Approssimazione di Stirling

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Al crescere di n, il rapporto tra (ln n!) e (n ln n − n) tende a 1.

In matematica l'approssimazione di Stirling o formula di Stirling o formula approssimata di Stirling è un'approssimazione per fattoriali grandi. Deve il suo nome al matematico scozzese James Stirling (1692-1770).

La formulazione corretta è:

\lim_{n \to +\infty} \frac{\sqrt{2 \pi n} \, \left(\frac{n}{e}\right)^n }{n!} = 1,

che viene scritta spesso come:

n! \sim \sqrt{2 \pi n} \; \left(\frac{n}{e}\right)^{n}, \quad \text{per } n \to +\infty

Per valori elevati di n il secondo membro della formula fornisce una buona approssimazione di n! che si può calcolare rapidamente e facilmente. Ad esempio la formula per 30! fornisce l'approssimazione 2,6452 × 1032, mentre un valore più preciso è 2,6525 × 1032; in questo caso si ha una discrepanza minore dello 0,3%, più precisamente:

\left.\frac{n! - \sqrt{2 \pi n} \; \left(\frac{n}{e}\right)^{n}}{n!}\right|_{n=30} = 0,002773... \approx 0,28%.

Stime elementari[modifica | modifica sorgente]

Una stima elementare per il fattoriale si può ricavare tramite una tecnica di somma parziale. Sia n un intero, allora

\ln n! = \sum_{k = 1}^n \ln k = \sum_{k = 1}^n k\ln k - \sum_{k = 1}^n (k - 1)\ln k
= n \ln n  - \sum_{k = 1}^{n - 1} k \left[\ln(k + 1) - \ln k \right] =  n \ln n  - \sum_{k = 1}^{n - 1} k \int_{k}^{k + 1} \frac{dt}{t}
= n \ln n  - \sum_{k = 1}^{n - 1} \int_{k}^{k + 1} \frac{ \lfloor t \rfloor dt}{t} = n \ln n  - \int_{1}^{n} \frac{ \lfloor t \rfloor dt}{t} =  n \ln n  - (n-1) + \int_{1}^{n} \frac{ \{ t \} dt}{t},

dove \lfloor x \rfloor e \left\{ x \right\} sono la parte intera e la parte frazionaria di x.

Segue che

n \ln n - (n-1) \leq \ln n! \leq n \ln n - (n-1) + \ln n

che, passando all'esponenziale, diventa

 e \left(\frac{n}{e}\right)^n \leq n! \leq e n\left(\frac{n}{e}\right)^n.

Derivazione[modifica | modifica sorgente]

La formula, come pure la stima dell'errore, può essere derivata sviluppando il logaritmo naturale del fattoriale

\ln(n!) = \ln(1) + \ln(2) + ... + \ln(n)

e per espressioni come questa si può utilizzare la formula di Eulero-Maclaurin.

Tale formula di approssimazione può essere espressa in forma logaritmica:

\ln n! \approx \left(n+\frac{1}{2}\right)\ln n - n +\ln\left(\sqrt{2\pi}\right)

o ancora, applicando le proprietà dei logaritmi all'ultimo termine:

\ln n! \approx \left(n+\frac{1}{2}\right)\ln n - n +\frac{1}{2}\ln\left(2\pi\right)

La costante \ln\left(\sqrt{2\pi}\right) o \frac{1}{2}\ln\left(2\pi\right) vale approssimativamente 0,918938533204673, arrotondata alle 15 cifre decimali.

La formula si può ottenere anche attraverso ripetute integrazioni per parti. Il termine principale dell'espressione può ottenersi applicando il metodo dello steepest descent.

Velocità di convergenza e stima dell'errore[modifica | modifica sorgente]

Più precisamente si ha

n! = \sqrt{2 \pi n} \; \left(\frac{n}{e}\right)^{n}e^{\lambda_n}

con

\frac{1}{12n+1} < \lambda_n < \frac{1}{12n}.

In effetti la formula di Stirling è una approssimazione della seguente serie (ora chiamata serie di Stirling):

 n!=\sqrt{2\pi n}\left({n\over e}\right)^n
  \left( 1 + {1\over 12n} + {1\over 288n^2} - {139\over 51840n^3} - {571\over 2488320n^4} + \cdots \right)

Quando n \to +\infty, l'errore della serie troncata è asintoticamente uguale al primo termine omesso. Questo è un esempio di sviluppo asintotico.

È chiamata serie di Stirling anche quella dello sviluppo asintotico del logaritmo:


  \ln n! = n\ln n - n + {1\over 2}\ln(2\pi n) + {1\over 12n} - {1\over 360n^3} +
  {1\over1260n^5} - {1\over 1680n^7} + \cdots

In questo caso si dimostra che l'errore che si commette troncando la serie ha lo stesso segno e al più la grandezza del primo termine omesso.

Formula di Stirling per la funzione gamma[modifica | modifica sorgente]

La formula di Stirling si può applicare (non sempre) anche alla funzione gamma, la funzione che estende il fattoriale al campo complesso, denotata con le seguenti scritture

\Gamma(z+1) \,=\, \Pi(z) \,=\, z!

e definita per tutti i numeri complessi eccetto gli interi non positivi. Se \Re(z) > 0 allora

\ln \Gamma (z) = \left(z-\frac12\right)\ln z -z + \frac{\ln {2 \pi}}{2} + 2 \int_0^\infty \frac{\arctan \frac{t}{z}}{\exp(2 \pi t)-1} dt

Integrando per parti ripetutamente si ottiene lo sviluppo asintotico

\ln \Gamma (z) = \left(z-\frac12\right)\ln z -z + \frac{\ln {2 \pi}}{2} + \sum_{n=1}^\infty \frac{B_{2n}}{2n(2n-1)z^{2n-1}}

dove Bn è l'n-esimo numero di Bernoulli. La formula vale per |z| sufficientemente grande quando |\arg z| < \pi - \epsilon, con ε positivo, con un termine di errore del tipo O(z^{-m - 1/2}) quando si usano i primi m termini dello sviluppo.

Una versione convergente della formula di Stirling[modifica | modifica sorgente]

Per ottenere una versione convergente della formula di Stirling bisogna valutare

\int_0^\infty \frac{2\arctan \frac{t}{z}}{\exp(2 \pi t)-1}\, dt
= \ln\Gamma (z) - (z-\frac12)\ln z +z - \frac12\ln(2\pi).

Un modo per far questo si serve di una serie convergente di fattoriali crescenti. Se scriviamo z^{\overline n} = z(z+1) \cdots (z+n-1), si trova

\int_0^\infty \frac{2\arctan \frac{t}{z}}{\exp(2 \pi t)-1} \, dt
= \sum_{n=1}^\infty \frac{c_n}{(z+1)^{\overline n}}

dove

n c_n = \int_0^1 x^{\overline n}(x-\frac12)\, dx.

Da qui si ottiene una versione della serie di Stirling

\ln \Gamma (z) = (z-\frac12)\ln z -z + \frac{\ln {2 \pi}}{2} +
\frac{1}{12(z+1)} + \frac{1}{12(z+1)(z+2)} + \frac{29}{60(z+1)(z+2)(z+3)} + \cdots

che converge quando \Re(z)>0.

Cenni storici[modifica | modifica sorgente]

La formula venne scoperta per la prima volta da de Moivre (1667-1754) nella forma

n! = \Theta(n^{n+1/2} e^{-n}) \quad \forall n \in I(\infty)[1]

Il contributo di Stirling consiste nell'aver dimostrato che la costante di proporzionalità è uguale a \sqrt{2\pi}.

Versioni più precise sono state ottenute da Binet.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Si è adottata la notazione della Stima asintotica

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

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