Факториа́л — функция, определённая на множестве неотрицательных целых чисел. Название происходит от  — действующий, производящий, умножающий; обозначается , произносится эн факториа́л. Обозначается восклицательным знаком.

Факториал натурального числа определяется как произведение всех натуральных чисел от 1 до включительно: .

Например, .

Для принимается в качестве соглашения, что: .

+ Факториалы всех чисел составляют n n! 0 1 1 1 2 2 3 6 4 24 5 120 6 720 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Факториал активно используется в различных разделах математики: комбинаторике, математическом анализе, теории чисел, функциональном анализе и др.

Факториал является чрезвычайно быстро растущей функцией. Он растёт быстрее, чем любая показательная функция или любая степенная функция, а также быстрее, чем любая сумма произведений этих функций. Однако степенно-показательная функция растёт быстрее факториала, так же как и большинство двойных степенных, например .

Свойства

Рекуррентная формула Факториал может быть задан следующей рекуррентной формулой:

Комбинаторная интерпретация В комбинаторике факториал натурального числа интерпретируется как количество перестановок (упорядочиваний) множества из элементов.

Например, для множества {A,B,C,D} из 4-х элементов существует 4! = 24 перестановки: ABCD BACD CABD DABC ABDC BADC CADB DACB ACBD BCAD CBAD DBAC ACDB BCDA CBDA DBCA ADBC BDAC CDAB DCAB ADCB BDCA CDBA DCBA

Комбинаторная интерпретация факториала подтверждает целесообразность соглашения  — количество перестановок пустого множества равно единице. Кроме того, формула для числа размещений из элементов по

при обращается в формулу для числа перестановок из элементов (порядка ), которое равно .

Факториал также связан с числами Стирлинга второго рода и биноминальными коэффициентами следующим соотношением:

что при подстановке , с учётом того, что , преобразуется в формулу факториала через количества сочетаний:

Связь с гамма-функцией

Факториал связан с гамма-функцией от целочисленного аргумента соотношением .

Это же выражение используют для обобщения понятия факториала на множество вещественных чисел. Используя аналитическое продолжение гамма-функции, область определения факториала также расширяют на всю комплексную плоскость, исключая особые точки при .

Непосредственным обобщением факториала на множества вещественных и комплексных чисел служит пи-функция , которая при может быть определена как

(интегральное определение).

Пи-функция натурального числа или нуля совпадает с его факториалом: . Как и факториал, пи-функция удовлетворяет рекуррентному соотношению .

Формула Стирлинга

Формула Стирлинга — асимптотическая формула для вычисления факториала:

см. O-большоеКоэффициенты этого разложения дают последовательности (числители) и (знаменатели).

Во многих случаях для приближённого вычисления факториала достаточно рассматривать только главный член формулы Стирлинга:

При этом можно утверждать, что

Формула Стирлинга позволяет получить приближённые значения факториалов больших чисел без непосредственного перемножения последовательности натуральных чисел. Например, с помощью формулы Стирлинга легко подсчитать, что:

100! ≈ 9,33×10157 1000! ≈ 4,02×102567 ! ≈ 2,85×10

Разложение на простые множители Каждое простое число входит в разложение на простые множители в степени определяемой следующей формулой:

Таким образом,

где произведение берётся по всем простым числам. Можно заметить, что для всякого простого большего соответствующий множитель в произведении равен 1; следовательно, произведение можно брать лишь по простым , не превосходящим .

Связь с производной от степенной функции Для целого неотрицательного числа :

Например:

Другие свойства Для натурального числа :

Для любого : не является квадратом целого числа;

Для любого : оканчивается на 0;

Для любого : оканчивается на 00.

Если простое число: делится на (теорема Вильсона)

История Факториальные выражения появились ещё в ранних исследованиях по комбинаторике, хотя компактное обозначение предложил французский математик Кристиан Крамп только в 1808 году. Важным этапом стало открытие формулы Стирлинга, которую Джеймс Стирлинг опубликовал в своём трактате «Дифференциальный метод» (, 1730 год). Немного ранее почти такую же формулу опубликовал друг Стирлинга Абрахам де Муавр, но в менее завершённом виде (вместо коэффициента была неопределённая константа): «Стирлинг лишь показал, что арифметическая константа в формуле Муавра равна . Я считаю, что это не делает его автором теоремы».

Стирлинг подробно исследовал свойства факториала, вплоть до выяснения вопроса о том, нельзя ли распространить это понятие на произвольные вещественные числа. Он описал несколько возможных путей к реализации этой идеи и высказал мнение, что:

Стирлинг не знал, что годом ранее решение проблемы уже нашёл Леонард Эйлер. В письме к Кристиану Гольдбаху Эйлер описал требуемое обобщение:

Развивая эту идею, Эйлер в следующем, 1730 году, ввёл понятие гамма-функции в виде классического интеграла. Эти результаты он опубликовал в журнале Петербургской академии наук в 1729—1730 годах.

Обобщения

Двойной факториал

Двойной факториал числа обозначается и определяется как произведение всех натуральных чисел в отрезке [1,], имеющих ту же чётность, что и . Для чётного :

Для нечётного :

Связь между двойными факториалами двух соседних целых неотрицательных чисел и обычным факториалом одного из них.

Формула для чётного :

Выведение формулы:

Пример, иллюстрирующий использованное выше выведение формулы:

Формула для нечётного :

Выведение формулы:

Таким образом можно показать связь между двойными факториалами двух соседних неотрицательных целых чисел через обычный факториал одного из них. Далее продолжим выведение формулы для двойного факториала нечётного . Вернёмся на шаг назад (до возникновения в явном виде ) и осуществим некоторые тождественные алгебраические преобразования над знаменателем:

Подставим полученное выражение для знаменателя обратно в формулу для :

Пример, иллюстрирующий использованное выше выведение формулы:

Осуществив замену для чётного и для нечётного соответственно, где  — целое неотрицательное число, получим:

для чётного числа:

для нечётного числа:

По договорённости: . Также это равенство выполняется естественным образом:

Двойной факториал, так же, как и обычный факториал, определён только для целых неотрицательных чисел.

Последовательность значений начинается так: 1, 1, 2, 3, 8, 15, 48, 105, 384, 945, , , , , , , , , , , , , , , , , , …

Кратный факториал -кратный факториал числа обозначается и определяется следующим образом. Пусть число представимо в виде где Тогда«Энциклопедия для детей» Аванта+. Математика.

Обычный и двойной факториалы являются частными случаями -кратного факториала для и соответственно.

Кратный факториал связан с гамма-функцией следующим соотношениемwolframalpha.com .:

Также кратный факториал возможно записывать в сокращенном виде .

Неполный факториал

Убывающий факториал Убывающим факториалом называется выражение . Например: = 7; = 4, () + 1 = 4, nk = 7 • 6 • 5 • 4 = 840. Убывающий факториал даёт число размещений из по .

Возрастающий факториал

Возрастающим факториалом называется выражение

Праймориал или примориал

Праймориал или примориал () числа обозначается и определяется как произведение первых простых чисел. Например, .

Иногда праймориалом называют число , определяемое как произведение всех простых чисел, не превышающих заданное .

Последовательность праймориалов (включая ) начинается так: , , , , , , , , , , , , , , , …

Фибонориал или фибоначчиал Произведение нескольких первых чисел Фибоначчи. Записывается n!F.

Например, : 6!F = .

Суперфакториал

Нейл Слоан и в 1995 году определили суперфакториал как произведение первых факториалов. Согласно этому определению, суперфакториал четырёх равен

(поскольку устоявшегося обозначения нет, используется функциональное).

В общем

Последовательность суперфакториалов чисел начинается так: 1, 1, 2, 12, 288, , , , , , , , , …

Идея была обобщена в 2000 году , что привело к гиперфакториалам (), которые являются произведением первых суперфакториалов. Последовательность гиперфакториалов чисел начинается так:

1, 1, 2, 24, , , , , , , …

Продолжая рекуррентно, можно определить факториал кратного уровня, или -уровневый факториал числа , как произведение ( − 1)-уровневых факториалов чисел от 1 до , то есть

где для и

Гиперфакториал

Гиперфакториал числа n обозначается и определяется как произведение первых чисел вида:

Следуя обычному определению для пустого произведения:

Последовательность гиперфакториала:

1, 1, 4, 108, , , , , ...

Субфакториал

Субфакториал ! определяется как количество беспорядков порядка , то есть перестановок -элементного множества без неподвижных точек.

Комбинаторная интерпретация субфакториала В комбинаторике субфакториал натурального числа интерпретируется как количество не повторяющихся перестановок (упорядочиваний) множества из элементов.

Например, для множества {A,B,C,D} из 4-х элементов существует 4! = 24 перестановки: ABCD BACD CABD DABC ABDC BADC CADB DACB ACBD BCAD CBAD DBAC ACDB BCDA CBDA DBCA ADBC BDAC CDAB DCAB ADCB BDCA CDBA DCBA Из них совпадают с изначальным вариантом ABCD всего 14 перестановок: ABCD ABCD ABCD ABCD

ABDC CBAD BACD BCAD ACBD CBDA BDCA CABD ACDB DBCA DACB ADBC DBAC ADCB Где в первом столбце перестановки в которых совпадает A; во втором столбце перестановки в которых совпадает B; в третьем столбце перестановки в которых совпадает C; в четвертом столбце перестановки в которых совпадает D.

Оставшиеся 9 перестановок и является субфакториалом 4-х BADC BCDA BDAC CADB CDAB CDBA DABC DCAB DCBA Численное доказательство/представление субфакторила 4-х

Последовательность субфакториала:

1, 0, 1, 2, 9, 44, 265, , , , , , , , , , , , , , , ...

См. также

Факторион Двойная экспоненциальная функция

Примечания

Литература

Категория:Целочисленные последовательности Категория:Теория чисел Категория:Комбинаторика