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Transformación de Stirling de$(k-1)!$

Al leer acerca de la combinatoria de las matemáticas, he encontrado este artículo sobre el Stirling transformar lo que captó mi atención.

Así que, si yo quería encontrar el Stirling transformar, por ejemplo, $(k-1)!$, tendría que resolver esta suma (utilizando la fórmula explícita para el número de Stirling de segundo tipo): $$\sum_{k=1}^{n}\left(\frac{1}{k!}\sum_{j=0}^{k}(-1)^{k-j}\binom{k}{j}j^n(k-1)!\right)$$

Parece complicado. Es incluso posible encontrar el Stirling transformar directamente de esta suma? No sé cómo empezar. Mathematica da la respuesta $(-1)^n\operatorname{Li}_{1-n}(2)$. Realmente me gustaría saber cómo llegar a ese resultado.

Todas las ideas o sugerencias que será apreciado.

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Markus Scheuer Puntos 16133

Nota: El doble de la suma de la expresión indicada en el OPs pregunta ya es perfectamente válida la representación de la Stirling transformación de la secuencia de $(a_n)_{n\geq 1}=\left((n-1)!\right)_{n\geq 1}$ con respecto a su definición.

Así que, aquí estamos buscando una representación distinta de la de Stirling de transformación de $(a_n)_{n\geq 1}$, lo que podría ser considerado como el más conveniente o más de acuerdo a nuestras necesidades. Lamentablemente, una simplificación considerable, por ejemplo, la reducción de una suma no presumiblemente existe. Pero hemos de establecer la conexión de la OPs Stirling transformar con la Polylogarithm $\operatorname{Li}_{1-n}(2)$ provisto por Mathematica.

Vamos a denotar los números de Stirling del segundo tipo con $\begin{Bmatrix}n\\k\end{Bmatrix}$. Si $(a_n)_{n\geq 1}$ es una secuencia de números, a continuación, la secuencia de $(b_n)_{n\geq 1}$ con \begin{align*} b_n=\sum_{k=1}^n\begin{Bmatrix}n\\k\end{Bmatrix}a_k\etiqueta{1} \end{align*} se llama el Stirling transformación de $(a_n)_{n\geq 1}$.

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Stirling transformación de $(a_n)_{n\geq 1}=\big((n-1)!\big)_{n\geq 1}$

De acuerdo a la fórmula (1) se obtiene utilizando una expresión explícita para $\begin{Bmatrix}n\\k\end{Bmatrix}$ \begin{align*} b_n&=\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k!}\sum_{j=1}^k(-1)^{k-j}\binom{k}{j}j^na_k\\ &=\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k!}\sum_{j=1}^k(-1)^{k-j}\binom{k}{j}j^n(k-1)!\\ &=\sum_{k=1}^n\sum_{j=1}^{k}(-1)^{k-j}\binom{k-1}{j-1}j^{n-1}\tag{2} \end{align*}

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Funciones de generación: se introduce la generación de funciones de $f,g$ con \begin{align*} f(x)&=\sum_{n=1}^{\infty}a_n\frac{x^n}{n!} =\sum_{n=1}^{\infty}(n-1)!\frac{x^n}{n!}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n}\\ &=-\ln(1-x)\\ g(x)&=\sum_{n=1}^{\infty}b_n\frac{x^n}{n!} \end{align*}

La representación de (2) en términos de funciones de generación es de acuerdo a esta página de la Wiki \begin{align*} g(x)=f(e^x-1) \end{align*} Llegamos a la conclusión de \begin{align*} g(x)&=f(e^x-1)\\ &=-\ln (2-e^x)\\ &=-\ln 2 -\ln\left(1-\frac{e^x}{2}\right)\tag{3}\\ \end{align*} La expansión de la logarítmica de la serie obtenemos \begin{align*} -\ln\left(1-\frac{e^x}{2}\right)&=\sum_{j=1}^{\infty}\frac{1}{2^j}\frac{e^{jx}}{j}\\ &=\sum_{j=1}^{\infty}\frac{1}{2^jj}\sum_{m=0}^{\infty}\frac{(jx)^m}{m!}\\ &=\sum_{m=0}^{\infty}\left(\sum_{j=1}^{\infty}\frac{1}{2^j}j^{m-1}\right)\frac{x^m}{m!}\\ &=\ln(2)+\sum_{m=1}^{\infty}\left(\sum_{j=1}^{\infty}\frac{1}{2^j}j^{m-1}\right)\frac{x^m}{m!}\tag{4}\\ \end{align*}

La combinación de (3) y (4) obtenemos

\begin{align*} g(x)=\sum_{m=1}^{\infty}\left(\sum_{j=1}^{\infty}\frac{1}{2^j}j^{m-1}\right)\frac{x^m}{m!} \end{align*}

Utilizamos el coeficiente de operador $[x^m]$ para denotar el coeficiente de $x^{m}$ $g(x)$ y obtener

\begin{align*} b_n&=\frac{1}{n!}[x^n]g(x)=\sum_{j=1}^{\infty}\frac{1}{2^j}j^{n-1}\qquad\qquad n\geq 1\tag{5} \end{align*}

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Polylogarithms: de Acuerdo a la definición de la Polylogarithm

\begin{align*} \operatorname{Li}_s(x):=\sum_{j=1}^{\infty}\frac{x^j}{j^s}\qquad\qquad |x|< 1, s\in\mathbb{C} \end{align*}

observamos el lado derecho de (5) se puede escribir dejando $x=\frac{1}{2}$ $s=1-n$

\begin{align*} b_n=\sum_{j=1}^{\infty}\frac{1}{2^j}j^{n-1}=\operatorname{Li}_{1-n}\left(\frac{1}{2}\right) \end{align*}

Desde la siguiente identidad es válida para $n\geq 1$

\begin{align*} \operatorname{Li}_{-n}(x)+(-1)^n\operatorname{Li}_{-n}\left(\frac{1}{x}\right)=0 \end{align*}

llegamos a la conclusión de

\begin{align*} b_n=\operatorname{Li}_{1-n}\left(\frac{1}{2}\right)=(-1)^n\operatorname{Li}_{1-n}(2)\qquad\qquad n\geq 1 \end{align*}

que se corresponde con el resultado de Mathematica.

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