Silnia

Wybrane wartości silni
nn!
01
11
22
36
424
5120
6720
75040
840 320
9362 880
103 628 800
1139 916 800
12479 001 600
136 227 020 800
1487 178 291 200
151 307 674 368 000
1620 922 789 888 000
17355 687 428 096 000
186 402 373 705 728 000
19121 645 100 408 832 000
202 432 902 008 176 640 000
25∼1,551 121 004 · 1025
50~3,041 409 32 · 1064
70~1,197 857 167 · 10100
100~9,332 621 544 · 10157
450~1,733 368 733 · 101000
1000~4,023 872 601 · 102567
10 000~2,846 259 681 · 1035 659
100 000~2,824 229 408 · 10456 573
1 000 000~8,263 931 688 · 105 565 708
10 000 000~1,202 423 401 · 1065 657 059
10100~109,956 570 552 · 10101

Silnia liczby naturalnej n – iloczyn wszystkich kolejnych dodatnich liczb naturalnych nie większych niż n. Często przyjmuje się także dodatkowo, że silnia z 0 wynosi 1, choć nie wynika to bezpośrednio z samej powyższej definicji.

Notacja

Do oznaczania silni liczby (naturalnej) n, powszechnie stosuje się zapis n!. Na przykład, dla liczb 1 oraz 2, jest to odpowiednio: 1! oraz 2!. Zapis ten (np. dla liczb 1 oraz 2) odczytuje się w sposób (odpowiednio): „jeden silnia”, „dwa silnia” itd. (ogólnie także, dla n!: „en silnia”).

Definicje silni

Silnia jest funkcją liczbową, której dziedziną są liczby naturalne z zerem, a przeciwdziedziną liczby naturalne bez zera

!:ℕ⩾0→ℕ⩾1

Definicja 1

Silnią liczby naturalnej dodatniej n nazywa się iloczyn wszystkich liczb naturalnych dodatnich nie większych niż n oraz dodatkowo przyjmuje się 0!=1, tj.

n!={1 dla n=01⋅2⋅3⋅…⋅(n−2)⋅(n−1)⋅n dla n⩾1

co można zapisać równoważnie używając greckiej litery Π:

n!=∏k=1nk

Definicja 2

Definicja rekurencyjna silni:

n!={1 dla n=0n⋅(n−1)! dla n⩾1

Przykłady

1!=1
2!=1⋅2=2
3!=1⋅2⋅3=6
4!=1⋅2⋅3⋅4=24
5!=1⋅2⋅3⋅4⋅5=120
6!=1⋅2⋅3⋅4⋅5⋅6=720

Obliczanie komputerowe

Ze względu na szybki wzrost wartości silni w obliczeniach komputerowych może wystąpić przekroczenie zakresu liczb całkowitych. Jeśli wynik przechowywany jest w zmiennej 32-bitowej (ze znakiem lub bez), to przepełnienie nastąpi już dla n=13. Dla zmiennej 64-bitowej przepełnienie nastąpi dla n=21.

n = 7 n! = 5040
n = 8 n! = 40320
n = 9 n! = 362880
n = 10 n! = 3628800
n = 11 n! = 39916800
n = 12 n! = 479001600
n = 13 int overflow

Problem dokładnych obliczeń wartości silni został rozwiązany z chwilą wprowadzenia arytmetyki dowolnej precyzji, która operuje na liczbach całkowitych dowolnego rozmiaru (ograniczeniem jest tu zasadniczo jedynie dostępna pamięć RAM komputera). Podane wartości silni w tabeli powyżej dla bardzo wielkich liczb mogą zostać precyzyjnie obliczone tą właśnie metodą.

Przybliżenia wartość silni i jej logarytmu

Porównanie silni, przybliżenia Stirlinga oraz przybliżenia n!≈(n/e)n w skali podwójnie logarytmicznej.
Błąd względny obciętego szeregu Stirlinga w zależności od liczby wyrazów.

Gdy nie jest konieczne uzyskanie dokładnej wartości silni, to wygodne jest wykorzystanie jej przybliżeń.

(1) Przybliżenie za pomocą wzoru Stirlinga:

n!≈2πn(ne)n(1+112n+1288n2+…)

(2) Wyrazy szeregu w nawiasie powyższego wzoru są coraz mniejsze; dla dużych n można ograniczyć się do pierwszego wyrazu

n!≈2πn(ne)n

(3) Z powyższego wzoru wynika wzór na postać logarytmu naturalnego silni:

ln⁡(n!)≈nln⁡n−n+12ln⁡(2πn).

(4) Przydatne jest również oszacowanie:

n!=o(nn),

gdzie o to tzw. małe o, co oznacza, że dla rosnących wartości n wartość n! jest coraz mniejsza od nn; formalnie wyraża to wzór:

limn→∞n!nn=0.

Symbol limn→∞ oznacza granicę ciągu liczbowego.

(5) Inne przybliżenie silni:

n!=2πn(ne)neαn,

gdzie wykładnik αn spełnia nierówności

112n+1⩽αn⩽112n

Właściwości

Podstawowa własność silni

n!=n⋅(n−1)!

Tempo wzrostu silni

Wykres logarytmu naturalnego silni ln(x!)

Wzrost funkcji n! wraz ze wzrostem n jest szybszy niż wzrost wykładniczy funkcji en, ale wolniejszy niż podwójnej funkcji wykładniczej(inne języki) een.


Dla dużych wartości n tempo wzrostu silni jest proporcjonalne do nn+1/2≈nn, ale odwrotnie proporcjonalne do czynnika wykładniczego en.

Rozkład silni na czynniki pierwsze

Lemat

Jeżeli liczba n! rozkłada się na czynniki pierwsze pi,i=1,2,…,k takie że

n!=∏i=1kpiαi=p1α1⋅p2α2⋅…⋅pkαk,

to wykładnik liczby pierwszej pi oblicza się ze wzoru

αi=∑j=1⌊logpin⌋⌊npij⌋,

gdzie ⌊x⌋ oznacza część całkowitą liczby x.

Liczba zer na końcu zapisu dziesiętnego silni

Liczbę zer na końcu w zapisie dziesiętnym n!, gdzie n jest liczbą naturalną, można ustalić na podstawie wzoru

f(n)=∑i=1k⌊n5i⌋=⌊n51⌋+⌊n52⌋+⌊n53⌋+…+⌊n5k⌋,

przy czym k wyznacza się z nierówności

5k⩽n<5k+1.

Przykłady

(1) Dla n=26 mamy 52<26<53, czyli k=2; liczba 26! ma na końcu

f(26)=⌊265⌋+⌊2652⌋=5+1=6 zer.

Dokładne obliczenie za pomocą arytmetyki wielkiej precyzji potwierdza to, gdyż

26!=403291461126605635584000000

(2) Jeżeli n<5, to nierówności są spełnione przez k=0; w tym wypadku mamy f(n)=0, co oznacza że silnie liczb <5 nie mają zer na końcu; jest to zgodne z tabelą podana na początku artykułu.

Historia

Oznaczenie n! dla silni wprowadził w 1808 roku Christian Kramp.

Zastosowania

Silnia pozwala zwięźle zapisać wzory i zależności z różnych działów matematyki jak:

Powiązane ciągi i inne funkcje

Wykres silni, funkcji gamma i aproksymacji Stirlinga

Faktorion

 Osobny artykuł: Faktorion.

Liczba, która jest równa sumie silni swoich cyfr danego systemu liczbowego nosi nazwę faktorion. Istnieją tylko cztery liczby naturalne o tej własności w systemie dziesiętnym: 1, 2, 145 i 40585.

Funkcja gamma

 Osobny artykuł: Funkcja Γ.
Funkcja gamma (przesunięta o jedną jednostkę w lewo, aby odpowiadała silni) stanowi ciągłe uogólnienie silni na argumenty inne niż naturalne. Tu pokazano wykres funkcji gamma dla liczb rzeczywistych.

Uogólnieniem silni na zbiór liczb rzeczywistych i zespolonych jest funkcja Γ, która spełnia zależność rekurencyjną

Γ(z+1)=z⋅Γ(z).

Ponieważ Γ(1)=1, więc z powyższego wynika

Γ(n+1)=n!

dla wszystkich liczb naturalnych n.

Funkcja Γ jest jedyną funkcją meromorficzną logarytmicznie wypukłą będącą uogólnieniem silni. W punktach całkowitych niedodatnich ma bieguny.

Wartości bezwzględne zespolonej funkcji gamma, ukazujące bieguny w nie-dodatnich liczbach całkowitych.

Silnia podwójna

 Osobny artykuł: Silnia podwójna.

Silnią podwójną liczby naturalnej n określa się iloczyn liczb naturalnych z krokiem 2 do n. Silnię podwójną oznacza się n!!.

Rekurencyjna definicja silni podwójnej:

n!!={1 dla n=0 lub n=1n⋅(n−2)!! dla n⩾2

Przykład:

8!!=2⋅4⋅6⋅8=384
9!!=1⋅3⋅5⋅7⋅9=945

Własności podwójnej silni:

n!=n!!(n−1)!!
(2n)!!=2nn!
(2n+1)!!=(2n+1)!(2n)!!=(2n+1)!2nn!

Zależność od funkcji gamma:

(2n−1)!!=Γ(n+12)(2nπ)

gdyż

Γ(n+12)=π(2n−1)!!2n.

Silnia wielokrotna

 Osobny artykuł: Silnia wielokrotna.

Silnia podwójna jest szczególnym przypadkiem silni wielokrotnej. Analogicznie definiuje się silnię potrójną n!!!, poczwórną n!(4) i ogólnie, silnię k-tą, k=1,2,…, którą oznaczamy symbolem n!(k). Definiuje się ją następująco:

n!(k)={1 gdy n=0n gdy 0<n⩽kn⋅(n−k)!(k) gdy n>k

Czyli np.:

n!=n(n−1)(n−2)⋯2⋅1
n!!=n(n−2)(n−4)⋯
n!!!=n(n−3)(n−6)⋯
n!(4)=n(n−4)(n−8)⋯

Przypisy

  1. ↑ Silnia, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-21].
  2. 1 2 3 4 Bronsztejn i Siemiendiajew 2019 ↓, s. 191.
  3. ↑ Peter J. Cameron: Combinatorics: Topics, Techniques, Algorithms. Cambridge University Press, 1994, s. 12–14. ISBN 978-0-521-45133-8. Cytat: 2.4: Orders of magnitude.
  4. ↑ Eric W. Weisstein, Factorion, [w:] MathWorld, Wolfram Research [dostęp 2017-05-25] (ang.).
  5. ↑ Bronsztejn i Siemiendiajew 2019 ↓, s. 192.
  6. ↑ Abramowitz i Stegun 1970 ↓, s. 255.
  7. 1 2 Weisstein i Doublefactorial ↓.
  8. ↑ Weisstein i Multifactorial ↓.

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Wybrane wartości silni
nn!
01
11
22
36
424
5120
6720
75040
840 320
9362 880
103 628 800
1139 916 800
12479 001 600
136 227 020 800
1487 178 291 200
151 307 674 368 000
1620 922 789 888 000
17355 687 428 096 000
186 402 373 705 728 000
19121 645 100 408 832 000
202 432 902 008 176 640 000
25∼1,551 121 004 · 1025
50~3,041 409 32 · 1064
70~1,197 857 167 · 10100
100~9,332 621 544 · 10157
450~1,733 368 733 · 101000
1000~4,023 872 601 · 102567
10 000~2,846 259 681 · 1035 659
100 000~2,824 229 408 · 10456 573
1 000 000~8,263 931 688 · 105 565 708
10 000 000~1,202 423 401 · 1065 657 059
10100~109,956 570 552 · 10101

Silnia liczby naturalnej n – iloczyn wszystkich liczb naturalnych dodatnich nie większych niż n oraz przyjmuje się dodatkowo, że silnia z 0 wynosi 1.

Stosuje się zapis n!, 2! itd., który odczytuje się „n silnia”, „dwa silnia” itd.

Definicje silni

Silnia jest funkcją liczbową, której dziedziną są liczby naturalne z zerem, a przeciwdziedziną liczby naturalne bez zera

!:ℕ⩾0→ℕ⩾1

Definicja 1

Silnią liczby naturalnej dodatniej n nazywa się iloczyn wszystkich liczb naturalnych dodatnich nie większych niż n oraz dodatkowo przyjmuje się 0!=1, tj.

n!={1 dla n=01⋅2⋅3⋅…⋅(n−2)⋅(n−1)⋅n dla n⩾1

co można zapisać równoważnie używając greckiej litery Π:

n!=∏k=1nk

Definicja 2

Definicja rekurencyjna silni:

n!={1 dla n=0n⋅(n−1)! dla n⩾1

Przykłady

1!=1
2!=1⋅2=2
3!=1⋅2⋅3=6
4!=1⋅2⋅3⋅4=24
5!=1⋅2⋅3⋅4⋅5=120
6!=1⋅2⋅3⋅4⋅5⋅6=720

Obliczanie komputerowe

Ze względu na szybki wzrost wartości silni w obliczeniach komputerowych może wystąpić przekroczenie zakresu liczb całkowitych. Jeśli wynik przechowywany jest w zmiennej 32-bitowej (ze znakiem lub bez), to przepełnienie nastąpi już dla n=13. Dla zmiennej 64-bitowej przepełnienie nastąpi dla n=21.

n = 7 n! = 5040
n = 8 n! = 40320
n = 9 n! = 362880
n = 10 n! = 3628800
n = 11 n! = 39916800
n = 12 n! = 479001600
n = 13 int overflow

Problem dokładnych obliczeń wartości silni został rozwiązany z chwilą wprowadzenia arytmetyki dowolnej precyzji, która operuje na liczbach całkowitych dowolnego rozmiaru (ograniczeniem jest tu zasadniczo jedynie dostępna pamięć RAM komputera). Podane wartości silni w tabeli powyżej dla bardzo wielkich liczb mogą zostać precyzyjnie obliczone tą właśnie metodą.

Przybliżenia wartość silni i jej logarytmu

Porównanie silni, przybliżenia Stirlinga oraz przybliżenia n!≈(n/e)n w skali podwójnie logarytmicznej.
Błąd względny obciętego szeregu Stirlinga w zależności od liczby wyrazów.

Gdy nie jest konieczne uzyskanie dokładnej wartości silni, to wygodne jest wykorzystanie jej przybliżeń.

(1) Przybliżenie za pomocą wzoru Stirlinga:

n!≈2πn(ne)n(1+112n+1288n2+…)

(2) Wyrazy szeregu w nawiasie powyższego wzoru są coraz mniejsze; dla dużych n można ograniczyć się do pierwszego wyrazu

n!≈2πn(ne)n

(3) Z powyższego wzoru wynika wzór na postać logarytmu naturalnego silni:

ln⁡(n!)≈nln⁡n−n+12ln⁡(2πn).

(4) Przydatne jest również oszacowanie:

n!=o(nn),

gdzie o to tzw. małe o, co oznacza, że dla rosnących wartości n wartość n! jest coraz mniejsza od nn; formalnie wyraża to wzór:

limn→∞n!nn=0.

Symbol limn→∞ oznacza granicę ciągu liczbowego.

(5) Inne przybliżenie silni:

n!=2πn(ne)neαn,

gdzie wykładnik αn spełnia nierówności

112n+1⩽αn⩽112n

Właściwości

Podstawowa własność silni

n!=n⋅(n−1)!

Tempo wzrostu silni

Wykres logarytmu naturalnego silni ln(x!)

Wzrost funkcji n! wraz ze wzrostem n jest szybszy niż wzrost wykładniczy funkcji en, ale wolniejszy niż podwójnej funkcji wykładniczej(inne języki) een.


Dla dużych wartości n tempo wzrostu silni jest proporcjonalne do nn+1/2≈nn, ale odwrotnie proporcjonalne do czynnika wykładniczego en.

Rozkład silni na czynniki pierwsze

Lemat

Jeżeli liczba n! rozkłada się na czynniki pierwsze pi,i=1,2,…,k takie że

n!=∏i=1kpiαi=p1α1⋅p2α2⋅…⋅pkαk,

to wykładnik liczby pierwszej pi oblicza się ze wzoru

αi=∑j=1⌊logpin⌋⌊npij⌋,

gdzie ⌊x⌋ oznacza część całkowitą liczby x.

Liczba zer na końcu zapisu dziesiętnego silni

Liczbę zer na końcu w zapisie dziesiętnym n!, gdzie n jest liczbą naturalną, można ustalić na podstawie wzoru

f(n)=∑i=1k⌊n5i⌋=⌊n51⌋+⌊n52⌋+⌊n53⌋+…+⌊n5k⌋,

przy czym k wyznacza się z nierówności

5k⩽n<5k+1.

Przykłady

(1) Dla n=26 mamy 52<26<53, czyli k=2; liczba 26! ma na końcu

f(26)=⌊265⌋+⌊2652⌋=5+1=6 zer.

Dokładne obliczenie za pomocą arytmetyki wielkiej precyzji potwierdza to, gdyż

26!=403291461126605635584000000

(2) Jeżeli n<5, to nierówności są spełnione przez k=0; w tym wypadku mamy f(n)=0, co oznacza że silnie liczb <5 nie mają zer na końcu; jest to zgodne z tabelą podana na początku artykułu.

Historia

Oznaczenie n! dla silni wprowadził w 1808 roku Christian Kramp.

Zastosowania

Silnia pozwala zwięźle zapisać wzory i zależności z różnych działów matematyki jak:

Powiązane ciągi i inne funkcje

Wykres silni, funkcji gamma i aproksymacji Stirlinga

Faktorion

Liczba, która jest równa sumie silni swoich cyfr zapisu dziesiętnego nosi nazwę faktorion. Istnieją tylko cztery liczby naturalne o tej własności: 1, 2, 145 i 40585.

Funkcja gamma

 Osobny artykuł: Funkcja Γ.
Funkcja gamma (przesunięta o jedną jednostkę w lewo, aby odpowiadała silni) stanowi ciągłe uogólnienie silni na argumenty inne niż naturalne. Tu pokazano wykres funkcji gamma dla liczb rzeczywistych.

Uogólnieniem silni na zbiór liczb rzeczywistych i zespolonych jest funkcja Γ, która spełnia zależność rekurencyjną

Γ(z+1)=z⋅Γ(z).

Ponieważ Γ(1)=1, więc z powyższego wynika

Γ(n+1)=n!

dla wszystkich liczb naturalnych n.

Funkcja Γ jest jedyną funkcją meromorficzną logarytmicznie wypukłą będącą uogólnieniem silni. W punktach całkowitych niedodatnich ma bieguny.

Wartości bezwzględne zespolonej funkcji gamma, ukazujące bieguny w nie-dodatnich liczbach całkowitych.

Silnia podwójna

 Osobny artykuł: Silnia podwójna.

Silnią podwójną liczby naturalnej n określa się iloczyn liczb naturalnych z krokiem 2 do n. Silnię podwójną oznacza się n!!.

Rekurencyjna definicja silni podwójnej:

n!!={1 dla n=0 lub n=1n⋅(n−2)!! dla n⩾2

Przykład:

8!!=2⋅4⋅6⋅8=384
9!!=1⋅3⋅5⋅7⋅9=945

Własności podwójnej silni:

n!=n!!(n−1)!!
(2n)!!=2nn!
(2n+1)!!=(2n+1)!(2n)!!=(2n+1)!2nn!

Zależność od funkcji gamma:

(2n−1)!!=Γ(n+12)(2nπ)

gdyż

Γ(n+12)=π(2n−1)!!2n.

Silnia wielokrotna

 Osobny artykuł: Silnia wielokrotna.

Silnia podwójna jest szczególnym przypadkiem silni wielokrotnej. Analogicznie definiuje się silnię potrójną n!!!, poczwórną n!(4) i ogólnie, silnię k-tą, k=1,2,…, którą oznaczamy symbolem n!(k). Definiuje się ją następująco:

n!(k)={1 gdy n=0n gdy 0<n⩽kn⋅(n−k)!(k) gdy n>k

Czyli np.:

n!=n(n−1)(n−2)⋯2⋅1
n!!=n(n−2)(n−4)⋯
n!!!=n(n−3)(n−6)⋯
n(4)!=n(n−4)(n−8)⋯

Przypisy

  1. ↑ Silnia, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-21].
  2. 1 2 3 4 Bronsztejn i Siemiendiajew 2019 ↓, s. 191.
  3. ↑ Peter J. Cameron: Combinatorics: Topics, Techniques, Algorithms. Cambridge University Press, 1994, s. 12–14. ISBN 978-0-521-45133-8. Cytat: 2.4: Orders of magnitude.
  4. ↑ Eric W. Weisstein, Factorion, [w:] MathWorld, Wolfram Research [dostęp 2017-05-25] (ang.).
  5. ↑ Bronsztejn i Siemiendiajew 2019 ↓, s. 192.
  6. ↑ Abramowitz i Stegun 1970 ↓, s. 255.
  7. 1 2 Weisstein i Doublefactorial ↓.
  8. ↑ Weisstein i Multifactorial ↓.

Bibliografia

Linki zewnętrzne