Factorial este o funcție definită pe mulțimea numerelor întregi nenegative . Numele provine de la lat. factorialis - acționând, producând, înmulțind; notat , pronunţat en factorial . Factorialul unui număr natural este definit ca produsul tuturor numerelor naturale de la 1 la inclusiv:
.De exemplu,
.Căci este luat ca un acord că
.n | n ! |
---|---|
0 | unu |
unu | unu |
2 | 2 |
3 | 6 |
patru | 24 |
5 | 120 |
6 | 720 |
7 | 5040 _ |
opt | 40 320 |
9 | 362 880 |
zece | 3 628 800 |
unsprezece | 39 916 800 |
12 | 479 001 600 |
13 | 6 227 020 800 [1] |
paisprezece | 87 178 291 200 [2] |
cincisprezece | 1.307.674.368.000 [ 3 ] _ _ |
16 | 20.922.789.888.000 [ 4 ] _ _ |
17 | 355 687 428 096 000 [5] |
optsprezece | 6 402 373 705 728 000 [6] |
19 | 121 645 100 408 832 000 [7] |
douăzeci | 2 432 902 008 176 640 000 [8] |
25 | 15 511 210 043 330 985 984 000 000 [9] |
cincizeci | 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 100000 |
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 |
Factorialul este utilizat activ în diferite ramuri ale matematicii: combinatorică , analiză matematică , teoria numerelor , analiză funcțională etc.
Factorialul este o funcție cu creștere extrem de rapidă. Crește mai repede decât orice funcție exponențială sau orice funcție de putere și, de asemenea, mai rapid decât orice sumă a produselor acestor funcții. Cu toate acestea, funcția exponențială crește mai repede decât factorial, la fel ca majoritatea exponenților dubli, cum ar fi .
Factorialul poate fi dat prin următoarea formulă recursivă :
În combinatorică , factorialul unui număr natural n este interpretat ca numărul de permutări (ordonări) unui set de n elemente.
De exemplu, pentru o mulțime { A , B , C , D } de 4 elemente, există 4! = 24 permutări:
ABCD BACD CABD DABC ABDC BADC CADB DACB ACBD BCAD CBAD DBAC ACDB BCDA CBDA DBCA ADBC BDAC CDAB DCAB ADCB BDCA CDBA DCBAInterpretarea combinatorie a factorialului confirmă oportunitatea acordului - numărul de permutări ale mulțimii goale este egal cu unu. În plus, formula pentru numărul de plasări de elemente prin
când se transformă într-o formulă pentru numărul de permutări ale elementelor (de ordin ), care este egală cu .
Factorialul este legat de funcția gamma a unui argument întreg prin relație
.Aceeași expresie este folosită pentru a generaliza conceptul de factorial la mulțimea numerelor reale . Folosind continuarea analitică a funcției gamma, domeniul de definire a factorialului este extins și la întregul plan complex , excluzând punctele singulare la .
O generalizare directă a factorialului la mulțimile de numere reale și complexe este funcția pi , care poate fi definită ca
(definiție integrală).Funcția pi a unui număr natural sau zero coincide cu factorialul său: . Ca și factorial, funcția pi satisface relația de recurență .
Formula Stirling este o formulă asimptotică pentru calculul factorial:
În multe cazuri, pentru un calcul aproximativ al factorialului, este suficient să luăm în considerare doar termenul principal al formulei Stirling:
În același timp, se poate argumenta că
Formula lui Stirling vă permite să obțineți valori aproximative ale factorilor de numere mari fără a înmulți direct o secvență de numere naturale. De exemplu, folosind formula Stirling, este ușor de calculat
Fiecare număr prim p intră în expansiunea lui n ! prin factori primi la puterea definită prin următoarea formulă:
În acest fel,
unde produsul este preluat peste toate numerele prime. Se poate observa că pentru orice prim p mai mare decât n , factorul corespunzător în produs este 1; prin urmare, produsul nu poate fi preluat decât de numere prime p care nu depășesc n .
Pentru un întreg nenegativ n :
De exemplu:
Expresiile factoriale au apărut în cercetările timpurii despre combinatorie , deși matematicianul francez Christian Kramp a propus o notație compactă abia în 1808 [13] . O etapă importantă a fost descoperirea formulei lui Stirling , pe care James Stirling a publicat-o în tratatul său The Differential Method ( lat. Methodus differentialis , 1730). Puțin mai devreme, aproape aceeași formulă a fost publicată de prietenul lui Stirling, Abraham de Moivre , dar într-o formă mai puțin completă (în loc de coeficient exista o constantă nedefinită) [14] .
Stirling a studiat în detaliu proprietățile factorialului, până la clarificarea întrebării dacă este posibil să se extindă acest concept la numere reale arbitrare. El a descris mai multe moduri posibile de a implementa această idee și a opinat că:
Stirling nu știa că Leonhard Euler găsise deja o soluție la problemă cu un an mai devreme . Într-o scrisoare către Christian Goldbach , Euler a descris generalizarea necesară [15] :
Dezvoltând această idee, Euler anul viitor, 1730, a introdus conceptul funcției gamma sub forma unei integrale clasice. El a publicat aceste rezultate în revista Academiei de Științe din Sankt Petersburg în 1729-1730.
Factorialul dublu al unui număr n se notează n ‼ și este definit ca produsul tuturor numerelor naturale din segmentul [1, n ] care au aceeași paritate cu n .
Relația dintre factorii dubli ai două numere întregi nenegative adiacente și factorialul obișnuit al unuia dintre ele.
Derivarea formulelorDerivarea formulei: |
Derivarea formulei: Astfel, este posibil să se arate relația dintre factorii dubli ai două numere întregi nenegative adiacente prin factorialul obișnuit al unuia dintre ei. În continuare, continuăm să derivăm formula pentru factorialul dublu de impar n . Să ne întoarcem cu un pas înapoi (înainte de apariția explicită a lui ( n -1)!! ) și să efectuăm câteva transformări algebrice identice asupra numitorului: Înlocuim expresia rezultată pentru numitor înapoi în formula pentru : |
Un exemplu care ilustrează derivarea formulei utilizate mai sus:
După ce am făcut înlocuirea pentru n par și , respectiv, pentru n impar , unde este un întreg nenegativ, obținem:
Prin acord : De asemenea, această egalitate este valabilă în mod firesc:
Factorialul dublu, ca și factorialul obișnuit, este definit numai pentru numere întregi nenegative.
Secvența de valori n !! începe așa [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, 13 749 310 310 575, 81 749 606 400, 316 234 143 225, 1 961 990 553 600, 7 905 853 580 625, 51 011 753.Factorialul de m ori al unui număr n este notatși definit după cum urmează. Fie numărul n reprezentat caundeAtunci [17]
Factorialii obișnuiți și dubli sunt cazuri speciale ale factorialului m -fold pentru m = 1 și , respectiv, m = 2 .
Factorialul multiplu este legat de funcția gamma prin următoarea relație [18] :
De asemenea, este posibil să scrieți factorialul multiplu într-o formă prescurtată .
Factorialul descrescător este expresia
.De exemplu:
n = 7; k = 4 ( n − k ) + 1 = 4, nk = 7 • 6 • 5 • 4 = 840.Factorialul descrescător dă numărul de plasări de la n la k .
Creșterea factorialăUn factorial crescător este o expresie
Primorial sau primorial ( ing. primorial ) unui număr n este notat cu p n # și este definit ca produsul primelor n numere prime. De exemplu,
.Uneori, un primorial este un număr definit ca produsul tuturor numerelor prime care nu depășesc un n dat .
Secvența primariilor (inclusiv ) începe astfel [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, 1 922 760 350 154 212 800, …Produsul primelor numere Fibonacci. Scris n ! F. _
De exemplu: 6! F = .
Neil Sloane și Simon Plouffet în 1995 au definit superfactorialul ca produsul primilor n factoriali. Conform acestei definiții, superfactorialul lui patru este egal cu
(de vreme ce nu există o denumire stabilită, se folosește una funcțională).
În întregime
Secvența superfactorialelor de numere începe astfel [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 , 265 790 267 296 391 960.000.000.000.000.000.000Ideea a fost generalizată în 2000 de Henry Bottomley , ceea ce a condus la hiperfactoriale ( ing. Hyperfactorial ), care sunt produsul primelor n superfactoriale. Secvența hiperfactorialelor de numere începe astfel [21] :
1, 1, 2, 24, 6912, 238 878 720, 5 944 066 965 504 000, 745 453 331 864 786 800 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000, 6 916 686 207 999 801 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000, …Continuând în mod recurent , se poate defini factorialul cu mai multe niveluri , sau factorialul de nivel m al lui n , ca produsul factorilor de nivel ( m - 1) ai numerelor de la 1 la n , adică.
unde pentru si
Subfactorial ! n este definit ca numărul de permutări de ordinul n , adică permutări ale unui set de n elemente fără puncte fixe .
Semne matematice | |
---|---|
| |