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Double factorial

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The fifteen different chord diagrams on six points, or equivalently the fifteen different perfect matchings on a six-vertex complete graph. These are counted by the double factorial 15 = (6 − 1)‼.

수학(mathematics)에서, 숫자 n두-배 팩토리얼(double factorial) 또는 반-팩토리얼(semifactorial)은, n로 표시되며, n과 같은 패리티(parity, 홀수 또는 짝수)를 가지는 1에서 n까지의 모든 정수(integers)의 곱입니다.[1] 즉,

짝수 n에 대해, 두-배 팩토리얼은 다음과 같습니다:

그리고 홀수 n에 대해 그것은 다음과 같습니다:

예를 들어, 9‼ = 9 × 7 × 5 × 3 × 1 = 945. 영 두-배 팩토리얼은 빈 곱(empty product)으로 0‼ = 1입니다.[2][3]

짝수 0, 2, 4, 6, 8,...에 대해 두-배 팩토리얼의 수열(sequence)은 다음으로 시작합니다:

1, 2, 8, 48, 384, 3840, 46080, 645120,... (OEIS에서 수열 A000165)

홀수 n = 1, 3, 5, 7, 9,...에 대해 두-배 팩토리얼의 수열(sequence)은 다음으로 시작합니다:

1, 3, 15, 105, 945, 10395, 135135,... (OEIS에서 수열 A001147)

용어 홀수 팩토리얼(odd factorial)은 때때로 홀수의 두-배 팩토리얼에 대해 사용됩니다.[4][5]

History and usage

1902년 논문에서, 물리학자 아서 슈스터(Arthur Schuster)는 다음과 같이 썼습니다:[6]

이 논문의 결과에 대한 기호적 표현은 교대하는 인수의 곱에 대해 별도의 기호, 이 홀수이면, , 또는 이 홀수이면, 를 도입함으로써 훨씬 용이해집니다. 나는 그러한 곱에 대해 라고 쓰기를 제안하고, 그러한 곱에 대해 이름이 요구되면, 그것을 "교대하는 팩토리얼" 또는 "두-배 팩토리얼"라고 부를 수 있습니다.

Meserve (1948)[7] 두-배 팩토리얼이 원래 월러스 곱(Wallis product)의 유도에서 발생하는 특정 삼각 적분(trigonometric integrals)의 표현을 단순화하기 위해 도입되었다고 말합니다. 두-배 팩토리얼은 초-구(hypersphere)의 부피를 표현하는 데에도 발생하고, 그것들은 열거 조합론(enumerative combinatorics)에서 많은 응용을 가집니다.[1][8] 비록 고셋(Gosset)이 이중 느낌표 표기법을 사용하지 않았지만, 그것들은 스튜던트의 t-분포(Student's t-distribution) (1908)에서 발생합니다.

Relation to the factorial

두-배 팩토리얼은 보통의 팩토리얼(factorial)의 인수의 약 절반만 포함하기 때문에, 그 값은 팩토리얼 n!의 제곱근보다 실질적으로 크지 않고, 그것은 반복 팩토리얼 (n!)!보다 훨씬 작습니다.

비-영 n의 팩토리얼은 두 개의 두-배 팩토리얼의 곱으로 쓸 수 있습니다:[2]

그리고 따라서

여기서 분모는 분자에서 원하지 않는 인수를 취소합니다. (마지막 형식은 n = 0일 때도 적용됩니다.)

k ≥ 0을 갖는 짝수 비-음의 정수 n = 2k에 대해, 두-배 팩토리얼은 다음과 같이 표현될 수 있습니다:

k ≥ 1을 갖는 홀수 n = 2k − 1에 대해, 위의 두 개를 조합하면 다음을 산출합니다:

k ≥ 1을 갖는 홀수 양의 정수에 대해, 두-배 팩토리얼은 2kk-순열의 관점에서 다음과 같이 표현될 수 있습니다:[1][9]

Asymptotics

팩토리얼 에 대해 스털링의 근사(Stirling's approximation)이 무한대로 경향일 때 다음 점근적 동등물을 유도하기 위해 사용될 수 있습니다:

Applications in enumerative combinatorics

The fifteen different rooted binary trees (with unordered children) on a set of four labeled leaves, illustrating 15 = (2 × 4 − 3)‼ (see article text).

두-배 팩토리얼은 그것들이 열거 조합론(enumerative combinatorics)과 기타 설정에서 자주 발생한다는 사실에 의해 동기가 부여됩니다. 예를 들어, n의 홀수 값에 대해 n은 다음을 셉니다:

  • 홀수 n에 대한 완전한 그래프(complete graph) Kn + 1완벽한 일치(Perfect matchings). 그러한 그래프에서, 임의의 단일 꼭짓점 v는 일치시킬 수 있는 n 가능한 꼭짓점의 선택을 가지고, 일단 이 선택이 이루어지면 남은 문제는 두 개의 더 적은 꼭짓점을 갖는 완전한 그래프에서 완벽한 일치를 선택하는 것입니다. 예를 들어, 4개의 꼭짓점 a, b, c, 및 d를 갖는 완전한 그래프는 세 가지 완벽한 일치: abcd, acbd, 및 adbc를 가집니다.[1] 완벽한 일치는 n + 1 항목의 집합 (각 주기가 쌍인 순열)에 고정된 점 없이 인볼루션(involutions) 또는 코드 다이어그램 (브라우어(Brauer) 다이어그램이라고도 하는 각 점이 정확하게 하나의 현의 끝점임을 만족하는 원 위에 균등한 간격으로 배치된 n + 1 개의 점 집합의 현의 집합)을 포함하여 여러 다른 동등한 방법에서 설명될 수 있습니다.[8][10][11] 완전한 그래프에서 일치의 숫자는 일치를 완벽한 것으로 제한 없이, 대신 두-배 팩토리얼을 포함하는 합계로 표현될 수 있는 전화 번호(telephone numbers)에 의해 제공됩니다.[12]
  • 스털링 순열(Stirling permutations), 숫자 1, 1, 2, 2, ..., k, k중복집합(multiset)의 순열, 이것에서 같은 숫자의 각 쌍은 더 큰 숫자로만 구분되며, 여기서 k = n + 1/2입니다. k의 두 복사본은 인접되어야 합니다; 순열에서 그것들을 제거하는 것은 최대 원소가 k − 1인 순열을 남기며, 인접한 k 값 쌍이 배치될 수 있는 n 위치를 가집니다. 이 재귀 구조에서, 스털링 순열이 이중 순열에 의해 세어진다는 증명은 귀납법에 의해 이어집니다.[1] 대안적으로, 쌍 사이의 값이 그것보다 클 수 있다는 제한 대신에, 각 쌍의 첫 번째 복사본이 정렬된 순서로 나타나는 이 중복집합의 순열을 고려할 수도 있습니다; 그러한 순열은 순열의 2k 위치에 대한 일치를 정의하므로, 다시 순열의 숫자는 이중 순열에 의해 계산될 수 있습니다.[8]
  • 힙-순서화된 트리(Heap-ordered trees), 트리의 뿌리는 레이블 0을 가지고, 각 다른 노드는 그것의 부모보다 더 큰 레이블을 가짐을 만족하고, 각 노드의 자식은 고정된 순서화를 가짐을 만족하는 0, 1, 2, ... k로 레이블-지정된 k + 1 개의 노드를 갖는 트리. (두-배된 가장자리를 갖는) 오일러 투어(Euler tour)는 스털링 순열을 제공하고, 모든 각 스털링 순열은 이러한 방법으로 트리를 나타냅니다.[1][13]
  • n + 5/2 레이블-지정된 잎을 갖는 뿌리-없는 이진 트리(Unrooted binary trees). 각각의 그러한 트리는 n 개의 트리 가장자리 중 하나를 세분화하고 새로운 꼭짓점을 새로운 잎의 부모로 만듦으로써 하나 더 적은 잎을 갖는 트리에서 형성될 수 있습니다.
  • n + 3/2 레이블-지정된 잎을 갖는 루트-있는 이진 트리(Rooted binary trees). 이 경우는 뿌리-없는 경우와 유사하지만, 세분화될 수 있는 가장자리의 숫자는 짝수이고, 가장자리를 세분화하는 것 외에도 두 개의 자식이 더 작은 트리와 새로운 잎인 새로운 뿌리를 더함으로써 하나 더 작은 잎을 갖는 트리에 노드를 추가할 수 있습니다.[1][8]

Callan (2009)Dale & Moon (1993)은 "사다리꼴 단어" (증가하는 홀수 기수를 갖는 혼합된 기수 시스템에서 숫자-표시), 높이-레이블-지정된 다이크 경로(Dyck paths), 높이-레이블-지정된 순서화된 트리, "오버행(overhang) 경로", 및 뿌리-있는 이진 트리에서 각 노드의 가장-낮은-숫자-지정된 잎 자손을 설명하는 특정 벡터를 포함하여 같은 세는 수열을 갖는 몇 가지 추가 대상을 나열합니다. 이들 대상 중 일부가 같게-많은 것이라는 전단사 증명(bijective proofs)에 대해, Rubey (2008)Marsh & Martin (2011)을 참조하십시오.[14][15]

짝수 두-배 팩토리얼은 초팔면체형 그룹(hyperoctahedral groups, 초입방체(hypercube)의 부호화된 순열 또는 대칭)의 원소의 숫자를 제공합니다.

Extensions

Negative arguments

보통의 팩토리얼은, 감마 함수(gamma function)로 확장될 때, 각 음의 정수에 극점(pole)을 가지며, 팩토리얼이 이들 숫자에서 정의되는 것을 방지합니다. 어쨌든, 홀수의 두-배 팩토리얼은 다음 재귀 관계(recurrence relation)

다음을 제공하기 위해 반전함으로써 임의의 음의 홀수 정수 인수로 확장될 수 있습니다:

이 반전된 재귀를 사용하여, (−1)!! = 1, (−3)!! = −1, 및 (−5)!! = 1/3입니다; 더 큰 크기를 갖는 음의 홀수는 분수 두-배 팩토리얼을 가집니다.[1] 특히 n이 홀수일 때, 이것은 다음을 제공합니다:

Complex arguments

n의 짝수 값에 대해 대한 n!!의 위의 정의를 무시하여, 홀수 정수에 대한 두-배 팩토리얼은 z가 양의 홀수 정수일 때 다음임을 주목함으로써 대부분의 실수와 복소수 z로 확장될 수 있습니다:[16][17]

이것으로부터, z의 비-음의 짝수 정수 값에 대해 z!!의 대안적인 정의를 계산합니다:

이 경우에서 0!!에 대한 값은 다음입니다: (OEIS에서 수열 A076668):

z!!에 대해 찾은 표현은 음의 짝수 정수를 제외한 모든 복소수에 대해 정의됩니다. 그것을 정의로 사용하여, 반지름 Rn-차원(dimensional) 초-구(hypersphere)부피(volume)는 다음으로 나타낼 수 있습니다:[18]

z의 양의 짝수 값에 대한 공식 과 일치하는 두-배 팩토리얼의 다른 확장은 다음입니다:[2]

Additional identities

n의 정수 값에 대해,

대신 홀수의 두-배 팩토리얼을 복소수로의 확장을 사용하여, 공식은 다음입니다:

두-배 팩토리얼은 역시 더 복잡한 삼각 다항식의 적분을 평가하기 위해 사용될 수 있습니다.[7][19]

홀수의 두-배 팩토리얼은 다음 항등식에 의해 감마 함수(gamma function)와 관련됩니다:

홀수의 두-배 팩토리얼과 관련하여 일부 추가적인 항등식은 다음입니다:[1]

두 연속 정수의 두-배 팩토리얼의 비율에 대해 근사는 다음입니다:

이 근사는 n이 증가함에 따라 더 정확해지며, 이는 월리스 적분(Wallis Integral)의 결과로 볼 수 있습니다.

Generalizations

Definitions

두-배 팩토리얼이 단일 팩토리얼(single factorial)의 개념을 일반화하는 것과 같은 방법으로, 정수-값 배수의 팩토리얼 함수 (배수-팩토리얼), 또는 α-팩토리얼 함수의 다음 정의는, 에 대해 두-배 팩토리얼 함수의 개념을 확장합니다:

Alternative extension of the multifactorial

대안적으로, 배수-팩토리얼 n!(α)nα의 양의 배수보다 하나 더 클 때 다음임을 주목함으로써 대부분의 실수와 복소수 n으로 확장될 수 있습니다:

이 마지막 표현은 원본보다 훨씬 더 광범위하게 정의됩니다. n!이 음의 정수에 대해 정의되지 않고, n가 음의 짝수 정수에 대해 정의되지 않는 것과 같은 방법에서, n!(α)α의 음의 배수에 대해 정의되지 않습니다. 어쨌든, 그것은 모든 다른 복소수에 대해 정의됩니다. 이 정의는 n ≡ 1 mod α를 만족시키는 오직 그것들 정수 n에 대해 이전 정의와 일치합니다.

n!(α)을 대부분의 복소수 n으로 확장하는 것 외에도, 이 정의는 α의 모든 양의 실수 값에 대해 작동하는 특색을 가집니다. 게다가, α = 1일 때, 이 정의는 위에서 설명한 Π(n) 함수와 수학적으로 동등합니다. 역시, α = 2일 때, 이 정의는 두-배 팩토리얼의 대안적인 확장과 수학적으로 동등합니다.

Generalized Stirling numbers expanding the multifactorial functions

일반화된 첫 번째 종류의 스털링 숫자의 클래스는 다음 삼각 재귀 관계에 의해 α > 0에 대해 정의됩니다:

이들 일반화된 α-팩토리얼 계수(α-factorial coefficients)는 그런-다음 다음과 같이 배수 팩토리얼 또는 α-팩토리얼 함수, (x − 1)!(α)를 정의하는 고유한 기호 다항식 곱을 생성합니다:

이전 방정식의 고유한 다항식 확장은 실제로 n0 ∈ {0, 1, 2, ..., α − 1}에 대해 최소 잔여 xn0 mod α의 여러 구별되는 경우에 대해 α-팩토리얼 곱을 정의합니다.

일반화된 α-팩토리얼 다항식, σ(α)
n
(x)
은, 여기서 σ(1)
n
(x) ≡ σn(x)
, 단일 팩토리얼 경우에서 배수-팩토리얼 경우로 스털링 합성곱 다항식(Stirling convolution polynomials)을 일반화하며, 0 ≤ nx에 대해 다음에 의해 정의됩니다:

이들 다항식은 다음에 의해 주어진 특히 멋진 닫힌-형식 보통의 생성 함수(ordinary generating function)를 가집니다:

이들 일반화된 α-팩토리얼 삼각형과 다항식 수열의 다른 조합론적 속성과 확장은 Schmidt (2010)에서 고려됩니다.[20]

Exact finite sums involving multiple factorial functions

n ≥ 1α ≥ 2가 정수 값이라고 가정합니다. 그런-다음 우리는 포흐하머 기호(Pochhammer symbol)와 일반화된, 유리-값 이항 계수(binomial coefficients)의 관점에서 배수-팩토리얼, 또는 α-팩토리얼 함수 (αn − 1)!(α)를 포함하는 다음 단일 유한 합을 다음으로 확장할 수 있습니다:

그리고 더욱이, 우리는 유사하게 다음에 의해 주어진 이들 함수의 두-배 합 확장을 가집니다:

위의 처음 두 합은 Callan (2009)에 의해 주어진 α := 2일 때 두-배 팩토리얼 함수에 대해 알려진 비-라운드(non-round) 조합론적 항등식과 형식에서 유사합니다.

문맥-자유 문법을 통해 유사한 항등식이 얻어질 수 있습니다.[21] 임의의 0 ≤ d < α에 대해 임의의 규정된 정수 h ≥ 2 모듈로, α-팩토리얼 함수, (αnd)!(α)에 대해 일치의 추가적인 유한 합 확장은 Schmidt (2018)에 의해 제공됩니다.Schmidt (2018)

References

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