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中心二项式系数


n 个中心二项式系数定义为

(2n; n)=((2n)!)/((n!)^2)
(1)
=(2^n(2n-1)!!)/(n!),
(2)

其中 (n; k) 是二项式系数,n! 是阶乘,而 n!! 是双阶乘。

这些数字具有生成函数

 1/(sqrt(1-4x))=1+2x+6x^2+20x^3+70x^4+....
(3)

前几个值是 2, 6, 20, 70, 252, 924, 3432, 12870, 48620, 184756, ... (OEIS A000984)。(2·10^n; 10^n) 对于 n=0, 1, ... 的十进制位数是 1, 6, 59, 601, 6019, 60204, 602057, 6020597, ... (OEIS A114501)。这些数字收敛于 log_(10)4=0.6020599... 的十进制展开式的数字 (OEIS A114493)。

中心二项式系数永远不是素数,除非 n=1

中心二项式系数的缩放形式被称为卡塔兰数

 C_n=1/(n+1)(2n; n).
(4)

Erdős 和 Graham (1975) 推测,对于 n>4,中心二项式系数 (2n; n) 永远不是无平方因子数,这有时被称为 Erdős 无平方因子猜想。Sárkőzy 定理(Sárkőzy 1985)提供了一个部分解决方案,指出对于所有足够大的 n>=n_0二项式系数 (2n; n) 永远不是无平方因子数(Vardi 1991)。Granville 和 Ramare (1996) 随后证明了 Erdős 和 Graham 的猜想,他们确定唯一的无平方因子值是 2、6 和 70,分别对应于 n=1、2 和 4。Sander (1992) 随后表明,只要 d 不是“太大”,对于足够大的 n,(2n+/-d; n) 也永远不是无平方因子数。

中心二项式系数 (2n; n) 可被素数 p 整除,当且仅当 np 进制表示中不包含大于 p/2 的数字(P. Carmody,私人通信,2006 年 9 月 4 日)。对于 p=3,前几个这样的 n 是 1, 3, 4, 9, 10, 12, 13, 27, 28, 30, 31, 36, 37, 39, 40, 81, ... (OEIS A005836)。

CentralBinomialCoefficientReIm
CentralBinomialCoefficientContours

上面给出了复平面中中心二项式系数的图。

中心二项式系数由以下积分给出

 (2n; n)=(2^(2n+1))/piint_0^infty(dx)/((x^2+1)^(n+1))
(5)

(Moll 2006, Bailey 等人 2007, p. 163)。

使用 Wolstenholme 定理以及 2(2p-1; p-1)=(2p; p) 的事实,可以得出

 (2p; p)=2 (mod p^3)
(6)

对于 p>3奇素数 (T. D. Noe,私人通信,2005 年 11 月 30 日)。

一个不太常见的第 n 个中心二项式系数的替代定义(上述系数是其子集)是 (n; |_n/2_|) ,其中 |_n_|向下取整函数。前几个值是 1, 2, 3, 6, 10, 20, 35, 70, 126, 252, ... (OEIS A001405)。中心二项式系数具有生成函数

 (1-4x^2-sqrt(1-4x^2))/(2(2x^3-x^2))=1+2x+3x^2+6x^3+10x^4+....
(7)

这些修改后的中心二项式系数仅对于 n=1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 11, 17, 19, 23, 71, ... (OEIS A046098) 是无平方因子数,且小于 10^6 的没有其他值 (E. W. Weisstein,2004 年 2 月 4 日)。

一系列有趣的恒等式,涉及中心二项式系数的倒数乘以小幂,由以下公式给出

sum_(n=1)^(infty)1/((2n; n))=1/(27)(2pisqrt(3)+9)=0.7363998587...
(8)
sum_(n=1)^(infty)1/(n(2n; n))=1/9pisqrt(3)=0.6045997881...
(9)
sum_(n=1)^(infty)1/(n^2(2n; n))=1/3zeta(2)=1/(18)pi^2=0.5483113556...
(10)
sum_(n=1)^(infty)1/(n^4(2n; n))=(17)/(36)zeta(4)=(17)/(3240)pi^4=0.5110970825...
(11)
(12)

(OEIS A073016, A073010, A086463A086464; Comtet 1974, p. 89; Le Lionnais 1983, pp. 29, 30, 41, 36),这些恒等式源于美丽的公式

 sum_(n=1)^infty1/(n^k(2n; n))=1/2_(k+1)F_k(1,...,1_()_(k+1);3/2,2,...,2_()_(k-1);1/4)
(13)

对于 k>=1,其中 _mF_n(a_1,...,a_m;b_1,...,b_n;x)广义超几何函数。此类型的其他求和包括

sum_(n=1)^(infty)1/(n^3(2n; n))=1/(18)pisqrt(3)[psi_1(1/3)-psi_1(2/3)]-4/3zeta(3)
(14)
sum_(n=1)^(infty)1/(n^5(2n; n))=1/(432)pisqrt(3)[psi_3(1/3)-psi_3(2/3)]-(19)/3zeta(5)+1/9zeta(3)pi^2
(15)
sum_(n=1)^(infty)1/(n^7(2n; n))=(11)/(311040)pisqrt(3)[psi_5(1/3)-psi_5(2/3)]-(493)/(24)zeta(7)+1/3zeta(5)pi^2+(17)/(1620)zeta(3)pi^4,
(16)

其中 psi_n(x)多伽玛函数,zeta(x) 是黎曼 zeta 函数 (Plouffe 1998)。

类似地,我们有

sum_(n=1)^(infty)((-1)^(n-1))/((2n; n))=1/(25)[5+4sqrt(5)csch^(-1)(2)]=0.3721635763...
(17)
sum_(n=1)^(infty)((-1)^(n-1))/(n(2n; n))=2/5sqrt(5)csch^(-1)(2)=0.4304089409...
(18)
sum_(n=1)^(infty)((-1)^(n-1))/(n^2(2n; n))=2[csch^(-1)(2)]^2=0.4631296411...
(19)
sum_(n=1)^(infty)((-1)^(n-1))/(n^3(2n; n))=2/5zeta(3)=0.4808227612...
(20)

(OEIS A086465, A086466, A086467A086468; Le Lionnais 1983, p. 35; Guy 1994, p. 257),其中 zeta(z)黎曼 zeta 函数。这些恒等式源于类似的恒等式

 sum_(n=1)^infty((-1)^(n-1))/(n^k(2n; n))=1/2_(k+1)F_k(1,...,1_()_(k+1);3/2,2,...,2_()_(k-1);-1/4).
(21)

另请参阅

二项式系数, 二项式求和, 卡塔兰数, 中心费波诺米尔系数, 中心三项式系数, Erdős 无平方因子猜想, 阶梯行走, Sárkőzy 定理, 配额系统

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Bailey, D. H.; Borwein, J. M.; Calkin, N. J.; Girgensohn, R.; Luke, D. R.; 和 Moll, V. H. 实验数学实践 Wellesley, MA: A K Peters, 2007.Boros, G. 和 Moll, V. 不可抗拒的积分:积分求值的符号、分析与实验 Cambridge, England: Cambridge University Press, p. 14, 2004.Comtet, L. 高级组合数学:有限与无限展开的艺术,修订增补版 Dordrecht, Netherlands: Reidel, 1974.Erdős, P.; Graham, R. L.; Ruzsa, I. Z.; 和 Straus, E. G. "On the Prime Factors of (2n; n)." Math. Comput. 29, 83-92, 1975.Granville, A. 和 Ramare, O. "Explicit Bounds on Exponential Sums and the Scarcity of Squarefree Binomial Coefficients." Mathematika 43, 73-107, 1996.Guy, R. K. 数论中未解决的问题,第二版 New York: Springer-Verlag, 1994.Le Lionnais, F. Les nombres remarquables. Paris: Hermann, 1983.Lehmer, D. H. "Interesting Series Involving the Central Binomial Coefficient." Amer. Math. Monthly 92, 449-457, 1985.Moll, V. H. "Some Questions in the Evaluation of Definite Integrals." MAA Short Course, San Antonio, TX. Jan. 2006. http://crd.lbl.gov/~dhbailey/expmath/maa-course/Moll-MAA.pdf.Plouffe, S. "The Art of Inspired Guessing." Aug. 7, 1998. http://www.lacim.uqam.ca/~plouffe/inspired.html.Sander, J. W. "On Prime Divisors of Binomial Coefficients." Bull. London Math. Soc. 24, 140-142, 1992.Sárkőzy, A. "On Divisors of Binomial Coefficients. I." J. Number Th. 20, 70-80, 1985.Sloane, N. J. A. Sequences A000984/M1645, A001405/M0769, A005836/M2353, A046098, A073010, A073016, A086463, A086464 A086465, A086466, A086467, A086468, A114493, 和 A114501 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Vardi, I. "Application to Binomial Coefficients," "Binomial Coefficients," "A Class of Solutions," "Computing Binomial Coefficients," 和 "Binomials Modulo and Integer." §2.2, 4.1, 4.2, 4.3, 和 4.4 in Mathematica 中的计算娱乐 Redwood City, CA: Addison-Wesley, pp. 25-28 和 63-71, 1991.

在 Wolfram|Alpha 中被引用

中心二项式系数

请引用为

Weisstein, Eric W. "Central Binomial Coefficient." 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/CentralBinomialCoefficient.html

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