En mathématiques, et plus précisément en combinatoire, les polynômes de Bell, nommés ainsi d'après le mathématicien Eric Temple Bell, sont des polynômes multivariés définis par :

Sachant que est forcément nul pour , on peut expliciter la borne supérieure des indices :

Interprétation combinatoire

Soit un ensemble de éléments partitionné en sous-ensembles non vides, dont sous-ensembles de cardinalité 1, sous-ensembles de cardinalité 2, etc. Le nombre de telles partitions est le coefficient du monôme unitaire dans le polynôme de Bell . On notera que : par construction, on a (nombre de sous-ensembles) et (nombre total d'éléments), avec chaque positif ou nul (nombre de sous-ensembles de cardinalité ) ; par conséquent, les cardinalités des sous-ensembles forment une partition de l'entier en parties, avec la multiplicité de l'entier dans cette partition.

Exemples

On a :

car il y a : 6 partitions d'un ensemble à 6 éléments de la forme 5 + 1 ; 15 partitions de la forme 4 + 2 ; 10 partitions de la forme 3 + 3.

De même :

car il y a : 15 partitions d'un ensemble à 6 éléments de la forme 4 + 1 + 1 ; 60 partitions de la forme 3 + 2 + 1 ; 15 partitions de la forme 2 + 2 + 2.

Polynômes de Bell complets

La somme

est parfois appelée n-ème polynôme de Bell complet, et alors les polynômes B définis ci-dessus sont appelés des polynômes de Bell « partiels ». Les polynômes de Bell complets B peuvent être exprimés par le déterminant d’une matrice :

avec δ le symbole de Kronecker. La matrice dont B est le déterminant est une matrice de Hessenberg.

Table de valeurs

Le tableau suivant regroupe les premières valeurs de : 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6

Propriétés

Cas limites

avec le symbole delta de Kronecker

Séries formelles exponentielles

Puissance

Formule exponentielle

Composition Si (avec quelconque) et (avec donc ) alors

Formules de récurrence

avec .

avec .

Valeurs particulières

(nombre de Stirling de seconde espèce non signé) (nombre de Stirling de seconde espèce signé) (nombre de Bell) (nombre de Stirling de première espèce non signé) (nombre de Stirling de première espèce signé)

(nombre de Lah non signé) (nombre de Lah signé)

Type binomial

avec .

Réciproque

Soit une fonction infiniment dérivable en un point et de réciproque , alors W.-S. Chaou, Leetsch C. Hsu, Peter J.-S. Shiue, “Application of Faà di Bruno’s formula in characterization of inverse relations”, dans Journal of Computational and Applied Mathematics, vol. 190, 2006, p. 151–169 :

Cas particuliers

En prenant (soit ) infiniment dérivable en 0, on a :

d’où :

soit :

En prenant avec (soit ) infiniment dérivable en 1, on a :

avec la factorielle décroissante, d’où :

Composition

Soient :

(on note que )

Alors :

En posant les matrices (triangulaire supérieure) ainsi que et de manière similaire, on a alors :

Cas particuliers

En prenant et , on obtient :

En prenant et , on obtient :

En prenant et , on obtient :

En prenant et , on obtient :

Factorielle décroissante

Andrzej Korzeniowski, “Binomial Tails Domination for Random Graphs via Bell Polynomials”, dans JPSS, vol. 4, n° 1, 2006, p. 99-105 avec la factorielle décroissante.

Comportement d’échelle

Polynômes de Bell partiels

Cas général

Cas particuliers

Polynômes de Bell complets

Cas général

Cas particuliers

Autre expression

avec la factorielle décroissante.

Identité de convolution

Pour des suites xn, yn, n = 1, 2, …, on peut définir un produit de convolution par :

(les bornes de sommation étant 1 et n − 1, et non 0 et n).

Soit le n-ème terme de la suite

Alors :

Applications

Formule de Faà di Bruno

La formule de Faà di Bruno peut être énoncée à l'aide des polynômes de Bell de la manière suivante :

Moments et cumulants

Pour une variable aléatoire réelle dont le moment ordinaire d’ordre existe, on a :

avec les cumulants.

Représentations de suites polynomiales

Pour toute suite a1, a2, … de scalaires, soit :

Cette suite de polynômes est de type binomial, c'est-à-dire qu'elle satisfait l'identité binomiale suivante :

pour n ≥ 0.

En fait, on a également la réciproque :

Si nous posons

en considérant cette série comme une série formelle, alors pour tout n :

Notes et références

Louis Comtet, Advanced Combinatorics: The Art of Finite and Infinite Expansions, Reidel Publishing Company, Dordrecht-Holland/Boston-U.S., 1974 , The Umbral Calculus, Dover Publications

Articles connexes Calcul ombral Indicateur de cycles du groupe symétrique

Catégorie:Combinatoire Bell