Fattoriale crescente

In matematica, per fattoriale crescente o decrescente di $x$ con $n$ fattori si intende, rispettivamente un prodotto della forma

$x(x+1)(x+2)\cdots (x+k-1)=\prod _{j=0}^{k-1}(x+j)\qquad$ ($k$ fattori crescenti inizianti da $x$);

$x(x-1)(x-2)\cdots (x-k+1)=\prod _{j=0}^{k-1}(x-j)\qquad$ ($k$ fattori decrescenti inizianti da $x$).

Qui $k$ denota un intero naturale, mentre $x$ può denotare un numero reale o complesso, oppure una variabile formale o anche un elemento generico di un anello (in tal caso gli interi si identificano con i multipli dell'elemento unità dell'anello).

Simboli

Utilizzando una delle notazioni utilizzata abbiamo:

$x^{\overline {k}}:=x(x+1)(x+2)\cdots (x+k-1),\qquad$ fattoriale crescente;

$x^{\underline {k}}:=x(x-1)(x-2)\cdots (x-k+1),\qquad$ fattoriale decrescente.

Esistono anche notazioni alternative da utilizzare con cautela perché diversamente interpretate da diversi autori come la notazione $(x)_{n}$ detta simbolo di Pochhammer usata da alcuni per il fattoriale decrescente da altri per quello crescente.

Casi particolari

Per $k=0$ fattoriale crescente e fattoriale decrescente danno il prodotto vuoto, cioè

$x^{\overline {0}}=x^{\underline {0}}=1.$

Collegamenti con calcolo combinatorio

Nel caso $x=n$ numero intero non negativo, con riferimento a simboli comunemente usati nel calcolo combinatorio, si ha:

$n^{\overline {k}}={\frac {(n+k-1)!}{(n-1)!}}=D_{n+k-1,k}\qquad$ (disposizioni senza ripetizione);

$n^{\underline {k}}={\frac {n!}{(n-k+1)!}}=D_{n,k}\qquad$ (disposizioni senza ripetizione);

$C_{n,k}={\frac {n^{\underline {k}}}{k!}}\qquad$ (combinazioni senza ripetizioni);

$C'_{n,k}={\frac {n^{\overline {k}}}{k!}}\qquad$ (combinazioni con ripetizioni).

Dai polinomi alle matrici di Stirling

Iniziando dai polinomi di primo grado i primi cinque casi del fattoriale decrescente sono:

$x^{\underline {1}}=x;$

$x^{\underline {2}}=x(x-1)=x^{2}-x;$

$x^{\underline {3}}=x(x-1)(x-2)=x^{3}-3x^{2}+2x;$

$x^{\underline {4}}=x(x-1)(x-2)(x-3)=x^{4}-6x^{3}+11x^{2}-6x;$

$x^{\underline {5}}=x(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)=x^{5}-10x^{4}+35x^{3}-50x+24.$

I primi cinque di quello crescente sono:

$x^{\overline {1}}=x;$

$x^{\overline {2}}=x(x+1)=x^{2}+x;$

$x^{\overline {3}}=x(x+1)(x+2)=x^{3}+3x^{2}+2x;$

$x^{\overline {4}}=x(x+1)(x+2)(x+3)=x^{4}+6x^{3}+11x^{2}+6x;$

$x^{\overline {5}}=x(x+1)(x+2)(x+3)(x+4)=x^{5}+10x^{4}+35x^{3}+50x+24.$

Utilizzando vettori e matrici possiamo esprimere i due casi precedenti scrivendo:

${\begin{pmatrix}x^{\underline {1}}\\x^{\underline {2}}\\x^{\underline {3}}\\x^{\underline {4}}\\x^{\underline {5}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&0&0&0&0\\-1&1&0&0&0\\2&-3&1&0&0\\-6&11&-6&1&0\\24&-50&35&-10&1\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}x\\x^{2}\\x^{3}\\x^{4}\\x^{5}\end{pmatrix}}$

${\begin{pmatrix}x^{\overline {1}}\\x^{\overline {2}}\\x^{\overline {3}}\\x^{\overline {4}}\\x^{\overline {5}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&0&0&0&0\\1&1&0&0&0\\2&3&1&0&0\\6&11&6&1&0\\24&50&35&10&1\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}x\\x^{2}\\x^{3}\\x^{4}\\x^{5}\end{pmatrix}}.$

Esplicitando il secondo vettore attraverso le matrici inverse si ottiene:

${\begin{pmatrix}x\\x^{2}\\x^{3}\\x^{4}\\x^{5}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&0&0&0&0\\1&1&0&0&0\\1&3&1&0&0\\1&7&6&1&0\\1&15&25&10&1\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}x^{\underline {1}}\\x^{\underline {2}}\\x^{\underline {3}}\\x^{\underline {4}}\\x^{\underline {5}}\end{pmatrix}}$

${\begin{pmatrix}x\\x^{2}\\x^{3}\\x^{4}\\x^{5}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&0&0&0&0\\-1&1&0&0&0\\1&-3&1&0&0\\-1&7&-6&1&0\\1&-15&25&-10&1\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}x^{\overline {1}}\\x^{\overline {2}}\\x^{\overline {3}}\\x^{\overline {4}}\\x^{\overline {5}}\end{pmatrix}}.$

Le matrici dell'esempio, facilmente generalizzabile ad un qualsiasi numero di polinomi, contengono i numeri di Stirling di prima e seconda specie, alternati e no. Gli elementi di questi quattro triangoli di Stirling si possono ottenere con regole ricorsive simili a quella di Stiffel relativa al triangolo di Tartaglia

Collegamento con il calcolo umbrale

I fattoriali crescenti e i fattoriali decrescenti possono essere interpretati come polinomi nella variabile $x$ e le due successioni $x^{\overline {n}},$ per $n=0,1,2,\ldots ,$ e $x^{\underline {n}},$ per $n=0,1,2,\ldots ,$ come successioni di polinomi. Questi hanno ruoli particolari nelle formule che riguardano l'azione sui polinomi di operatori come l'operatore alle differenze in avanti $\Delta$, formule corrispondenti al teorema di Taylor del calcolo infinitesimale indotta dall'azione dell'operatore derivazione. In queste formule e in molte altre circostanze i fattoriali crescenti e i decrescenti nel calcolo delle differenze finite giocano il ruolo che i polinomi $x^{n}$ giocano nel calcolo differenziale. Si osservi ad esempio la somiglianza fra la

$\Delta x^{\underline {k}}=kx^{\underline {k-1}},$

e la

$Dx^{k}=kx^{k-1},$

dove $D$ denota la derivata rispetto alla variabile $x$. La teoria che consente di trattare sistematicamente e rigorosamente queste somiglianze è l'odierno calcolo umbrale. Più specificamente le teorie che riguardano relazioni di questo genere coinvolgenti polinomi come i fattoriali crescenti e i decrescenti sono la teoria delle sequenze polinomiali di tipo binomiale e la teoria delle successioni di Sheffer.

Voci correlate

• Fattoriale
• Calcolo combinatorio
• Numeri di Stirling
• Fattoriale crescente di base q