[ تعرٌف على ] عدد برنولي # أخر تحديث اليوم 2024/05/22

تم النشر اليوم 2024/05/22 | عدد برنولي

علاقته بأعداد أويلر وπ

أعداد أويلر هي متتالية من الأعداد الصحيحة مرتبطة ارتباطا شديدا بأعداد برنولي. π

∼

2 (
2 2
n
− 4 2
n )
B 2
n E 2
n
.
{displaystyle pi sim 2left(2^{2n}-4^{2n}right){frac {B_{2n}}{E_{2n}}}.}

تمثيل التكامل والاستمرارية

ملحق

قيم أعداد بيرنولي الأولى
n البسط المقام التقدير العشري
0 1 1 +1.00000000000
1 −1 2 −0.50000000000
2 1 6 +0.16666666667
4 −1 30 −0.03333333333
6 1 42 +0.02380952381
8 −1 30 −0.03333333333
10 5 66 +0.07575757576
12 −691 2730 −0.25311355311
14 7 6 +1.16666666667
16 −3617 510 −7.09215686275
18 43867 798 +54.9711779448
موسوعة المتتاليات الصحيحة على الإنترنت قالب:OEIS link قالب:OEIS link

تقريب المقارب

مجموع القوى

المقالة الرئيسة: صيغة فاولهابر
تظهر أعداد برنولي بشكل بارز في الصورة المغلقة لمجاميع القوى ل n الأعداد الطبيعية الأولى مرفوعة إلى القوة m حيث m ثابت، كما يلي:
S m
(
n
)
= ∑ k
=
1
n k m
= 1 m
+ 2 m
+
⋯
+ n m {displaystyle S_{m}(n)=sum _{k=1}^{n}k^{m}=1^{m}+2^{m}+cdots +n^{m},}
هذا المجموع يمثل متعددة حدود متغيرها n ودرجتها m+1. معاملات متعددات الحود هذه لها صلة بأعداد بيرنولي كما تُبين ذلك صيغة بيرنولي:
S m
(
n
)
=
1 m
+
1
∑ k
=
0
m ( m
+
1
k )
B k
n m
+
1
−
k
,
{displaystyle S_{m}(n)={1 over {m+1}}sum _{k=0}^{m}{m+1 choose {k}}B_{k};n^{m+1-k},}
العلاقة السابقة تتطلب الأخذ في الاعتبار الاصطلاحَ B1=+1/2. ( ( m
+
1 k
)
{displaystyle {tbinom {m+1}{k}}} يعني المعامل الثنائي k عنصرا من بين m + 1 عنصرا) لتكن n≥0. بجعل m مساوية ل 0 وB0=1 تعطي أعداد طبيعية 0,1,2,3,…. 0
+
1
+
1
+
⋯
+
1
=
1
1 (
B 0
n ) =
n
.
{displaystyle 0+1+1+cdots +1={frac {1}{1}}left(B_{0}nright)=n.}
بجعل m مساوية ل 1 وB1 = 1/2, يعطي المجموع المعرف أعلاه أعداد مثلثية 0,1,3,6, وهكذا. 0
+
1
+
2
+
⋯
+
n
=
1
2 (
B 0 n 2
+
2 B 1 n 1 ) =
1
2 (
n 2
+
n ) .
{displaystyle 0+1+2+cdots +n={frac {1}{2}}left(B_{0}n^{2}+2B_{1}n^{1}right)={frac {1}{2}}left(n^{2}+nright).}
بجعل m مساوية ل 2 وB2=1/6, يعطي المجموع المعرف أعلاه أعداد هرمية مربعة 0,1,5,14, وهكذا. 0
+ 1 2
+ 2 2
+
⋯
+ n 2
=
1
3 (
B 0 n 3
+
3 B 1 n 2
+
3 B 2 n 1 ) =
1
3 (
n 3
+
3
2 n 2
+
1
2
n ) .
{displaystyle 0+1^{2}+2^{2}+cdots +n^{2}={frac {1}{3}}left(B_{0}n^{3}+3B_{1}n^{2}+3B_{2}n^{1}right)={frac {1}{3}}left(n^{3}+{frac {3}{2}}n^{2}+{frac {1}{2}}nright).}
مع أن صيغة بيرنولي تعكس صراحة ما كتبه بيرنولي إلا أن بعض المؤلفين يعاملون صيغة بيرنولي بطريقة أخرى لا أنها متوافقة مع تعبير بيرنولي ولا أن لها ميزة واضحة مقارنة بالتعبير. فهم يكتبون:
S m
(
n
)
=
1 m
+
1
∑ k
=
0
m
(
−
1 ) k ( m
+
1
k )
B k n m
+
1
−
k
{displaystyle S_{m}(n)={1 over {m+1}}sum _{k=0}^{m}(-1)^{k}{m+1 choose {k}}B_{k}n^{m+1-k}}
لتجنب التناقض مع الصيغة أعلاه، كان على هؤلاء المؤلفين أن يضعوا B1=−1/2. في القسم التالي سوف يتم التعليق على عواقب الفروق الناتجة سيما أن من المحتمل أن ينجم عنها بعض اللبس. يطلق عادة على صيغة بيرنولي صيغة فاولابر تقديرا لجون فاولابر الذي أوجد أيضا طرقا جديرة بالاهتمام لحساب مجاميع القوى. عمم صيغةَ فاولابر غو وجاي زيغ V. Guo & J. Zeng إلى q-analog (Guo & Zeng 2005).

التعريفات التوافقية

العلاقة بعدد فوربتزكي
العلاقة بمجموعة أعداد سترلنغ
العلاقة بعدد دورة سترلنغ
العلاقة بالأعداد الأويلرية
انظر إلى عدد أويلري.

تمثيل الشجرة الثنائي

نظرة خواريزمية: مثلث سيدل

انظر إلى فيليب فون لوديش سيدل. Seidel’s algorithm for Tn

الخصائص الحسابية لأعداد برنولي

مبرهنات كومر
ترتبط أعداد برنولي بمبرهنة فيرما الأخيرة من خلال مبرهنة كومر,(برهن عليها عام 1850) والتي تنص على ما يلي: إذا كان p عددا أوليا فرديا، لا يقسم أيا من بسط أعداد برنولي B2,B4,…,Bp−3، إذا، فإن المعادلة xp+yp+zp=0 لا تقبل حلولا طبيعية تختلف عن الصفر.
الأعداد الأولية التي تملك هاته الخاصية تسمى أعدادا أولية نظامية. لماذا تنعدم أعداد برنولي الفردية ؟
المجموع:
φ k
(
n
)
= ∑ i
=
0
n i k
− n k
2
{displaystyle varphi _{k}(n)=sum _{i=0}^{n}i^{k}-{frac {n^{k}}{2}}}
يمكن أن يحسب عند قيم سالبة ل n. بعمل ذلك، يتبين أن هذه الدالة فردية عندما يكون k زوجيا. الدالة المولدة لأعداد برنولي هي كما يلي:
t
e t
−
1 = ∑ m
=
0
∞ B m t m m
! {displaystyle {frac {t}{e^{t}-1}}=sum _{m=0}^{infty }B_{m}{frac {t^{m}}{m!}}} t
e t
−
1 = B 0
+ B 1 t 1 1
! + ∑ m
=
2
∞ B m t m m
! {displaystyle {frac {t}{e^{t}-1}}=B_{0}+B_{1}{frac {t^{1}}{1!}}+sum _{m=2}^{infty }B_{m}{frac {t^{m}}{m!}}} t
e t
−
1 =
1
−
t
2
+ ∑ m
=
2
∞ B m t m m
! {displaystyle {frac {t}{e^{t}-1}}=1-{frac {t}{2}}+sum _{m=2}^{infty }B_{m}{frac {t^{m}}{m!}}} t
e t
−
1 +
t
2
=
1
+ ∑ m
=
2
∞ B m t m m
! {displaystyle {frac {t}{e^{t}-1}}+{frac {t}{2}}=1+sum _{m=2}^{infty }B_{m}{frac {t^{m}}{m!}}} بتوحيد المقامات في الجانب الأيسر: t
( e t
+
1
)
2
( e t
−
1
) =
1
+ ∑ m
=
2
∞ B m t m m
! {displaystyle {frac {t(e^{t}+1)}{2(e^{t}-1)}}=1+sum _{m=2}^{infty }B_{m}{frac {t^{m}}{m!}}} الدالة في الجانب الأيسر من الصيغة أعلاه هي دالة زوجية.
f
(
x
)
= t
( e t
+
1
)
2
( e t
−
1
) =
f
(
−
x
)
{displaystyle f(x)={frac {t(e^{t}+1)}{2(e^{t}-1)}}=f(-x)} بتعويض x ب -x، نجد ما يلي: B m t m m
! = B m (
−
t ) m
m
! {displaystyle B_{m}{frac {t^{m}}{m!}}=B_{m}{frac {(-t)^{m}}{m!}}} من خلال هذه الصيغة، تستنتج أن تنعدم
B m
{displaystyle B_{m}} عندما يكون المؤشر m
m فرديا. إعادة لصياغة نص فرضية ريمان
الارتباط بين أعداد برنولي ودالة زيتا لريمان قوي بما فيه الكفاية لإعطاء نص آخر لفرضية ريمان، مستعملا أعداد برنولي فقط. بالفعل، برهن مارسل ريز في عام 1916، على أن فرضية ريمان تكافئ ما يلي:

وجهات نظر واصطلاحات مختلفة

يمكن النظر إلى أعداد بيرنولي من وجهات أربعة مختلفة: كائنات رياضياتية قائمة بذاتها،
كائنات توافقياتية
قيما لمتعددات حدود متعاقبة،
قيما من دالة ريمان-زيتا.
تقود كل وجهة نظر مما سبق إلى مجموعة أخرى من الاصطلاحات. أعداد بيرنولي كائنات قائمة بذاتها.
تعاقب مصاحب: 1/6, −1/30, 1/42, −1/30,… هذه هي وجهة نظر جاكوب بيرنولي. انظر مقتطفات من كتابه أرس كونجكتاندي، الطبعة الأولى، 1713. تفهم أعداد بيرنولي على أنها أعداد تكرارية بطبيعتها، ابتُكرت لحل مشكلة رياضياتية معينة ألا وهي مجموع القوى، أو التطبيق البارادياغماتي – paradigmatic application لأعداد بيرنولي. هناك لبس في القول بأن وجهة النظر هذه ‘archaic’. يستخدم هذه العبارة مثلاً جان-بيير سير في كتابه دورة في الحساب وهو كتاب معتمد في العديد من الجامعات اليوم. أعداد بيرنولي كائنات توافقياتية.
تعاقب مصاحب: 1,+1/2,1/6,0,…. تركز هذه النظرة على العلاقة بين أعداد ستيرلنغ وأعداد برنولي وتظهر بطبيعة الحال في التفاضل والتكامل للفوارق المحدودة. ( z e z e z
−
1 )
x
=
x ∑ n
≥
0 σ n
(
x
) z n
{displaystyle left({frac {ze^{z}}{e^{z}-1}}right)^{x}=xsum _{ngeq 0}sigma _{n}(x)z^{n}}
وبشكل متعاقب Bn=n! σn(1) for n≥0. أعداد برنولي قيما لمتعددات حدود متعاقبة.
المقصود هنا هو كثيرات حدود برنولي والتي سبق الحديث عنها. يمكن تعريف أعداد برنولي بطريقتين مختلفتين:
Bn=Bn(0). تعاقب مصاحب: 1, −1/2, 1/6, 0,….
Bn=Bn(1). تعاقب مصاحب: 1, +1/2, 1/6, 0,….
يختلف التعريفان فقط في إشارة B1. الخيار Bn=Bn(0) هو الاصطلاح الذي تم اعتماده في كتاب الدوال الرياضيايتية – Handbook of Mathematical Functions. أعداد بيرنولي قيما لدالة زيتا لريمان
التعاقب المصاحب: 1, +1/2, 1/6, 0,…. أعداد برنولي كما تصفها دالة زيتا لريمان.
يتوافق هذا الاصطلاح مع الاصطلاح Bn=Bn(1) (مثلاً J. Neukirch وM. Kaneko). الإشارة ‘+’ for B1 متلائمة مع تمثيلات أعداد بيرنولي من دالة ريمان زيتا.
B n
=
n
! σ n
(
1
)
= B n
(
1
)
=
−
n
ζ
(
1
−
n
) (
n
≥
0
)

{displaystyle B_{n}=n!sigma _{n}(1)=B_{n}(1)=-nzeta (1-n)quad (ngeq 0) }

الملاحظات

. وصف الخوارزمية
بالرغم من إمكانية استعمال الصيغة التكرارية السابقة للحساب فإنها تستعمل بشكل رئيس لتأسيس اتصال مع مجاميع القوى نظراً لأنها مكلفة حسابياً. مع ذلك، إن كل من الخوارزميات البسيطة والعالية النهاية متوفرة لحساب أعداد بيرنولي. الطريقة البسيطة تعطى في الخوارزم العام التالي في مربع النص ‘خوارزم أكياما تانيغاوا’ والمؤشرات لخوارزميات النهاية العليا معطاة في القسم التالي.

حساب أعداد برنولي بكفاءة

من المفيد في بعض التطبيقات القدرة على حساب أعداد بيرنوليB0 حتى Bp−3 متبقيا p, حيث p هو عدد أولي; فمثلاً لفحص ما إذا كان تخمين فانديفير صحيحاً، أو حتى للتحقق من أن p عدد أولي شاذ. ليس مناسباً أن نقوم بحساب كهذا باستعمال الصيغة التكرارية السابقة، لأنه على الأقل (ثابت من مضاعفات) p2 سيتطلب عمليات حسابية. لحسن الحظ فقد طورت طرق أسرع (Buhler et al. 2001) والتي تتطلب O(p(logp)2) عملية فقط (انظر علامة أو الكبرى). يصف ديفيد هاري (Harvey 2008) خوارزمية لحساب أعداد بيرنولي عن طريق حساب Bn متبقياً p لأعداد أولية صغيرة عديدة p، ومن ثم يعيد إنشاء Bn عن طريق نظرية المتبقي الصينية. كتب هارفي بأن المقارب معقدة زمنياً لهذا الخوارزم هي O(n2 log(n) 2+eps) ويصرح بأن هذه الرؤية أسرع بشكل ملحوظ من الرؤى المعتمدة على الطرق الأخرى. طريقة هاري هي مضمنة في سايج منذ الإصدار 3.1. باستخدام هذه الرؤية قام هارفي بحساب Bn لقيم n=108 وهي رقم قياسي جديد (أكتوبر 2008). قبل بيرنارد كيلنر (Kellner 2002) حسب Bn لأعلى دقة لقيم n=106 في ديسمبر 2002 وOleksandr Pavlyk (Pavlyk 2008) لقيم n=107 بواسطة ‘ماثماتيكا’ في أبريل 2008.
الحاسب
السنة
n
المراتب* ياكوب بيرنولي
~1689
10
1
ليونهارد أويلر
1748
30
8
J.C. Adams
1878
62
36
D.E. Knuth, T.J. Buckholtz
1967
360
478
G. Fee, S. Plouffe
1996
10000
27677
G. Fee, S. Plouffe
1996
100000
376755
B.C. Kellner
2002
1000000
4767529
O. Pavlyk
2008
10000000
57675260
D. Harvey
2008
100000000
676752569 تاريخ حساب أعداد بيرنولي
المراتب ينبغي فهمها على أنها قوى 10 عندما تكتب B(n) كعدد حقيقي في العلامة العلمية الموحدة.

شرح مبسط

تعديل – تعديل مصدري – تعديل ويكي بيانات