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Note sur quelques applications analytiques des polynomes de Stirling. - MaRDI portal

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Note sur quelques applications analytiques des polynomes de Stirling. (Q1503045)

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scientific article; zbMATH DE number 2653700
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English
Note sur quelques applications analytiques des polynomes de Stirling.
scientific article; zbMATH DE number 2653700

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    Note sur quelques applications analytiques des polynomes de Stirling. (English)
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    1904
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    (Auch JFM 35.0451.01) II. Nach einem Abschnitt I über die Bernoullischen Funktionen werden die Ausdrücke \(C_{n+1}^r\) und \(\mathfrak C_{n+1}^r\) im Anschluß an die Thielesche Bezeichnung Stirlingsche Zahlen \((n+1)\)-ten, bzw. \(-(n+1)\)-ten Ranges genannt und durch die Gleichungen eingeführt: \[ \begin{aligned} x(x+1)\dots(x+n) &= \sum_{s=0}^n C_{n+1}^s x^{n+1-s},\\ \frac1{x(x+1)\dots(x+n)} &= \sum_{s=0}^\infty \frac{(-1)^s\mathfrak C_{n+1}^s}{x^{n+1+s}},\quad |x|>n.\end{aligned} \] \(C_{n+1}^r\) und \(\mathfrak C_{n+1}^r\) sind ganze Funktionen \(2r\)-ten Grades von \(n\), deren Koeffizienten rationale, von \(n\) unabhängige Zahlen sind, wobei die in bezug auf \(n\) konstanten Glieder verschwinden. Bestimmt man ans dem System der linearen algebraischen Gleichungen \(b_1=a_1\), \(b_{n+1}=C_n^0a_{n+1} + C_n^1a_n +\cdots+ C_n^{n-1}a_2\) die Größen \(a_s\), so erhält man: \[ a_1 = b_1,\quad a_{n+1} = \mathfrak C_{n+1}^0b_{n+1} - \mathfrak C_n^1b_n +\cdots+ (-1)^{n-1}\mathfrak C_2^{n-1}b_2 \] (und umgekehrt). Bezeichnet man in der Entwicklung von \((a_1 + a_2 +\cdots+ a_p)^n\) nach dem polynomischen Lehrsatz die Summe der Koeffizienten der durch das Produkt \(a_1a_2\dots a_p\) teilbaren Glieder durch \(\Omega_{n,p}\), so ist \[ \Omega_{n,p} = p!\mathfrak C_{p+1}^{n-p}. \] Für eine Differenz höherer Ordnung einer einzigen Potenz erhält man \[ \varDelta^n x^p = n! \sum_{r=n}^p \binom rn \mathfrak C_{n+1}^{r-n} x^{p-r},\quad p\geq n. \] Die Stirlingschen Zahlen \(C_{n+1}^r\) und \(\mathfrak C_{n+1}^r\) sind bekannt, sobald das den Gleichungen \[ F_r(x+1) = F_r(x) + (x+1)F_{r-1}(x),\quad F_0(x) = 1;\quad F_r(0) = 0 \] für \(r>0\) genügende Polynom \((2r)\)-ten Grades \(\Psi_{2r}(x)\) berechnet werden kann; denn es ist \[ C_{n+1}^r = \Psi_{2r}(n),\quad \mathfrak C_{n+1}^r = \Psi_{2r}(-n-1). \] Ist ein partikulares Integral \(f_r(x)\) der Gleichung mit endlichen Differenzen \(F_r(x+1) = F_r(x) + (x+1)F_{r-1}(x)\) bekannt, so ist das allgemeine Integral dieser Gleichung von der Form: \[ F_r(x) = f_r(x) + \sum_{s=1}^r K_s(x)\Psi_{2r-2s}(x), \] wo die Koeffizienten \(K_s(x)\) willkürliche periodische Funktionen von \(x\) mit der additiven Periode \(+1\) bedeuten. Für \(r>0\) ist \[ \Psi_{2r}(x) = (x+1)x(x-1)\dots(x-r+1)\psi_{r-1}(x), \] wo \(\psi_{r-1}(x)\) eine ganze Funktion \((r-1)\)-ten Grades von \(x\) bezeichnet; \(\Psi_{2r}(x)\) ist teilbar durch \(x(x+1)\). Für \(\Psi_{2r}(x)\) gelten die Rekursionsformeln: \[ \Psi_{2r}(x+1) - \Psi_{2r}(x) = \sum_{s=0}^{r-1} \binom{x-s+1}{r-s}\Psi_{2s}(x), \] \[ r\Psi_{2r}(x) = \sum_{s=0}^{r-1} \binom{x-s+1}{r-s+1}\Psi_{2s}(x). \] III. Die Stirlingsche Funktion \(r\)-ten Ranges \(\psi_r(x)\) ist vollständig erklärt durch die Gleichungen: \[ \begin{multlined} (x+2)\psi_r(x+1) = (x-r)\psi_r(x) + (x+1)\psi_{r-1}(x),\\ \psi_0(x) = \frac12,\quad \psi_{2r}(0) = 0,\quad \psi_{2r-1}(0) = (-1)^{r-1}B_{2r-1}/(2r)!,\end{multlined} \] wo \(B_{2r-1}\) die Bernoullische Zahl \(r\)-ten Ranges bedeutet. Es ist \[ \begin{aligned} C_{n+1}^r &= (n+1)n(n-1)(n-2)\dots (n-r+1)\psi_{r-1}(n),\\ \mathfrak C_{n+1}^r &= (-1)^{r-1}n(n+1)(n+2)\dots (n+r)\psi_{r-1}(-n-1);\end{aligned} \] \(\psi_r(x)\) ist eine ganze Funktion \(r\)-ten Grades von \(x\): \[ \sigma_r^0x^r + \sigma_r^1x^{r-1} +\cdots+ \sigma_r^{r-1}x + \sigma_r^r, \] für welche unter anderen die Rekursionsformeln gelten: \[ \begin{aligned} (r+1)\psi_r(x) &= \frac1{(r+2)!} + \sum_{s=1}^r \frac{x-s+1}{(r-s+2)!}\psi_{s-1}(x),\\ x\psi_r(x-1) &= (x+1)\sum_{s=0}^r \frac{(-1)^s}{(s+1)!} \psi_{r-s}(x) - \frac{(-1)^r}{(r+2)!}\end{aligned} \] und die Gleichungen \[ \begin{aligned} \psi_r(r+1) &= 1/(r+2),\\ \psi_r(r+2) &= \frac1{r+3}\left(\frac11 + \frac12 + \frac13 +\cdots+ \frac1{r+2}\right).\end{aligned} \] Ferner ist \[ \sigma_0 = \frac12,\quad \sigma_r^0 = \frac1{2^{r+1}(r+1)!},\quad \sigma_{2r}^{2r} = 0, \] \[ \sigma_{2r-1}^{2r-1} = \frac{(-1)^{r-1}}{(2r)!}B_{2r-1},\quad \sigma_r^p = \frac{f_{2p}(r)}{(r+1)!2^{r+1}}, \] wo \(f_{2p}(r)\) eine ganze Funktion \(2p\)-ten Grades von \(r\) ist, deren Koeffizienten nur von \(p\) abhängige rationale Zahlen sind. Für \(p>0\) kann \(\sigma_p(x)\) in der Form \[ \frac{x(x-1)\dots (x-p+1)}{\Gamma(x+2)2^{x+1}}s_p(x) \] dargestellt werden, wo \(s_p(x)\) eine ganze Funktion \(p\)-ten Grades von \(x\) ist, deren Koeffizienten rationale Zahlen sind. Im besonderen ist \[ \begin{aligned} s_0(x) &= 1,\, s_1(x) = -\frac{x-5}6,\, s_2(x) = \frac{(x-2)(x-11)}{3^2\cdot8},\\ s_3(x) &= -\frac1{6^4\cdot5}(5x^3 - 120x^2 + 619x - 336),\\ s_4(x) &= \frac{x-4}{6!6^3}(5x^3 - 170x^2 + 1271x + 150),\\ \psi_0(x) &= \frac12,\, \psi_1(x) = \frac1{4!}(3x+2),\, \psi_2(x) = \frac{x(x+1)}{4!2},\\ \psi_3(x) &= \frac1{6!2^3}(15x^3 + 15x^2 - 10x - 8),\\ \psi_4(x) &= \frac{x(x+1)}{6!2^4}(3x^2 - x - 6),\\ \psi_5(x) &= \frac1{9!2^3}(63x^5 - 315x^3 - 224x^2 + 140x + 96),\\ \psi_6(x) &= \frac{x(x+1)}{9!2^4}(9x^4 - 18x^3 - 57x^2 + 34x + 80),\end{aligned} \] so daß die ersten der Zahlen \(C_{n+1}^r\) und \(\mathfrak C_{n+1}^r\) für einen beliebigen Wert von \(n\) mittels der Formeln \[ C_{n+1}^r = (n+1)n(n-1)(n-2)\dots (n-r+1)\psi_{r-1}(n) \] und \[ \mathfrak C_{n+1}^r = (-1)^{r-1}n(n+1)(n+2)\dots (n+r)\psi_{r-1}(-n-1) \] berechnet werden können. In der Note werden im Anschluß an die Reihen. \[ \left(\frac{1-e^{-x}}x\right)^{-\alpha-1} = 1 + (\alpha+1)\sum_{s=0}^\infty \psi_s(\alpha)x^{s+1},\quad |x| < 2\pi, \] \[ \left(\frac{\log(1-x)}{-x}\right)^\alpha = 1 + \alpha\sum_{s=0}^\infty \psi_s(\alpha+s)x^{s+1},\quad |x| < 1, \] \[ \left(\frac{\sin x}x\right)^{-\alpha-1} = 1 + (\alpha+1)\sum_{s=0}^\infty \chi_s(\alpha)x^{2s+2},\quad |x| < 2\pi, \] unter anderen die Formeln entwickelt: \[ \begin{multlined} (n+1)\psi_n(x) = \frac{x+1}2\psi_{n-1}(x) - \psi_n(0)\\ + (x+1)\sum_{s=1}^{\leq\frac n2} \frac{(-1)^s}{(2s)!} B_{2s-1}\psi_{n-2s}(x),\end{multlined} \] \[ \psi_n(2x+1) = \psi_n(x) + \frac{x+1}2\sum_{s=0}^{n-1} \psi_s(x)\psi_{n-s-1(x)}, \] \[ \psi_n(x) = \frac1{2n+2} - \frac{\psi_n(0)}{n+1} + \frac1{(n+1)!} \sum_{s=0}^{\leq\frac n2} \frac{(-1)^s}{2s} B_{2s-1}C_{n+1}^{n-2s+1}, \] \[ \psi_{2n+1}(2x+1) + \frac{(-1)^n}{2^{2n+2}} \chi_n(2x+1) = (x+1) \sum_{s=0}^n \psi_{2s}(x)\psi_{2n-2s}(x). \] Differenziert man die Formel \[ (2i\sin x)^m = \sum_{s=0}^n (-1)^s \binom ns e^{(n-2s)xi} \] \((n+2p)\)-mal nach \(x\), so ergibt sich für \(x=0\) \[ (-1)^p2^{n-1}(D_x^{n+2p}(\sin x)^n)_{x=0} = n!\mathfrak G_{n+1}^{2p}, \] wo \[ \mathfrak G_{n+1}^{2p} = \frac1{n!} \sum_{s=0}^{<\frac n2} (-1)^n\binom ns (n-2s)^{n+2p} \] ist. Daraus ergibt sich für die schon von Euler behandelten Zahlen \(\mathfrak G_{n+1}^{2p}\) die Darstellung \[ \mathfrak G_{n+1}^{2p} = (-1)^p \frac{2^{n-1}(n+2p)!}{(n-1)!} \chi_{p-1}(-n-1),\quad p\geq1, \] und das Resultat: Die ganze Zahl \(\mathfrak G_{n+1}^{2p}\) ist immer teilbar durch \(2^{2n+2p-1}\).
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