Stirling-Zahl
Die Stirling-Zahlen erster und zweiter Art, benannt nach James Stirling, werden in der Kombinatorik und der theoretischen Informatik verwendet.
Bezeichnung und Notation[Bearbeiten]
Mit Hinweis auf eine bereits 1730 veröffentlichte Arbeit Stirlings, in der diese Zahlen untersucht werden,<ref>James Stirling: Methodus Differentialis: sive Tractatus de Summatione et Interpolatione Serierum Infinitarum, G. Strahan, Londini (London) 1730 (lateinisch; Tafel der Stirling-Zahlen zweiter Art auf S. 8, der Stirling-Zahlen erster Art auf S. 11)</ref> führte Niels Nielsen 1906 im Handbuch der Theorie der Gammafunktion die Bezeichnung „Stirlingsche Zahlen erster und zweiter Art“ ein<ref>Nielsen: Fakultäten und Fakultätenkoeffizienten, 1906, S. 66–67</ref> („nombres de Stirling“ bereits in einem 1904 veröffentlichten Artikel).<ref>Niels Nielsen: Recherches sur les polynomes et les nombres de Stirling, Annali di matematica pura ed applicata 10, 1904, S. 287–318 (französisch)</ref>
Weder die Bezeichnung als Stirlingzahlen noch einheitliche Notationen haben sich durchgesetzt.<ref>Henry W. Gould: Noch einmal die Stirlingschen Zahlen, Jahresbericht der DMV 73, 1971/72, S. 149–152</ref><ref name=knuth1992>Donald E. Knuth: Two notes on notation, The American Mathematical Monthly 99, 1992, S. 403–422 (englisch; Zentralblatt-Rezension)</ref> In diesem Artikel werden Stirlingzahlen der ersten Art mit kleinem <math>s</math> bezeichnet oder übereinander in eckigen Klammern geschrieben, Stirlingzahlen der zweiten Art mit großem <math>S</math> bezeichnet oder übereinander in geschweiften Klammern geschrieben:
- <math>s_{n,k} = \left[{n \atop k}\right], \qquad S_{n,k} = \left\{{n \atop k}\right\}</math>.
Die Klammernotation, auch Karamata-Notation genannt, wurde 1935 von Jovan Karamata in Analogie zu den Binomialkoeffizienten <math>\tbinom{n}{k}</math> eingeführt,<ref>Jovan Karamata: Théorèmes sur la sommabilité exponentielle et d’autres sommabilités s’y rattachant (21. Mai 1932), Mathematica (Cluj) 9, 1935, S. 164–178 (französisch; Zentralblatt-Rezension)</ref> 1992 setzte sich Donald Knuth mit einem ausführlichen Exkurs über die Stirling-Zahlen für diese Schreibweise ein.<ref name=knuth1992 />
Stirling-Zahlen erster Art[Bearbeiten]
Die Stirling-Zahl erster Art <math>s_{n,k}</math> ist die Anzahl der Permutationen einer <math>n</math>-elementigen Menge, die genau <math>k</math> Zyklen haben. Nach einer häufig verwendeten anderen Definition wird stattdessen <math>(-1)^{n-k} s_{n,k}</math> als Stirling-Zahl erster Art bezeichnet.
Beispiel[Bearbeiten]
Die Menge <math>\{a,b,c,d\}</math> mit <math>n=4</math> Elementen kann auf folgende Weisen auf <math>k=2</math> Zyklen aufgeteilt werden:
- <math>(a b c)(d),\text{ }(a c b)(d),\text{ }(a b d)(c),\text{ }(a d b)(c),\text{ }(a c d)(b),\text{ }(a d c)(b),\text{ }(b c d)(a),\text{ }(b d c)(a),\text{ }(a b)(c d),\text{ }(a c)(b d),\text{ }(a d)(b c)</math>
Also ist <math>s_{4,2} = 11</math>. Für weitere Beispiele siehe Zykeltyp.
Eigenschaften[Bearbeiten]
Es gelten die expliziten Formeln
- <math>s_{n,k} = \!\!\! \sum_{0 < i_1 < i_2 < \ldots < i_{n-k} < n} \!\!\! i_1 i_2 \cdots i_{n-k} = (n-1)! \!\!\! \sum_{0 < j_1 < j_2 < \ldots < j_{k-1} < n} \!\!\! (j_1 j_2 \cdots j_{k-1})^{-1}</math>
und die rekursive Formel
- <math>s_{n+1,k} = s_{n,k-1} + n\,s_{n,k}</math>
mit den Anfangsbedingungen
- <math>s_{n,n} = 1</math> und
- <math>s_{n,k} = 0</math> für <math>k = 0 < n</math> oder <math>n < k.</math>
Weitere spezielle Werte sind
- <math>s_{n,1} = (n-1)!</math>
- <math>s_{n,2} = (n-1)!\,H_{n-1},</math> Folge A000254 in OEIS
- <math>s_{n,3} = \tfrac{1}{2}\,(n-1)!\,(H_{n-1}^2 - H_{n-1,2}),</math> Folge A000399 in OEIS
- <math>s_{n,n-3} = \tbinom{n}{4}\tbinom{n}{2} = \tfrac{1}{48}\,n^2\,(n-1)^2\,(n-2)\,(n-3),</math> Folge A001303 in OEIS
- <math>s_{n,n-2} = \tfrac{1}{24}\,n\,(n-1)\,(n-2)\,(3n-1),</math> Folge A000914 in OEIS
- <math>s_{n,n-1} = \tbinom{n}{2} = \tfrac{1}{2}\,n\,(n-1)</math>
für alle <math>n > 0,</math> wobei <math>H_{n-1} = 1^{-1} + 2^{-1} + ... + (n-1)^{-1}</math> die <math>(n-1)</math>-te harmonische Zahl und <math>H_{n-1,2} = 1^{-2} + 2^{-2} + ... + (n-1)^{-2}</math> eine verallgemeinerte harmonische Zahl ist.
Allgemein kann <math>s_{n,n-k}</math> als Polynom in <math>n</math> vom Grad <math>2 k</math> aufgefasst werden. Es hat den Leitkoeffizienten <math>1/(2^k k!)</math> und enthält für alle <math>k > 0</math> die Faktoren n, n−1, …, n−k und für ungerade <math>k > 1</math> die Faktoren n2 und (n−1)2. Das Polynom
- <math>\psi_k(n) = s_{n+1,n-k} / \bigl((n+1)\,n \cdots (n-k)\bigr)</math>
in <math>n</math> vom Grad <math>k</math> wird auch als Stirling-Polynom bezeichnet,<ref name=nielsen1906>Nielsen: Fakultäten und Fakultätenkoeffizienten, 1906, S. 72 ff.</ref> siehe auch Abschnitt Stirling-Polynome.
- <math>\sum_{n=0}^\infty s_{n,k}\,\frac{t^n}{n!} = \frac{1}{k!} \bigl(\!-\log(1-t)\bigr)^k</math> und <math>\sum_{k=0}^\infty \sum_{n=0}^\infty s_{n,k}\,\frac{t^n}{n!}\,u^k = (1-t)^{-u}</math> und
- <math>\sum_{k=0}^n s_{n,k}\,x^k = (x)^n</math>
mit der steigenden Faktoriellen <math>(x)^n = x\,(x+1)\,\cdots\,(x+n-1).</math>
Ist <math>p</math> eine Primzahl, dann ist <math>s_{p,k}</math> für <math>1 < k < p</math> durch <math>p</math> teilbar<ref>Comtet: Advanced combinatorics, 1974, S. 218</ref> und für gerade <math>k < p-1</math> durch <math>p^2</math> teilbar (Nielsen 1893).<ref>Niels Nielsen: Om Potenssummer af hele Tal, Nyt Tidsskrift for Mathematik B 4, 1893, S. 1–10 (dänisch; Formel 17 auf S. 4 mit <math>A_{n,p}=s_{n+1,n+1-p}</math>; Jahrbuch-Bericht)</ref> Der Satz von Wolstenholme ist der Spezialfall <math>k=2.</math>
Da <math>n!</math> die Anzahl aller Permutationen einer <math>n</math>-elementigen Menge ist, folgt
- <math>\sum_{k=0}^n s_{n,k} = n!</math>
und insbesondere <math>s_{n,k} \leq n!</math> direkt aus der Definition von <math>s_{n,k}.</math>
Für jedes <math>n > 2</math> existiert ein <math>m_n,</math> so dass
- <math>s_{n,0} < s_{n,1} < \ldots < s_{n,m_n-1} < s_{n,m_n} > s_{n,m_n+1} > \ldots > s_{n,n}</math>
und <math>m_{n+1} = m_n</math> oder <math>m_{n+1} = m_n + 1</math> (Erdős 1953).<ref>Paul Erdős: On a conjecture of Hammersley, Journal of the London Mathematical Society 28, 1953, S. 232–236 (englisch; nur der Beweis für <math>s_{n,m_n-1} \neq s_{n,m_n}</math> ist nicht elementar; Zentralblatt-Rezension)</ref>
Für jedes <math>n</math> ist die Folge <math>s_{n,0}, s_{n,1}, ..., s_{n,n}</math> streng logarithmisch konkav,<ref name=lieb1968>Elliott H. Lieb: Concavity properties and a generating function for Stirling numbers, Journal of Combinatorial Theory 5, September 1968, S. 203–206 (englisch; Zentralblatt-Rezension)</ref> das heißt, <math>s_{n,k}^2 > s_{n,k-1} s_{n,k+1}</math> für <math>0 < k < n.</math>
Das asymptotische Verhalten von <math>s_{n,k}</math> für <math>n \to \infty</math> bei festem <math>k</math> ist
- <math>s_{n,k} \sim \frac{(n-1)!}{(k-1)!} \, (\gamma + \log n)^{k-1}</math>
mit der Euler-Mascheroni-Konstante <math>\gamma.</math> Die Asymptotik gilt auch für langsam wachsendes <math>k</math>, genauer für <math>k = o(\log n)</math>.
Stirling-Zahlen zweiter Art[Bearbeiten]
Die Stirling-Zahl zweiter Art <math>S_{n,k}</math> ist die Anzahl der <math>k</math>-elementigen Partitionen einer <math>n</math>-elementigen Menge, also die Anzahl der Möglichkeiten, eine <math>n</math>-elementige Menge in <math>k</math> nichtleere disjunkte Teilmengen aufzuteilen.
<math>S_{n,k}</math> ist auch die Anzahl der Möglichkeiten, <math>n</math> unterscheidbare Bälle auf <math>k</math> nicht unterscheidbare Fächer aufzuteilen, so dass mindestens ein Ball in jedem Fach liegt. Sind die Fächer unterscheidbar, so erhält man <math>k! S_{n,k}</math> Möglichkeiten, dies ist auch die Anzahl surjektiver Abbildungen einer <math>n</math>-elementigen Menge auf eine <math>k</math>-elementige Menge.
Beispiel[Bearbeiten]
Die Menge <math>\{a,b,c,d\}</math> mit <math>n=4</math> Elementen kann auf folgende Weisen in <math>k=2</math> nichtleere disjunkte Teilmengen zerlegt werden:
- <math> \{\{a,b\},\{c,d\}\},\ \{\{a,c\},\{b,d\}\},\ \{\{a,d\},\{b,c\}\},</math>
- <math> \{\{a,b,c\},\{d\}\},\ \{\{a,b,d\},\{c\}\},\ \{\{a,c,d\},\{b\}\},\ \{\{b,c,d\},\{a\}\}.</math>
Also ist <math>S_{4,2} = 7</math>.
Eigenschaften[Bearbeiten]
Es gelten die expliziten Formeln
- <math>S_{n,k} = \frac{1}{k!} \sum_{j=0}^{k} (-1)^{k-j} \binom{k}{j} j^{\,n}</math> und
- <math>S_{n,k} = \!\!\! \sum_{1 \leq i_1 \leq i_2 \leq ... \leq i_{n-k} \leq k} \!\!\! i_1 i_2 \cdots i_{n-k} = \!\!\! \sum_{c_1+c_2+\cdots+c_k=n-k} \!\!\! 1^{c_1} 2^{c_2} \cdots k^{c_k}</math>
mit ganzzahligen nichtnegativen <math>c_1, c_2, ..., c_k</math> und die rekursive Formel
- <math>S_{n+1,k} = S_{n,k-1} + k\,S_{n,k}</math>
mit den Anfangsbedingungen
- <math>S_{n,n} = 1</math> und
- <math>S_{n,k} = 0</math> für <math>k = 0 < n</math> oder <math>n < k.</math>
Weitere spezielle Werte sind
- <math>S_{n,1} = 1</math>
- <math>S_{n,2} = 2^{n-1} - 1</math>
- <math>S_{n,3} = \tfrac{1}{2}\,(3^{n-1} - 2^n + 1),</math> Folge A000392 in OEIS
- <math>S_{n,n-3} = \tbinom{n}{4}\tbinom{n-2}{2} = \tfrac{1}{48}\,n\,(n-1)\,(n-2)^2\,(n-3)^2,</math> Folge A001297 in OEIS
- <math>S_{n,n-2} = \tfrac{1}{24}\,n\,(n-1)\,(n-2)\,(3n-5),</math> Folge A001296 in OEIS
- <math>S_{n,n-1} = \tbinom{n}{2} = \tfrac{1}{2}\,n\,(n-1)</math>
für alle <math>n > 0.</math>
Auch <math>S_{n,n-k}</math> kann als Polynom in <math>n</math> vom Grad <math>2 k</math> aufgefasst werden. Es hat den Leitkoeffizienten <math>1/(2^k k!)</math> und enthält für alle <math>k > 0</math> die Faktoren n, n−1, …, n−k und für ungerade <math>k > 1</math> die Faktoren (n−k)2 und (n−k+1)2. Man erhält dasselbe Stirling-Polynom <math>k</math>-ten Grades wie bei den Stirling-Zahlen erster Art mittels
- <math>(-1)^k \psi_k(-n) = S_{n+k,n-1} / \bigl((n+k)\,(n+k-1) \cdots (n-1)\bigr).</math>
Erzeugende Funktionen sind
- <math>\sum_{n=0}^\infty S_{n,k}\,\frac{t^n}{n!} = \frac{1}{k!} (e^t-1)^k</math> und <math>\sum_{k=0}^\infty \sum_{n=0}^\infty S_{n,k}\,\frac{t^n}{n!}\,u^k = e^{(e^t-1) u}</math> und
- <math>\sum_{n=0}^\infty S_{n,k}\,u^n = \frac{u^k}{(1-u)(1-2u)\cdots(1-ku)}</math> und
- <math>\sum_{k=0}^n S_{n,k}\,(x)_k = x^n</math>
mit der fallenden Faktoriellen <math>(x)_n = x\,(x-1)\,\cdots\,(x-n+1).</math>
Ist <math>p</math> eine Primzahl, dann ist <math>S_{p,k}</math> für <math>1 < k < p</math> durch <math>p</math> teilbar.<ref>Comtet: Advanced combinatorics, 1974, S. 219</ref>
Da die Bellsche Zahl <math>B_n</math> die Anzahl aller Partitionen einer <math>n</math>-elementigen Menge ist, gilt
- <math>\sum_{k=0}^n S_{n,k} = B_n.</math>
Die Bernoulli-Zahl βn erhält man als die alternierende Summe
- <math>\sum_{k=0}^n (-1)^k \frac{k!}{k+1} S_{n,k} = \beta_n.</math>
Mit Hilfe der Rekursionsformel kann man zeigen, dass für jedes <math>n > 2</math> ein <math>m_n</math> existiert, so dass
- <math>S_{n,0} < S_{n,1} < \ldots < S_{n,m_n-1} \leq S_{n,m_n} > S_{n,m_n+1} > \ldots > S_{n,n}</math>
und <math>m_{n+1} = m_n</math> oder <math>m_{n+1} = m_n + 1</math> gilt. Es ist eine offene Frage, ob ein <math>n > 2</math> existiert, für das der Fall <math>S_{n,m_n-1} = S_{n,m_n}</math> eintritt.<ref>E. Rodney Canfield, Carl Pomerance: On the problem of uniqueness for the maximum Stirling number(s) of the second kind, Integers 2, 2002, A01 (englisch; Corrigendum; Zentralblatt-Rezension)</ref>
Für jedes <math>n</math> ist die Folge <math>S_{n,0}, S_{n,1}, ..., S_{n,n}</math> streng logarithmisch konkav,<ref name=lieb1968 /> das heißt, <math>S_{n,k}^2 > S_{n,k-1} S_{n,k+1}</math> für <math>0 < k < n.</math>
Beziehung zwischen den Stirling-Zahlen erster und zweiter Art[Bearbeiten]
Aus den Beziehungen
- <math>x^n = \sum_{k=0}^{n} S_{n,k}\,(x)_k</math> und <math>(x)_n = \sum_{k=0}^{n} (-1)^{n-k} s_{n,k}\,x^k,</math>
die auch häufig zur Definition der Stirling-Zahlen zweiter und erster Art verwendet werden, folgt, dass diese die Koeffizienten von zueinander inversen linearen Transformationen sind, der Stirling-Transformation und der inversen Stirling-Transformation. Das heißt, dass die unteren Dreiecksmatrizen <math>\bigl(S_{n,k}\bigr)_{n,k}</math> und <math>\bigl((-1)^{n-k} s_{n,k}\bigr)_{n,k}</math> zueinander inverse Matrizen sind:
- <math>\sum_{i=0}^\infty S_{n,i}\,(-1)^{i-k} s_{i,k} = \delta_{n,k} = \sum_{i=0}^\infty (-1)^{n-i} s_{n,i}\,S_{i,k}</math>
mit dem Kronecker-Delta <math>\delta_{n,k} = 1</math> für <math>n=k</math> und <math>\delta_{n,k} = 0</math> für <math>n \neq k.</math>
Die Stirlingzahlen erster und zweiter Art lassen sich jeweils durch die anderen darstellen (Schlömilch 1852):<ref>Oskar Schlömilch: Recherches sur les coefficients des facultés analytiques, Journal für die reine und angewandte Mathematik 44, 1852, S. 344–355 (französisch; Formel 14 auf S. 346 mit <math> C^{+n}_k = s_{n,n-k}</math> und <math>C^{-n}_k = S_{n+k,n}</math>)</ref>
- <math>(-1)^{n-k} s_{n,k} = \sum_{j=0}^{n-k} (-1)^j \binom{n+j-1}{k-1} \binom{2n-k}{n-k-j} S_{n-k+j,j}</math> und
- <math>S_{n,k} = \sum_{j=0}^{n-k} (-1)^j \binom{n+j-1}{k-1} \binom{2n-k}{n-k-j} (-1)^{n-k} s_{n-k+j,j}.</math>
Die Stirlingzahlen können eindeutig so auf negative ganze Indizes <math>n</math> und <math>k</math> fortgesetzt werden, dass die Rekursionsformeln
- <math>s_{n+1,k} = s_{n,k-1} + n\,s_{n,k}</math> und <math>S_{n+1,k} = S_{n,k-1} + k\,S_{n,k}</math>
allgemein gelten und <math>S_{n,k} = 0 = s_{n,k}</math> für <math>n < k = 0.</math> Man erhält die für alle ganzen Zahlen <math>n</math> und <math>k</math> gültige Dualität
- <math>S_{-n,-k} = s_{k,n}\,,</math>
die auch die beiden Rekursionsformeln ineinander überführt, außerdem <math>S_{n,k} = 0 = s_{n,k}</math> für <math>n\text{ }k < 0.</math> Setzt man in die als Polynome in <math>n</math> aufgefassten <math>S_{n,n-k}</math> und <math>s_{n,n-k}</math> für <math>n</math> negative ganze Zahlen ein, so erhält man dieselbe Fortsetzung auf negative ganze Indizes und für die Polynome die Dualität<ref>Ira Gessel, Richard P. Stanley: Stirling polynomials (PDF-Datei, 534 kB), Journal of combinatorial theory A 24, 1978, S. 24–33 (englisch; Zentralblatt-Rezension)</ref>
- <math>S_{n,n-k} = s_{(k-n),(k-n)-k}\,.</math>
Analogie zu den Binomialkoeffizienten[Bearbeiten]
Für die Binomialkoeffizienten gilt
- <math>\binom{n+1}{k} = \binom{n}{k-1} + \binom{n}{k}.</math>
Die Karamata-Notation betont die Analogie:
- <math>\Bigl[{n+1 \atop k}\Bigr] = \Bigl[{n \atop k-1}\Bigr] + n\,\Bigl[{n \atop k}\Bigr]</math>
- <math>\Bigl\{{n+1 \atop k}\Bigr\} = \Bigl\{{n \atop k-1}\Bigr\} + k\,\Bigl\{{n \atop k}\Bigr\}</math>
Entsprechend lassen sich die Stirling-Zahlen in einem Dreiecksschema ähnlich dem Pascalschen Dreieck anordnen und zeilenweise berechnen.
Dreieck für Stirling-Zahlen erster Art (erste Zeile <math>n=1,</math> erste Spalte <math>k=1;</math> Folge A130534 in OEIS):
1
1 1
2 3 1
6 11 6 1
24 50 35 10 1
120 274 225 85 15 1
720 1764 1624 735 175 21 1
5040 13068 13132 6769 1960 322 28 1
40320 109584 118124 67284 22449 4536 546 36 1
... ... ... ... ... ... ... ... ... 1
Dreieck für Stirling-Zahlen zweiter Art (erste Zeile <math>n=1,</math> erste Spalte <math>k=1;</math> Folge A008277 in OEIS):
1
1 1
1 3 1
1 7 6 1
1 15 25 10 1
1 31 90 65 15 1
1 63 301 350 140 21 1
1 127 966 1701 1050 266 28 1
1 255 3025 7770 6951 2646 462 36 1
1 ... ... ... ... ... ... ... ... 1
Als eine weitere Analogie gibt es <math>k! \tbinom{n}{k}</math> injektive und <math>\textstyle n!\bigl\{\!{k \atop n}\!\bigr\}</math> surjektive Funktionen mit <math>k</math>-elementiger Definitions- und <math>n</math>-elementiger Zielmenge.<ref>Antal E. Fekete: Apropos Two notes on notation, The American Mathematical Monthly 101, Oktober 1994, S. 771–778 (englisch; Zentralblatt-Rezension)</ref>
Stirling-Polynome
Die im Abschnitt Stirling-Zahlen erster Art eingeführten Stirling-Polynome werden auch durch die erzeugenden Funktionen
- <math>\Bigl(\frac{t}{1-e^{-t}}\Bigr)^{x+1} = 1 + (x+1) \sum_{k=0}^\infty \psi_k(x)\,t^{k+1}</math> und
- <math>\Bigl(\frac{-\log(1-t)}{t}\Bigr)^x = 1 + x \sum_{k=0}^\infty \psi_k(x+k)\,t^{k+1}</math>
beschrieben, die man durch Verallgemeinerung erzeugender Funktionen von <math>S_{n,k}</math> und <math>s_{n,k}</math> erhält. Nach einer anderen Definition werden die Polynome <math>S_0(x) = 1</math> und <math>S_k(x) = k! (x+1) \psi_{k-1}(x)</math> als Stirling-Polynome bezeichnet. Die Polynome ψ0(x), ψ1(x), …, ψ6(x) sind
- <math>\tfrac{1}{2},</math> <math>\tfrac{1}{24} (3 x + 2),</math> <math>\tfrac{1}{48} (x + 1)\,x,</math> <math>\tfrac{1}{5760} (15 x^3 + 15 x^2 - 10 x - 8),</math> <math>\tfrac{1}{11520} (x + 1)\,x\,(3 x^2 - x - 6),</math>
- <math>\tfrac{1}{2903040} (63 x^5 - 315 x^3 - 224 x^2 + 140 x + 96),</math> <math>\tfrac{1}{5806080} (x+1)\,x\,(9 x^4 - 18 x^3 - 57 x^2 + 34 x + 80),</math>
und spezielle Werte für <math>k > 0</math> sind
- <math>\psi_k(-1) = -\beta_{k+1} / ((k+1)! (k+1))</math> und <math>\psi_k(0) = \beta_{k+1} / (k+1)!</math>
mit der Bernoulli-Zahl βk+1.<ref name=nielsen1906 /> Berechnet werden können die Polynome mit den Formeln
- <math>\psi_k(x) = \sum_{j=0}^k \frac{C_{k+1,j}}{(2k+2-j)!} (x-k-1)_{k-j}</math> und
- <math>(-1)^k \psi_k(-x) = \sum_{j=0}^k \frac{\overline{C}_{k+1,j}}{(2k+2-j)!} (x-2)_{k-j}</math>
mit den durch <math>C_{1,0} = 1,</math> <math>C_{k,j} = 0</math> für j ∉ {0, 1, …, k−1} und
- <math>C_{k+1,j} = (2k+1-j)\,(C_{k,j-1} + C_{k,j}),</math> siehe Folge A111999 in OEIS,<ref>Jordan: Stirling’s numbers, 1979, S. 147–153</ref>
und den durch C̅1,0 = 1, C̅k,j = 0 für j ∉ {0, 1, …, k−1} und
- <math>\overline{C}_{k+1,j} = (k+1-j)\,\overline{C}_{k,j-1} + (2k+1-j)\,\overline{C}_{k,j}</math>
rekursiv definierten ganzzahligen Koeffizienten.<ref>Jordan: Stirling’s numbers, 1979, S. 168–173</ref> Für <math>k > 0</math> erhält man
- <math>s_{n,n-k} = \sum_{j=0}^{k-1} C_{k,j} \binom{n}{2k-j}</math> und <math>S_{n,n-k} = \sum_{j=0}^{k-1} \overline{C}_{k,j} \binom{n}{2k-j}.</math>
Diese Berechnung von <math>s_{n,n-k}</math> und <math>S_{n,n-k}</math> ist besonders für große <math>n</math> und kleine <math>k</math> effizient.
Programmierbeispiel[Bearbeiten]
Die Stirling-Zahlen lassen sich sehr einfach in einer rekursiven Methode implementieren. Beispielsweise können in Java die Stirling-Zahlen zweiter Art folgendermaßen implementiert werden.
Verlauf des Programmes:
- Wenn n = k = 0 ist, wird 1 zurückgegeben.
- Wenn n = 0 und k > 0 ist oder n > 0 und k = 0, wird 0 zurückgegeben.
- Wenn n und k beide größer als 0 sind, wird dieselbe Funktion zwei Mal in veränderter Form rekursiv aufgerufen und zurückgegeben.
- Wenn alle anderen Abfragen scheitern, heißt dass, das mindestens einer der beiden Werte negativ sein muss, und das Programm erzeugt einen Fehler.
<syntaxhighlight lang="java" line="1"> static int stirling(int n, int k) { if (n == 0 && k == 0) { return 1; } else if ((n == 0 && k > 0) || (n > 0 && k == 0)) { return 0; } else if (n > 0 && k > 0){ return stirling(n - 1, k - 1) + k * stirling(n - 1, k); } throw new IllegalArgumentException("Weder n noch k darf negativ sein."); } </syntaxhighlight>
Literatur[Bearbeiten]
- Niels Nielsen: Fakultäten und Fakultätenkoeffizienten, Kapitel 5 in Handbuch der Theorie der Gammafunktion, B. G. Teubner, Leipzig 1906, S. 66–78 (Umrechnung <math>C^p_n = s_{n,n-p}</math> und <math>\mathfrak C^{\,p}_{\,n} = S_{n-1+p,n-1}</math>; im Internet-Archiv, dito, dito; Jahrbuch-Bericht)
- Leonard Eugene Dickson: History of the theory of numbers. Volume I: Divisibility and primality, Carnegie Institution, Washington 1919, besonders S. 95–103 (englisch; Umrechnung <math>S_{n,m}=s_{m+1,m+1-n}</math> und <math>\sigma_{n,m}=S_{m+n,m}</math>; im Internet-Archiv; Jahrbuch-Bericht)
- Károly Jordan (Charles Jordan): Stirling’s numbers, Kapitel 4 in Calculus of finite differences, Chelsea, Budapest 1939, 2. Auflage New York 1947 1960, 3. Auflage 1965 1979, ISBN 0-8284-0033-4, S. 142–229 (englisch; Umrechnung <math>S_n^m = (-1)^{n-m} s_{n,m}</math> und <math>\mathfrak S_n^m = S_{n,m}</math>)
- Milton Abramowitz, Irene A. Stegun (Hrsg.): Handbook of mathematical functions with formulas, graphs, and mathematical tables (10. Auflage), US Department of Commerce/National Bureau of Standards, 1972, S. 822, 824–825, 833–835 (englisch; bei ConvertIt.com; bei der SFU Burnaby; Zentralblatt-Rezension)
- Louis Comtet: Advanced combinatorics: the art of finite and infinite expansions, D. Reidel, Dordrecht 1974, ISBN 90-277-0441-4, S. 204–229 (englisch)
- Martin Aigner: Combinatorial Theory. Springer, Berlin 1997, ISBN 3-540-61787-6 (englisch; Neuauflage der Ausgabe von 1979; Zentralblatt-Rezension)
- Ronald L. Graham, Donald E. Knuth, Oren Patashnik: Concrete mathematics: a foundation for computer science, Addison-Wesley, Reading 1988, 2. Auflage 1994, ISBN 0-201-55802-5, S. 257–266 (englisch; Knuths Webseite zum Buch mit Errata: Concrete Mathematics, Second Edition; Zentralblatt-Rezension)
Einzelnachweise[Bearbeiten]
<references />
Weblinks[Bearbeiten]
- Eric W. Weisstein: Stirling Number of the First Kind, Stirling Number of the Second Kind, Stirling Transform und Stirling Polynomial. In: MathWorld. (englisch)
- Stirling number of the first kind und Stirling number of the second kind bei The Wolfram Functions Site (englisch; mit Berechnungsmöglichkeit)
- Set Partitions: Stirling Numbers in der NIST Digital Library of Mathematical Functions (englisch)