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Visualizar el factorial

A menudo en matemáticas básicas, podemos visualizar las cosas muy fácilmente, que creo que ayuda a la comprensión (en lugar de simplemente trabajar un número teórico de la prueba). Por ejemplo: $$(n+1)^2 - n^2 = (n+1) +n$$

puede ser visualizado por las plazas. Quitar un cuadrado con lados de $n$ de un cuadrado con lados de $n+1$ sale de la fila superior ($n+1$) y el derecho de la fila sin la parte superior ($n$) (hecho aquí con los diamantes y las balas para $n = 4$).

$$ \diamante \diamante \diamante \diamante \diamante \\ \bullet \bullet \bullet \bullet \diamante \\ \bullet \bullet \bullet \bullet \diamante \\ \bullet \bullet \bullet \bullet \diamante \\ \bullet \bullet \bullet \bullet \diamond $$

Otro ejemplo está demostrando que $$\sum_{i = 1}^n 2\cdot i = n^2 + n$$ que se puede hacer de la siguiente manera (para $n = 4$):

$$ \diamante \diamante \diamante \diamante \\ \diamante \diamante \diamante \bullet \\ \diamante \diamante \bullet \bullet \\ \diamante \bullet \bullet \bullet \\ \bullet \bullet \bullet \bullet $$

Aquí podemos ver dos triángulos, uno con diamantes con longitudes de hilera a partir de $1$ $n$ y el uno con balas van desde $1$ $n$, lo que representa la suma. También vemos un $(n+1) \times n$ rectángulo, que representa el lado derecho. Esto demuestra el teorema.

Yo estaba trabajando a través del mismo número básico de la teoría de las pruebas y la inducción de la prueba porque me gusta visualizar estos. Es bastante fácil visuale $n^$ como $una$-dimensional del cubo con lados de $n$. El problema es que me tienen a menudo dificultad para visualizar el factorial: $n!$

¿Alguien sabe de una buena manera de visualizar el factorial?

La mejor que se me ocurrió es la siguiente:

Ver $2!$ como sólo dos puntos $\bullet \bullet$.

Ver $3!$ como un triángulo con los lados hechos con $2!$, por ejemplo, $$ \cdot \\ \bullet \quad \bullet \\ \bullet \quad \quad \bullet \\ \cdot \espacio espacio \\bullet \bullet \espacio espacio \\cdot $$

Ahora ver $n!$ como $n$-gon con los lados hechos de la $(n-1)$-gon. (Por lo que $4!$ sería un cuadrado con una de 3$!$ -triángulo en sus lados.)

Esta visualización no es muy fácil trabajar con él cuando desee visualizar las pruebas. Hay mejores formas de visualizar $n!$?

EDIT: que debo hacer énfasis en que me gustaría visualizar $n!$ el uso de puntos o de líneas más o menos, no tanto con los conceptos ( esto es definitivamente más fácil de entender el factorial utilizando permutaciones, así como es más fácil de probar algunas de las declaraciones usando álgebra, sin embargo, el punto es que estoy tratando de probar estas cosas usando estas muy concreto y real visualizaciones.)

37voto

Frangello Puntos 21

Un camino es el número total de hojas de un (solo) el árbol de raíces, en la que cada hoja es mínimamente ligado a la raíz de exactamente $n-1$ bordes, y que tiene la siguiente propiedad: la raíz tiene $2$ niños, cada niño de la raíz tiene $3$ niños, cada niño de cada hijo de la raíz tiene $4$ a los niños, y así sucesivamente hasta que las hojas se alcanzan. Un plazo natural de esto es factorial árbol, pero no sé si esta frase no es de uso general para este concepto.

Por ejemplo, para $n = 4$: For $n = 4$

5voto

Barney Puntos 1

A mi modo de ver $n!$ es un híbrido de avid19 s y Dave L. Renfro visualizaciones: me imagino $n$ a la gente haciendo cola, uno por uno. Creo que realmente ayuda a imaginar a las personas o los animales o frutas o algo, en vez de aburrido símbolos: esa es la manera que se hace en Quemaduras y Weston Matemáticas Para Smarty Pants, y parece que han hecho una impresión en mí. Mi teclado no tiene los frutos en que, por desgracia, así que quizá se trate de imaginar los dígitos a continuación anclados a algunos de los jugadores de hockey.

  • La primera persona no tiene elección sobre dónde se unen a la línea, ya que no hay línea todavía.

    1

  • La segunda persona puede unirse en dos lugares: el frente o la espalda.

    21 12

  • La tercera persona puede unirse en tres lugares: la frente, el medio, o la parte de atrás.

    321 231 213

    312 132 123

  • La cuarta persona puede unirse en cuatro lugares.

    4321 3421 3241 3214

    4231 2431 2341 2314

    4213 2413 2143 2134

    4312 3412 3142 3124

    4132 1432 1342 1324

    4123 1423 1243 1234

  • La quinta persona puede unirse en cinco lugares...

4voto

user2566092 Puntos 19546

He aquí una visualización geométrica de las dimensiones superiores. Usted puede tomar un hiper-cubo de dimensión $d$ (básicamente el producto Cartesiano de $n$ copias del intervalo $[0,c]$ para $c > 0$ que usted desea) y, a continuación, usted triangular (es decir, la partición) en un volumen igual de simplices (un simplex en $d$ dimensiones es una completa de dimensiones convexo cascos de $d+1$ puntos, es decir, de las dimensiones superiores analógico de triángulos por $d = 2$) dibujando en primer lugar el borde desde el origen hasta la esquina opuesta del hipercubo (de modo que los ángulos opuestos son vértices incluidos en cada simplex), y luego moverse a lo largo de un borde del cubo incidente al origen para llegar a su siguiente vértice, y luego acercarse a la esquina opuesta al tomar una arista incidente a que los vértices para obtener el siguiente vértice, y así sucesivamente hasta llegar a la esquina opuesta. Puede atravesar la dimensión alineado a los bordes en cualquier orden que desee para obtener $d+1$ vértices de una distinta simplex, y los interiores de la simplexes son distintos, y el número de congruentes simplexes que se obtiene en esta partición es igual al número de maneras que usted puede ordenar las dimensiones, el cual es de $d!$. Por lo tanto, si $c = 1$, entonces cada simplex en esta partición tiene un volumen de $1/d!$ y todos ellos son congruentes.

Una relacionada con la construcción, es considerar el volumen de la simple cuyos vértices son el origen, junto con los extremos de $d$ vectores linealmente independientes $v_i$ que se extiende desde el origen. Este sólido tiene la descripción de $\{ \sum_i c_i v_i \, | \, \sum_i c_i \leq 1, c_i \geq 0$ } donde $v_i$ son sus vectores. El paralelepípedo (analógico de hipercubo) generado por estos vectores $v_i$ por otro lado, con la descripción de $\{ \sum_i c_i v_i \, | \, 0 \leq c_i \leq 1 \}$. Es una forma geométrica hecho de que el volumen del paralelepípedo es de $d!$ veces el volumen del simplex, y el volumen del paralelepípedo es $|\det V|$ donde $V$ es la matriz de los vectores que abarcan el paralelepípedo.

3voto

jball Puntos 14152

Esto podría no ser lo que buscas, pero visualizo un factorial como un proceso. $5! $ es de cuántas maneras pueden arreglar 5 cosas. Visualizo el arreglo 5 cosas. No una representación como puntos pero personalmente es de gran alcance.

1voto

Joel Snyder Puntos 111

Llegué aquí a través de una búsqueda de imágenes de Google de "factorial de los árboles", buscando la inspiración en el diseño de un eficiente recursiva/vectorizeable estructura de datos para atravesar (y la poda de las búsquedas) a través de permutaciones, con recursiva descenso fuertemente acoplados para el común de los sub-estructura.

Tomando una combinación de las respuestas proporcionadas por Dave L. Renfro, Vectornaut, y avid19, yo era capaz de reconstruir exactamente lo que yo estaba esperando para darse cuenta. Muchas gracias!

En este híbrido de visualización de los $4!$ permutación árbol, cada niño hereda de su padre el pedido con la negrita de inserción del elemento (el elemento adicional), desplazando a la titular de ordenar primero como un sufijo, luego poco a poco haciendo su camino hacia un prefijo. Esto funciona en la moda de la analogía de los pedidos de la línea de cortadoras en una cola de gente.

También tenga en cuenta que la mayor factoriales añadir capas a este árbol y no molestar capas anteriores. Este proceso se acumula nodos a una velocidad muy rápida, mucho más rápido que el crecimiento exponencial con un árbol binario tener constante de 2 hijos por los padres.

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Factorial/Permutation Tree

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