Faktorial je funkce definovaná na množině nezáporných celých čísel . Název pochází z lat. factorialis - působící, produkující, množící se; označované , vyslovované jako faktoriál . Faktoriál přirozeného čísla je definován jako součin všech přirozených čísel od 1 do včetně:
.Například,
.Neboť se bere jako dohoda, že
.n | n ! |
---|---|
0 | jeden |
jeden | jeden |
2 | 2 |
3 | 6 |
čtyři | 24 |
5 | 120 |
6 | 720 |
7 | 5040 _ |
osm | 40 320 |
9 | 362 880 |
deset | 3 628 800 |
jedenáct | 39 916 800 |
12 | 479 001 600 |
13 | 6 227 020 800 [1] |
čtrnáct | 87 178 291 200 [2] |
patnáct | 1 307 674 368 000 [ 3 ] _ _ |
16 | 20 922 789 888 000 [ 4 ] _ _ |
17 | 355 687 428 096 000 [5] |
osmnáct | 6 402 373 705 728 000 [6] |
19 | 121 645 100 408 832 000 [7] |
dvacet | 2 432 902 008 176 640 000 [8] |
25 | 15 511 210 043 330 985 984 000 000 [9] |
padesáti | 30 414 093 201 713 378 043 612 608 166 064 768 844 377 641 568 960 512 000 000 000 000 [10] |
70 | 11 978 571
669 969 891 796 072 783 721 689 098 736 458 938 142 546 [11] |
100 | ≈ 9,332621544⋅10 157 |
450 | ≈ 1,733368733⋅10 1000 |
1000 | ≈ 4,023872601⋅10 2567 |
3 249 | ≈ 6,412337688⋅10 10000 |
10 000 _ | ≈ 2,846259681⋅10 35659 |
25 206 | ≈ 1,205703438⋅10 100 000 |
100 000 _ | ≈ 2,824229408⋅10 456573 |
205 023 | ≈ 2,503898932⋅10 1000004 |
1 000 000 _ _ | ≈ 8,263931688⋅10 5565708 |
10 100 | ≈10 9,956570552⋅10 101
|
10 1000 | ≈10 10 1003 |
10 10 000 | ≈10 10 10 004 |
10 100 000 | ≈10 10 100 005 |
10 10 100 | ≈10 10 10 100 |
Faktoriál se aktivně používá v různých odvětvích matematiky: kombinatorika , matematická analýza , teorie čísel , funkcionální analýza atd.
Faktorial je extrémně rychle rostoucí funkce. Roste rychleji než jakákoli exponenciální funkce nebo jakákoli mocninná funkce a také rychleji než jakýkoli součet součinů těchto funkcí. Exponenciální funkce však roste rychleji než faktoriál, stejně jako většina dvojitých exponentů, jako je .
Faktoriál může být dán následujícím rekurzivním vzorcem :
V kombinatorice je faktoriál přirozeného čísla n interpretován jako počet permutací (uspořádání) množiny n prvků .
Například pro množinu { A , B , C , D } 4 prvků jsou 4! = 24 permutací:
ABCD BACD CABD DABC ABDC BADC CADB DACB ACBD BCAD CBAD DBAC ACDB BCDA CBDA DBCA ADBC BDAC CDAB DCAB ADCB BDCA CDBA DCBAKombinatorická interpretace faktoriálu potvrzuje účelnost dohody - počet permutací prázdné množiny je roven jedné. Navíc vzorec pro počet umístění prvků podle
když se změní na vzorec pro počet permutací prvků (řádu ), který se rovná .
Faktoriál souvisí s gama funkcí celočíselného argumentu vztahem
.Stejný výraz se používá ke zobecnění pojmu faktoriál na množinu reálných čísel . Pomocí analytického pokračování funkce gama je definiční obor faktoriálu také rozšířen na celou komplexní rovinu , s výjimkou singulárních bodů v .
Přímým zobecněním faktoriálu na množiny reálných a komplexních čísel je funkce pí , kterou lze definovat jako
(integrální definice).Funkce pi přirozeného čísla nebo nuly se shoduje s jeho faktoriálem: . Stejně jako faktoriál splňuje funkce pi rekurenci recidivy .
Stirlingův vzorec je asymptotický vzorec pro výpočet faktoriálu:
V mnoha případech stačí pro přibližný výpočet faktoriálu uvažovat pouze hlavní člen Stirlingova vzorce:
Přitom lze tvrdit, že
Stirlingův vzorec umožňuje získat přibližné hodnoty faktoriálů velkých čísel bez přímého násobení posloupnosti přirozených čísel. Například pomocí Stirlingova vzorce je snadné to vypočítat
Každé prvočíslo p vstupuje do rozvoje n ! o prvočinitele na mocninu definovanou následujícím vzorcem:
Takto,
kde součin přebírá všechna prvočísla. Je vidět, že pro každé prvočíslo p větší než n je odpovídající faktor v součinu 1; proto lze součin převzít pouze prvočísla p nepřesahující n .
Pro nezáporné celé číslo n :
Například:
Faktorové výrazy se objevily v raném výzkumu kombinatoriky , ačkoli francouzský matematik Christian Kramp navrhl kompaktní zápis až v roce 1808 [13] . Důležitým mezníkem byl objev Stirlingova vzorce , který James Stirling publikoval ve svém pojednání The Differential Method ( lat. Methodus Differentis , 1730). O něco dříve téměř stejný vzorec publikoval Stirlingův přítel Abraham de Moivre , ale v méně úplné podobě (místo koeficientu zde byla neurčitá konstanta) [14] .
Stirling podrobně studoval vlastnosti faktoriálu, až po objasnění otázky, zda je možné rozšířit tento koncept na libovolná reálná čísla. Popsal několik možných způsobů, jak tuto myšlenku realizovat, a domníval se, že:
Stirling nevěděl, že Leonhard Euler již našel řešení problému o rok dříve . V dopise Christianu Goldbachovi popsal Euler požadované zobecnění [15] :
Při rozvíjení této myšlenky Euler příští rok, 1730, představil koncept funkce gama ve formě klasického integrálu. Tyto výsledky publikoval v časopise Petrohradské akademie věd v letech 1729-1730.
Dvojitý faktoriál čísla n se označuje n ‼ a je definován jako součin všech přirozených čísel v segmentu [1, n ], která mají stejnou paritu jako n .
Vztah mezi dvojitými faktoriály dvou sousedních nezáporných celých čísel a obyčejným faktoriálem jednoho z nich.
Odvozování vzorcůOdvození vzorce: |
Odvození vzorce: Je tedy možné ukázat vztah mezi dvojitými faktoriály dvou sousedních nezáporných celých čísel prostřednictvím obvyklého faktoriálu jednoho z nich. Dále pokračujeme v odvozování vzorce pro dvojitý faktoriál lichého n . Vraťme se o krok zpět (před explicitním výskytem ( n -1)!! ) a proveďte několik identických algebraických transformací na jmenovateli: Výsledný výraz za jmenovatele dosadíme zpět do vzorce pro : |
Příklad ilustrující odvození vzorce použitého výše:
Po substituci za sudé n a za liché n , kde je nezáporné celé číslo, dostaneme:
Po dohodě : Také tato rovnost přirozeně platí:
Dvojitý faktoriál, stejně jako běžný faktoriál, je definován pouze pro nezáporná celá čísla.
Posloupnost hodnot n !! začíná takto [16] :
1, 1, 2, 3, 8, 15, 48, 105, 384, 945, 3840, 10395, 46080, 135135, 645120, 2027025, 10321920, 34459425, 185794560, 654 729 075, 3 715 891 200, 13 749 310 575, 81 749 606 400, 316 234 143 225, 1 961 990 553 600, 7 905 853 580 625, 51 011 753.M -násobný faktoriálčísla n je označena definován následovně. Nechť číslo n je reprezentováno jakokdePak [17]
Obyčejný a dvojitý faktoriál jsou speciální případy m - násobného faktoriálu pro m = 1 a m = 2 .
Vícenásobný faktoriál souvisí s funkcí gama následujícím vztahem [18] :
Je také možné psát násobný faktoriál ve zkrácené formě .
Klesající faktoriál je výraz
.Například:
n = 7; k = 4 ( n − k ) + 1 = 4, nk = 7 • 6 • 5 • 4 = 840.Klesající faktoriál udává počet umístění od n do k .
Zvýšení faktoriáluRostoucí faktoriál je výraz
Prvočíslo nebo primorial ( eng. primorial ) čísla n se značí p n # a je definováno jako součin prvních n prvočísel. Například,
.Někdy je primorial číslo definované jako součin všech prvočísel nepřesahujících dané n .
Posloupnost primorial (včetně ) začíná takto [19] :
1 , 2 , 6 , 30 , 210 , 2310 , 30 030, 510 510, 9 699 690, 223 092 870, 6 469 693 230, 200 560 490 130, 7 420 738 134 810, 304 250 263 527 210, 13 082 761 331 670 030, 614 889 782 588 491 400, 32 589 158 477 190 046 000, 1 922 760 350 154 212 080 …Součin několika prvních Fibonacciho čísel. Napsáno n ! F. _
Například: 6! F = .
Neil Sloane a Simon Plouffet v roce 1995 definovali superfaktoriál jako součin prvních n faktoriálů. Podle této definice se superfaktoriál čtyř rovná
(jelikož není zavedené označení, používá se funkční).
Celkově vzato
Posloupnost superfaktoriálů čísel začíná takto [20] :
1, 1, 2, 12, 288, 34 560, 24 883 200, 125 411 328 000, 5 056 584 744 960 000, 1 834 933 472 251 084 800 000, 6 658 606 584 104 737 000 000 000 000, 265, 265 , 265 790 267 296 391 960 000 000 000 000 000 000Myšlenku zobecnil v roce 2000 Henry Bottomley , což vedlo k hyperfaktoriálům ( eng. Hyperfactorial ), které jsou produktem prvních n superfaktoriálů. Posloupnost hyperfaktoriálů čísel začíná takto [21] :
1, 1, 2, 24, 6912, 238 878 720, 5 944 066 965 504 000, 745 453 331 864 786 800 000 000, 3 769 447 945 987 085 600 000 000 000 000 000 000 000 000 000, 6 916 686 207 999 801 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000, …Pokračujeme -li opakovaně , lze definovat víceúrovňový faktoriál nebo m -úrovňový faktoriál n jako součin ( m − 1)-úrovňových faktoriálů čísel 1 až n , tj.
kde pro a
Subfaktoriální ! n je definováno jako počet permutací řádu n , tj. permutací n - prvkové množiny bez pevných bodů .
Matematické znaky | |
---|---|
| |