicas de la función factorial única , podemos ampliar esta noción para definir relaciones de recurrencia triangular para clases de productos más generales. ${\displaystyle n!=n(n-1)(n-2)\cdots 2\cdot 1}$

En particular, para cualquier función aritmética fija y parámetros simbólicos , productos factoriales generalizados relacionados de la forma ${\displaystyle f:\mathbb {N} \rightarrow \mathbb {C} }$ ${\displaystyle x,t}$

${\displaystyle (x)_{n,f,t}:=\prod _{k=1}^{n-1}\left(x+{\frac {f(k)}{t^{k}}}\right)}$

puede estudiarse desde el punto de vista de las clases de números de Stirling generalizados del primer tipo definidos por los siguientes coeficientes de las potencias de en las expansiones de y luego por la siguiente relación de recurrencia triangular correspondiente: ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle (x)_{n,f,t}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\left[{\begin{matrix}n\\k\end{matrix}}\right]_{f,t}&=[x^{k-1}](x)_{n,f,t}\\&=f(n-1)t^{1-n}\left[{\begin{matrix}n-1\\k\end{matrix}}\right]_{f,t}+\left[{\begin{matrix}n-1\\k-1\end{matrix}}\right]_{f,t}+\delta _{n,0}\delta _{k,0}.\end{aligned}}}$

Estos coeficientes satisfacen una serie de propiedades análogas a las de los números de Stirling del primer tipo, así como relaciones de recurrencia y ecuaciones funcionales relacionadas con los números f-armónicos . ^[19] ${\displaystyle F_{n}^{(r)}(t):=\sum _{k\leq n}t^{k}/f(k)^{r}}$

Un caso especial de estos coeficientes entre corchetes correspondientes a nos permite expandir las funciones factoriales múltiples o multifactoriales como polinomios en (ver generalizaciones del factorial doble ). ^[20] ${\displaystyle t\equiv 1}$ ${\displaystyle n}$

Los números de Stirling de ambos tipos, los coeficientes binomiales y los números eulerianos de primer y segundo orden están definidos por casos especiales de una superrecurrencia triangular de la forma

${\displaystyle \left|{\begin{matrix}n\\k\end{matrix}}\right|=(\alpha n+\beta k+\gamma )\left|{\begin{matrix}n-1\\k\end{matrix}}\right|+(\alpha ^{\prime }n+\beta ^{\prime }k+\gamma ^{\prime })\left|{\begin{matrix}n-1\\k-1\end{matrix}}\right|+\delta _{n,0}\delta _{k,0},}$

para números enteros y donde cuando o . En este sentido, la forma de los números de Stirling del primer tipo también puede generalizarse mediante esta superrecurrencia parametrizada para escalares fijos (no todos cero). ${\displaystyle n,k\geq 0}$ ${\displaystyle \left|{\begin{matrix}n\\k\end{matrix}}\right|\equiv 0}$ ${\displaystyle n<0}$ ${\displaystyle k<0}$ ${\displaystyle \alpha ,\beta ,\gamma ,\alpha ^{\prime },\beta ^{\prime },\gamma ^{\prime }}$

Ver también

• números de Stirling
• Números de Stirling de segunda especie.
• polinomios de Stirling
• Estadísticas de permutación aleatoria

Referencias

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8. Matemáticas concretas se encuentra una tabla de los números eulerianos de segundo orden y una sinopsis de sus propiedades . Por ejemplo, tenemos eso . Estos números también tienen la siguiente interpretación combinatoria: si formamos todas las permutaciones del multiconjunto con la propiedad de que todos los números entre las dos apariciones de son mayores que for , entonces es el número de dichas permutaciones que tienen ascensos. ${\displaystyle \sum _{k}\left\langle \!\!\left\langle {n \atop k}\right\rangle \!\!\right\rangle =(2n-1)(2n-3)\cdots 1=(2n-1)!!}$ ${\displaystyle \{1,1,2,2,\ldots ,n,n\}}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle 1\leq k\leq n}$ ${\displaystyle \left\langle \!\!\left\langle {n \atop k}\right\rangle \!\!\right\rangle }$ ${\displaystyle k}$
9. Schmidt, Doctor en Medicina (2016). "Un paquete de álgebra informática para el reconocimiento de secuencias polinómicas". arXiv : 1609.07301 [matemáticas.CO].
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14. Véase también algunas representaciones y ampliaciones de series más interesantes mencionadas en el artículo de Connon: Connon, DF (2007). "Algunas series e integrales que involucran la función zeta de Riemann, coeficientes binomiales y los números armónicos (Volumen I)". arXiv : 0710.4022 [matemáticas HO]..
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20. Schmidt, Maxie D. (2010). "Funciones, polinomios y aplicaciones factoriales j generalizadas". J. Sec . entera . 13 .

• El arte de la programación informática
• Matemáticas Concretas
• M. Abramowitz, I. Stegun, ed. (1972). "§24.1.3. Números de Stirling del primer tipo". Manual de funciones matemáticas con fórmulas, gráficas y tablas matemáticas (9ª ed.). Nueva York: Dover. pag. 824.
• Números de Stirling de primera especie, s(n,k) en PlanetMath .
• Sloane, NJA (ed.). "Secuencia A008275 (Triángulo leído por filas de números Stirling de primer tipo)". La enciclopedia en línea de secuencias enteras . Fundación OEIS.