В математике, в частности в комбинаторике, полиномы Белла — это полиномы вида

где сумма берётся по всем последовательностям j1, j2, j3, ..., jn−k+1 неотрицательных целых чисел таким, что и

Полиномы Белла названы так в честь математика Э. Белла.

Полные полиномы Белла Сумма

иногда называется n-м полным полиномом Белла. Для отличия от полных полиномов Белла, полиномы Bn, k, определённые выше, иногда называют «частичными» полиномами Белла.

Полные полиномы Белла удовлетворяют следующим условиям:

Комбинаторная интерпретация Если в разбиении числа n слагаемое 1 появляется j1 раз, 2 появляется j2 раза, и т.д., то количество разбиений множества мощности n, в котором мощности частей образуют это разбиение числа n, равно соответствующему коэффициенту полинома Белла.

Примеры Для n = 6, k = 2 мы имеем

потому что есть 6 способов разбить множество мощности 6 на подмножества мощностей 5 + 1, 15 способов разбить множество мощности 6 на подмножества мощностей 4 + 2, 10 способов разбить множество мощности 6 на подножества мощностей 3 + 3.

Аналогично,

потому что есть 15 способов разбить множество мощности 6 на подмножества мощностей 4 + 1 + 1, 60 способов разбить множество мощности 6 на подмножества мощностей 3 + 2 + 1, and 15 способов разбить множество мощности 6 на подмножества мощностей 2 + 2 + 2.

Свойства

Связь с числами Стирлинга и Белла Значение полинома Белла Bn,k(x1, x2, …), где все xi равны 1 является числом Стирлинга второго рода:

Сумма

есть n-е число Белла (количество разбиений множества мощности n).

Тождество свертки Для последовательности xn, yn, n = 1, 2, …, определёна свёртка:

(Заметим, что пределы суммирования здесь 1 и n − 1, а не 0 и n.)

Положим, что есть n-й член последовательности

Тогда

Для примера вычислим . Так как

то

Применения

Формула Фаа-ди-Бруно

Формула Фаа-ди-Бруно может быть сформулирована в терминах полиномов Белла следующим образом:

Кроме того, мы можем использовать полиномы Белла, если и то

В частности, полные полиномы Белла появляются в разложении экспоненты формального степенного ряда

Моменты и кумулянты Сумма

есть n-й момент распределения вероятностей, первые n кумулянтов которых равны κ1, …, κn. Другими словами, n-й момент равен значению n-го полного полинома Белла на первых n кумулянтах.

Представление полиномиальных последовательностей биномиального типа Для заданной последовательности чисел a1, a2, a3, … положим

Тогда эта последовательность полиномов имеет биномиальный тип, т.е. она удовлетворяет биномиальным условиям для n ≥ 0.

Теорема: Все полиномиальные последовательности биномиального типа представляются в таком виде.

Eсли мы рассмотрим

как формальный степенной ряд, то для всех n,

Программное обеспечение Полиномы Белла, полные полиномы Белла и обобщённые полиномы Белла реализованы в Mathematica как BellY .

Источники

(contains also elementary review of the concept Bell-polynomials) '' Kruchinin, V.V., 2011 , Derivation of Bell Polynomials of the Second Kind ''(ArXiv) Конспект лекции по полиномам Белла, примеры

*