home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #18 / NN_1992_18.iso / spool / sci / math / 10275 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-08-14  |  3.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!dtix!darwin.sura.net!jvnc.net!netnews.upenn.edu!netnews.noc.drexel.edu!king.mcs.drexel.edu!dmagagno
  2. From: dmagagno@mcs.drexel.edu (David Magagnosc)
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: Re: Still another problem.
  5. Message-ID: <1992Aug14.142149.16686@mcs.drexel.edu>
  6. Date: 14 Aug 92 14:21:49 GMT
  7. References: <1992Aug11.170858.275@csc.canterbury.ac.nz> <1992Aug12.075304.28486@newssrv.edvz.univie.ac.at>
  8. Organization: Drexel University
  9. Lines: 82
  10.  
  11. In article <1992Aug12.075304.28486@newssrv.edvz.univie.ac.at> pm@katz.cc.univie.ac.at (Peter Marksteiner) writes:
  12. >Bill Taylor writes:
  13. >
  14. >
  15. >>Prove that
  16. >>
  17. >>               n     n     n    n
  18. >>     1  /     2     3     4    5        \  
  19. >>     - |  1 + -- +  --  + -- + -- +....  | 
  20. >>     e  \     1!    2!    3!   4!       /   
  21. >>
  22. >>  is an integer for all positive integer n.
  23. >
  24. >Define a differential operator D = (d/dx x), i.e. multiply by x and
  25. >differentiate.  Apply this operator n times to exp(x). It is easy to see 
  26. >that the result is exp(x) times a polynomial in x with integer coefficients. 
  27. >By expanding exp(x) in powers of x we see that it is also equal to
  28. >
  29. >            n       n        n       n
  30. >           2       3   2    4   3   5   4      
  31. >       1 + -- x +  -- x   + -- x  + -- x  +.... 
  32. >           1!      2!       3!      4!      
  33. >
  34. >Now take x=1, and the result follows. 
  35. >
  36. >             Peter Marksteiner
  37. >             Vienna University Computer Center
  38. >             pm@katz.cc.univie.ac.at
  39.  
  40. This is a very nice proof, but I will say that I am a little surprised
  41. that no one has posted the (correct) value.  Since it follows very
  42. easily from this approach, permit me to summarize.
  43.  
  44. Let
  45.  
  46.     D^(n)(exp(x)) = p_n(x) exp(x)
  47.  
  48. define the polynomials p_n(x).  Then p_n(x) is the sum of terms
  49.  
  50.     S(n,i+1) x^i
  51.  
  52. where S(n,i) are the Stirling numbers of the second kind, equal
  53. to the number of partitions of an n element set into i (nonempty)
  54. subsets.  Setting  x = 1,  we see that the desired value is the
  55. number of ways of partitioning an  n+1  element set into any number
  56. of subsets.  The sequence begins  1, 2, 5, 15, 52, ...
  57.  
  58. To verify the form of the p_n(x), we may construct a recurrence
  59. relation using the operator D and compare it to the known relation
  60. for S(n,i).  Alternatively, we may explicitly determine the
  61. coefficient of  x^m / m!  in the product  q_n(x) exp(x), where
  62. q_n(x) is the polynomial with the Stirling coefficients (and we
  63. want to see that p_n = q_n).  This coefficient is the sum of terms
  64.  
  65.     (m+1)! S(n+1,i+1) / (m-i)! (m+1)
  66.  
  67. each of which is the number of functions from an  n+1  element set
  68. to an  m+1  element set with the size of the range equal to  i+1,
  69. divided by  m+1.  Summing, this is then total number of functions
  70. from an  n+1  element set to an  m+1  element set, divided by  m+1,
  71. or
  72.     (m+1)^(n+1) / (m+1) = (m+1)^n
  73.  
  74. Since this agrees with the coefficients in the original,  q_n = p_n,
  75. and the result follows.
  76.  
  77.  
  78. While we're at it, prove that the following sum is always an
  79. integer:
  80.  
  81.      n    n    n    n
  82.     1    2    3    4
  83.     -- + -- + -- + -- + ...
  84.      1    2    3    4
  85.     2    2    2    2
  86.  
  87. and find reasonable generalizations.
  88.  
  89. D. Magagnosc
  90. -- 
  91. 496620796F752063616E207265616420746869732C20796F752063616E206265636F6D65206120
  92. 636F6D70757465722070726F6772616D6D657220616E6420676574206120676F6F64206A6F622E
  93.