عدد بيرنولي

في الرياضيات، أعداد بيرنولي B_n هي متسلسلة من الأعداد الكسرية ذات العلاقة الوثيقة بنظرية الأعداد. أعداد برنولي الأولى تأتي فيما يلي:

عندما يستعمل اصطلاح B₁=−¹⁄₂، تعرف المتتالية باسم أعداد برنولي الأولى، وعندما يستعمل اصطلاح B₁=+¹⁄₂، تعرف المتتالية باسم أعداد برنولي الثانية. باستثناء هذا الفرق، فإن أعداد برنولي الأولي والثانية متساوية. بما أن B_n=0 مهما كان n فرديا، وبما أن هناك عدة صيغ تحتوي على أعداد برنولي عندما يكون n زوجيا، يفضل بعض الكتاب كتابة B_n بدلا من B_2n.

تظهر أعداد بيرنولي في نشر متسلسلة تايلور لدوال ظل الزاوية والظل الزائدي وفي صيغ مجموع القوى المساوية للأعداد الصحيحة الموجبة الأولى وفي صيغة أويلر-ماكلورين وفي تعابير لبعض قيم دالة زيتا لريمان.

اكتُشفت هذه الأعداد من طرف عالم الرياضيات السويسري جاكوب بيرنولي, الذي سميت نسبة إليه، وفي الوقت نفسه تقريبا، وبصفة مستقلة عنه، من طرف عالم الرياضيات الياباني سيكي كاوا. نشر اكتشاف سيكي عام 1712^[1]^[2] في عمله Katsuyo Sampo; وكان ذلك بعد وفاته. ونُشر اكتشاف بيرنولي في عام 1713. وكان ذلك بعد وفاته أيضا.

رغم أن أعداد بيرنولي سهلة الحساب، فإن قيمها ليس لها أي وصف أولي : فهي قيم دالة زيتا لريمان عند أعداد صحيحة سالبة.

في الملاحظة G لعالمة الرياضيات آدا لوفلايس عن المحرك التحليلي في عام 1842, تصف لوفلايس خوارزمية لتوليد أعداد بيرنولي باستخدام آلة بابيج^{[~ 1]}. ونتيجة لذلك، تتميز أعداد بيرنولي كونها موضوع أول برنامج حاسوب كتب.

مجموع القوى

مقالة مفصلة: 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:

{\displaystyle S_{m}(n)=\sum _{k=1}^{n}k^{m}=1^{m}+2^{m}+\cdots +n^{m}\,}

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:

{\displaystyle S_{m}(n)={1 \over {m+1}}\sum _{k=0}^{m}{m+1 \choose {k}}B_{k}\;n^{m+1-k},}

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. ( ${\tbinom {m+1}{k}}$ 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+\cdots +1={\frac {1}{1}}\left(B_{0}n\right)=n.

بجعل m مساوية ل 1 وB₁ = 1/2, يعطي المجموع المعرف أعلاه أعداد مثلثية 0, 1, 3, 6, وهكذا.

0+1+2+\cdots +n={\frac {1}{2}}\left(B_{0}n^{2}+2B_{1}n^{1}\right)={\frac {1}{2}}\left(n^{2}+n\right).

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}+\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}}n\right).

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 \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 تقدير لجون فاولابر الذي أوجد أيضا طرقا جديرة بالاهتمام لحساب مجاميع القوى.

عممت صيغة فاولابر على يد في. غو وجاي زيغ V. Guo & J. Zeng إلى q-analog (Guo & Zeng 2005).

تعاريف

تم إيجاد العديد من أوصاف أعداد بيرنولي في القرون الثلاثة الماضية، وكل منها أمكن استعماله لتقديم هذه الأعداد. فيما يلي أربعة من أهم هذه الأوصاف:

استدعاء ذاتي،
صيغة صريحة،
دالة توالدية
وصف خوارزمي.

لإثبات تكافؤ هذه الخواص الأربعة على القارئ العودة إلى التفسيرات الرياضية مثل(Ireland & Rosen 1990) أو (Conway & Guy 1996).

لسؤ الحظ يعطى التعريف في الأدب على وجهين مختلفين: بالرغم من الحقيقة أن بيرنولي قد عرف B₁ = 1/2, some يضع المؤلفون B₁ = −1/2 (كثيرا منها في اصطلاحات مختلفة بالأسفل). لتجنب الخطر والالتباس سيتم شرح كلا الاختلافين هنا، خطوة بخطوة.

تعريف باستعمال الاستدعاء الذاتي

تعطى معادلة الاستدعاء الذاتي بشكلها الأفضل في صورة أكثر تعميما نوعا ما

{\begin{aligned}B_{m}(n)&=n^{m}-\sum _{k=0}^{m-1}{\binom {m}{k}}{\frac {B_{k}(n)}{m-k+1}}\\B_{0}(n)&=1\end{aligned}}

تعرف هذه المعادلة الأعداد النسبية B_m(n) لجميع الأعداد الصحيحة n ≥ 0, m ≥ 0. 0⁰ التي يجب تفسيرها على أنها 1. يكون للتكرار أساسه في B₀(n) = 1 لكل n. يأتي الاختلافان الآن بوضع n = 0 على الترتيب n = 1. إضافة لذلك يتم تبسيط الترميز بحذف المرجع للمتغير n.

n = 0 n = 1

B_{m}=\left[m=0\right]-\sum _{k=0}^{m-1}{\binom {m}{k}}{\frac {B_{k}}{m-k+1}}

B_{m}=1-\sum _{k=0}^{m-1}{\binom {m}{k}}{\frac {B_{k}}{m-k+1}}

التعبير هنا [m = 0] يحمل القيمة 1 إذا كان m = 0 و0 عدا ذلك (حاصرة آيفرسون أو { كبيرة). عند حدوث لبس بين التعريفين يمكن تجنبه بالإشارة للتعريف الأعم وبتقديم المتغير المحذوف: بكتابة B_m(0) في الحالة الأولى وB_m(1) في الثانية سوف يشير للقيمة السابقة دول التباس.

التعريف الصريح

مرة أخرى، بدءً بصغية أكثر عمومية نوعاً ما

B_{m}(n)=\sum _{k=0}^{m}\sum _{v=0}^{k}(-1)^{v}{\binom {k}{v}}{\frac {\left(n+v\right)^{m}}{k+1}},

هناك معلومات خاطئة منشترة على نحو واسع تفيد بأنه لاتوجد صيغ بسيطة مغلقة لأعداد بيرنولي. المعادلتان الأخيرتان تبينان أن هذا الأمر غير صحيح. وأكثر من ذلك، كانت قد نشرت في 1893 Louis Saalschütz إجمالي 38 صيغة صريحة لأعداد بيرنولي (Saalschütz 1893),

دالة التوليد

تقود الخيارات n = 0 وn = 1 إلى

n = 0	n = 1
${\frac {t}{1-e^{-t}}}=\sum _{m=0}^{\infty }B_{m}{\frac {t^{m}}{m!}}$

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 B_p − 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 (log p)²) عملية فقط (انظر علامة أو الكبرى).

يصف ديفيد هاري (Harvey 2008) خوارزمية لحساب أعداد بيرنولي عن طريق حساب B_n متبقياً p لأعداد أولية صغيرة عديدة p، ومن ثم يعيد إنشاء B_n 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 B_n لقيم n = 10⁸ وهي رقم قياسي جديد (أكتوبر 2008). قبل بيرنارد كيلنر (Kellner 2002) حسب B_n لأعلى دقة لقيم n = 10⁶ في ديسمبر 2002 وOleksandr Pavlyk (Pavlyk 2008) لقيم n = 10⁷ بواسطة 'ماثماتيكا' في أبريل 2008.

تاريخ حساب أعداد بيرنولي
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`

المراتب ينبغي فهمها على أنها قوى 10 عندما تكتب B(n) كعدد حقيقي في العلامة العلمية الموحدة.

وجهات نظر واصطلاحات مختلفة

يمكن النظر في أعداد بيرنولي من وجهات أربعة مختلفة:

ككائنات رياضياتية قائمة بذاتها، غ
ككائنات توافقياتية
كقيم لكثيرات حدود متعاقبة،
كقيم من دالة ريمان-زيتا.

تقودنا كل وجهة نظر مما سبق إلى مجموعة أخرى من الاصطلاحات.

أعداد بيرنولي ككائنات قائمة بذاتها.
تعاقب مصاحب: 1/6, −1/30, 1/42, −1/30,...
هذه هي وجهة نظر جاكوب بيرنولي (انظر مقتطفات من كتابه. (Ars Conjectandi، الطبعة الأولى، 1713). تفهم أعداد بيرنولي على أنها أعداد تكرارية بطبيعتها، تم ابتكارها 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 جين بير سير في كتابه دورة في الحساب وهو كتاب معتمد في العديد من الجامعات اليوم.
أعداد بيرنولي ككائنات 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.

$\left({\frac {ze^{z}}{e^{z}-1}}\right)^{x}=x\sum _{n\geq 0}\sigma _{n}(x)z^{n}$

وبشكل متعاقب B_n = n! σ_n(1) for n ≥ 0.
أعداد برنولي كقيم لكثيرات حدود متعاقبة.
المقصود هنا هو كثيرات حدود برنولي والتي سبق الحديث عنها. يمكن تعريف أعداد برنولي بطريقتين مختلفتين:
B_n = B_n(0). تعاقب مصاحب: 1, −1/2, 1/6, 0,....
B_n = B_n(1). تعاقب مصاحب: 1, +1/2, 1/6, 0,....
يختلف التعريفان فقط في إشارة B₁. الخيار B_n = B_n(0) هو الاصطلاح الذي تم اعتماده في كتاب الدوال الرياضيايتية - Handbook of Mathematical Functions.

أعداد بيرنولي كقيم لدالة زيتا لريمان

أعداد برنولي كما تصفها دالة زيتا لريمان.

يتوافق هذا الاصطلاح مع الاصطلاح B_n = B_n(1) (مثلاً J. Neukirch وM. Kaneko). الإشارة '+' for B₁ متلائمة مع تمثيلات أعداد بيرنولي من دالة ريمان زيتا.

علاقته بأعداد أويلر وπ

إعادة لصياغة نص فرضية ريمان

التاريخ

تعود جذور أعداد برنولي إلى تاريخ الحساب المبكر لمجموع القوى الصحيحة، والتي أصبحت محل اهتمام الرياضيين منذ القديم.

أحد صفحات Katsuyo Sampo (1712)لسيكي كاوا, مجدولة معاملات ذات الحدين وأعداد بيرنولي

عُرفت طرق حساب مجموع الأعداد الصحيحة الموجبة الأولى n, ومجموع التربيعات والتكعيبات للأعداد الصحيحة الموجبة n الأولى، ولكن لم تكن هنالك "صيغا" حقيقية وكانت تعطى أوصاف فقط في كلمات.

من بين عباقرة الرياضيات المميزين الذين انتبهوا لهذه المسألة فيثاغورث(حوالي 572–497 قبل الميلاد، يوناني)، وأرشيمدس (287–212 ق.م, إيطاليا) واريابهاتا (476 ق.م., الهند) والكرخي (1019 م, البصرة) والحسن بن الهيثم (965 م، في البصرة -. 1039,م في القاهرة).

لم يحرز الرياضيون تقدما ملحوظا إلا في أواخر القرن السادس عشر وأوائل السابع عشر. في الغرب لعب كل من توماس هاريوت (1560–1621) من انكلترا، وجوهان فاولابر (1580–1635) من ألمانيا وبيير دي فيرما (1601–1665) وزميله الرياضي الفرنسي بليز باسكال (1623–1662) دورا هاما في هذا التطور.

بدا أن توماس هاريوت كان أول من اشتق وكتب صيغ مجموع القوى باستخدام العلامة الرمزية، ولكنه أيضا وصل إلى مجموع القوى الرابعة. أعطى جوهان فاولابر صيغا لمجموع القوى حتى القوة السابعة عشر في كتابه Academia Algebrae, عام 1631, أعلى بكثير من ذي قبل، ولكنه لم يعط صيغة عامة. كان الرياضي السويسري جاكوب بيرنولي (1654–1705)أول من لاحظ وجود تسلسل مفرد من الثوابت B₀, B₁, B₂, ... والتي تعطي صيغة منتظمة لجميع مجاميع القوى (Knuth 1993). قبلها بعام كانت قد اكتشفت طريقة مماثلة لحساب مجاميع القوى بواسطة سيكي كاوا في اليابان.^[1] بالرغم منذلك، لم يقدم سيكي كاوا طريقته كصيغة عامة مبنية على تسلسل من الثوابت.

المتعة التي صادفها حينما دق على النموذج الذي أراده لحساب معاملات صيغته بسرعة وسهولة لمجموع القوى حتى c لأي عدد صحيح موجب c يمكن ملاحطتها من تعليقه حيث كتب :

“بفضل هذا الجدول، استغرق الوقت أقل من نصف ربع الساعة لأجد أن القوى العاشرة للـ1000 عدد الأولى مضافة مع بعضها سوف تنتج المجموع:

91,409,924,241,424,243,424,241,924,242,500.”

تعد صيغة بيرنولي لمجاميع القوى أعظم صيغة مفيدة يمكن تعميمها حتى اليوم. يطلق على معاملات بيرنولي اليوم بأعداد بيرنولي، بناء على اقتراح. أبراهام دي موافر.

المراجع

areq.net

التصانيف

أعداد سلاسل عددية طوبولوجيا نظرية الأعداد العلوم البحتة

عدد بيرنولي

مجموع القوى