Coeficient binomial

În matematică , coeficienții binomiali , definiți pentru orice număr natural n și orice număr natural k mai mic sau egal cu n , dau numărul de părți ale k elemente dintr-un set de n elemente. Le denotăm (citiți „  k printre n  ”) sau Ck
n
(citiți „numărul de combinații de k între n  ”).

Cele două notații sunt recomandate de standardul ISO / CEI 80000-2 : 2009: prima este cea a „coeficientului binomial” (2-10.4) și a doua cea a „numărului de combinații fără repetare” (2-10.6) .

Această cantitate se exprimă utilizând funcția factorială  :

.

Coeficienții binomiali sunt implicați în multe domenii ale matematicii: dezvoltarea binomială în algebră , enumerare , extinderea seriilor , legile probabilității etc.

Ele pot fi generalizate, în anumite condiții, la numere complexe.

Stabilirea formulei

Expresia numărului de părți cu k elemente, adică a numărului de k- combinații dintr-un set cu n elemente, este determinată prin calcularea în două moduri diferite a numărului de k- aranjamente din acest set, pentru a cunoaște

Compararea celor două calcule dă expresia algebrică a lui , pentru k variind de la 0 la n  :

în special, (într-un set cu n elemente, există exact o parte cu 0 elemente: setul gol ) și la fel ,.

Dacă k este strict negativ sau strict mai mare decât n , coeficientul binomial este zero.

Exemplu  : într-un set de 4 elemente { a , b , c , d }, există părți din două elemente și anume: { a , b }, { a , c }, { a , d }, { b , c } , { b , d }, { c , d }.

Proprietatea recursivă a coeficienților binomiali ai numerelor întregi

O relație importantă, formula lui Pascal, leagă coeficienții binomiali: pentru orice pereche ( n , k ) de numere naturale,

O demonstrăm clasic printr-un raționament combinatoriu elementar, dar putem folosi și forma factorială.

Dă naștere triunghiului Pascal care permite un calcul rapid al coeficienților pentru valori mici de n  :

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: 21 35 35 21
8: 28 56 70 56 28

Coeficienții pentru 0 ≤ kn apar în al n- lea rând. Triunghiul este construit plasând 1 la capetele fiecărui rând și completând rândul trasând suma celor două numere adiacente din rândul de sus. k este citit de la stânga la dreapta pe a n- a linie începând de la 0 la n .

Folosirea coeficienților binomiali

Dezvoltarea perechii lui Newton

Aceste numere sunt coeficienții care apar prin extinderea nth puterea de x + y  :

De exemplu, uitându-ne la a cincea linie a triunghiului lui Pascal, primim imediat că:

.

Derivată a ordinii n a unui produs de funcții

Fie n un număr întreg mai mare sau egal cu 1 și f și g două funcții de n ori diferențiate la un punct x , atunci produsul lor fg este, de asemenea, de n ori diferențiat la punctul x , iar derivata ordinii n este dată de formula lui Leibniz  :

De exemplu,

Combinatorie și statistici

Coeficienții binomiali sunt importanți în combinatorică , deoarece furnizează formule utilizate în problemele comune de numărare  :

Nu există alte posibilități, deoarece ordinea nu contează („diamante - pică” este echivalent cu „pică - diamante”).

Divizori binomiali și coeficienți

Demonstrație

Pentru 0 < k < n , de la

deducem că:

deoarece k nu se împarte

deoarece k , împărțind n , nu împarte niciunul dintre k - 1 numere întregi care o preced.

Dacă p este un număr prim și p r este cea mai mare putere a lui p care împarte , atunci r este egal cu numărul de numere întregi naturale j astfel încât partea fracționată a lui kp j este mai mare decât partea fracționată a lui np j . Este numărul de report în adunarea lui k și n - k , când aceste două numere sunt scrise în baza p .

În special, este întotdeauna divizibil cu (mcd înseamnă cel mai mare divizor comun ).

Regula face posibilă determinarea care sunt uniforme. Este suficient ca acest lucru să ia p = 2 și r ≥ 1 . Scăderea lui n cu k necesită, prin urmare, cel puțin un report în binar . Aceasta înseamnă că, în expansiunea binară a lui n , există cel puțin un 0 situat la același rang ca un 1 în expansiunea binară a lui k .

În schimb, este ciudat dacă, de fiecare dată când k are un 1 în expansiunea sa binară, este același pentru n la același rang. Spunem că k implică n . De exemplu, dacă n este de forma 2 p - 1 , toate cifrele sale binare sunt 1 și toate vor fi impare. Dacă n = 2 p , atunci n are un singur 1 în expansiunea sa binară și numai și sunt impare, toate celelalte sunt pare.

Generalizări

În primul rând, așa cum s-a spus mai sus, interpretarea combinatorie duce la starea convențională pentru n < k (deoarece nu există subseturi cu k elemente ale unui set cu n elemente dacă n < k ) și, de asemenea, pentru k <0 .

Scrierea , pentru orice număr întreg n și orice număr întreg k între 1 și n , în formă permite să se ia în considerare o posibilă extensie și pentru întregul număr negativ n și pentru întregul întreg strict pozitiv k folosind următoarea expresie:

Dacă stabilim n = - m , avem următoarea relație:

Această formă a coeficienților binomiali este utilizată atât în formula binomului negativ , cât și în definiția legii binomului negativ.

Pentru orice număr complex z și orice număr natural k , definim coeficientul binomial după cum urmează:

unde este simbolul Pochhammer pentru factorii descendenți (în special ).

Această formă a coeficienților binomiali este utilizată în formula binomială generalizată .

Pentru orice număr întreg k , expresia este un polinom în z de grad k cu coeficienți raționali . Orice polinom p ( z ) de grad d poate fi scris reciproc în formă

 ;

acest lucru duce, de exemplu, la formulele lui Faulhaber .

O altă generalizare importantă a coeficienților binomiali pornește de la formula multinomială , care permite definirea coeficienților multinomiali .

În cele din urmă, calculul poate fi generalizat, utilizând funcția gamma . Rețineți că, pentru orice număr natural n , n ! = Γ ( n +1) , astfel, avem, pentru tot întregul n și pentru tot întregul k mai mic sau egal cu n ,

Deoarece funcția Γ este definită pentru orice complex de , putem generaliza coeficientul binomial la toate complexele s și t diferite de numerele întregi negative și astfel încât s - t să nu fie un număr întreg negativ, prin formula:

;

Această formulă poate fi, de asemenea, scrisă mai simplu folosind funcția beta  :

;

Putem încerca să unificăm definițiile cu funcția gamma, rezolvând problema polului acestei funcții mergând la limită:

Ordinea limitelor este importantă. Această definiție dă o valoare infinită coeficientului binomial în cazul în care s este un întreg negativ și t nu este un întreg (ceea ce nu este în contradicție cu definiția anterioară, deoarece nu a luat în considerare acest caz).

Rezumatul generalizărilor
Generalizare Câmp de definiție Definiție Notări și observații

denotă funcția gamma.

Formule care implică coeficienți binomiali

Presupunem că k , n sunt numere întregi; complexe x , y , z , z ′ .

Sa nu uiti asta:

(Formula lui Pascal ) ( Formula binomială a lui Newton )

Următoarele formule pot fi utile:

și mai general (uneori numită formula „pion”).

Înlocuind în (3) x = y = 1 , obținem

 ;

Numeroase formule analoge pot fi obținute în acest fel; de exemplu, cu x = 1 și y = −1 , obținem

dacă n > 0  ;

cu x = 1 și y = i (deci y 2 = −1 ), obținem

.

În identitatea (3), prin înlocuirea x cu 1 și luând derivata în 1 față de y , vine

Prin extinderea ( x + y ) n ( x + y ) m = ( x + y ) m + n cu (3), obținem identitatea Vandermonde  :

și mai general

Din expansiunea (8), înlocuind m și r cu n și folosind (4), obținem

.

Prin extinderea ( x + y ) 2 n ( x - y ) 2 n = ( x 2 - y 2 ) 2 n și observarea coeficientului în fața lui x 2 n y 2 n , obținem

.

Avem

,

unde F n +1 reprezintă termenul n + 1 al secvenței Fibonacci . Această formulă pe diagonalele triunghiului lui Pascal poate fi dovedită printr-o inducție pe n folosind (2).

Pentru toate numerele naturale m , n și r ≥ m + n ,

Acest analog al identității lui Vandermonde (8) poate fi demonstrat în același mod, din formula binomului negativ . Un caz special este (pentru toate numerele întregi r ≥ n ≥ 0 ):

.

Supraveghere și aproximări

Următorul cadru implică numărul Neper și este valabil pentru orice valoare a lui k și n  :

Diferența dintre cele două limite crește exponențial, motiv pentru care poate fi preferabil să se utilizeze un echivalent asimptotic atunci când cunoaștem comportamentul lui k față de cel al lui n . Datorită formulei lui Stirling , când n și k tind spre infinit avem:

Dar, pentru a fi mai precis, este necesar să se particularizeze cu diferite regimuri asimptotice . În cazurile de mai jos, este funcția de entropie binară .

Note și referințe

(fr) Acest articol este preluat parțial sau în totalitate din articolul Wikipedia din limba engleză intitulat „  Binomial coefficient  ” ( vezi lista autorilor ) .
  1. ISO 80000-2: 2009, Cantități și unități - Partea 2: matematică, prima ediție a 1 st decembrie 2009 , Capitolul 10: combinatorică
  2. Pentru mai multe detalii, consultați capitolul „Combinații fără repetare” de pe Wikiversitate .
  3. Inclusiv pentru autobuz . A se vedea de exemplu F. Benoist, B. Rivet, S. Maffre, L. Dorat și B. Touzillier, Mathematics ECS 1 re year , Dunod , 2011( citiți online ) , p.  9.
  4. A se vedea, de exemplu, acest exercițiu corectat al lecției „Convocații” de pe Wikiversitate .
  5. Vezi de exemplu Benoist și colab. 2011 , p.  9, sau capitolul „Formula binomială” a lecției „Convocări” de pe Wikiversitate .
  6. (de) EE Kummer , „  Über die Ergänzungssätze zu den allgemeinen Reciprocitätsgesentzen  ” , J. Reine Angew. Matematica. , vol.  44,1852, p.  93-146 ( citește online ).
  7. (în) Donald E. Knuth , The Art of Computer Programming , Vol.  1: Algoritmi fundamentali ( citiți online ), § 1.2.6, ex. 11.
  8. (în) John D. Cook, „  coeficienți binomiali  ” .
  9. Aceste definiții sunt compatibile atunci când domeniile de definiție se intersectează.
  10. René Adad, „  Principalele proprietăți ale coeficienților binomiali  ” (accesat la 14 ianuarie 2020 )
  11. Vezi de exemplu acest exercițiu corectat din lecția despre generarea de serii pe Wikiversitate .
  12. Vezi în: Identitatea bastonului de hochei .
  13. (en) Shagnik Das, „  O scurtă notă despre estimările coeficienților binomiali  ” (accesat la 23 aprilie 2020 )
  14. (în) Neven ELOZOVIC, „  Expansiuni asimptotice ale Gamma și funcții conexe, coeficienți binomiali, inegalități și grupări de mijloace  ” [„expansiune asimptotică a funcției gamma și funcții asociate ale coeficienților binomiali, inegalitate și medie”] Jurnal de inegalități matematice , vol. .  9,2015, p.  1024 ( citește online )

Vezi și tu

Articole similare

Bibliografie

Link extern

Gérard Eguether, „  Coeficienți binomiali  ”

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">