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階乗冪と関数の離散化

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自然数を与えたとき,整数値を返す関数(数列)を考察したい.
有理数係数多項式関数についてと,多項式関数ではない場合をそれぞれ考える.
考えるための道具としてマクローリン展開の離散版を導入する.
なお,本稿では0Nとする.

(下降)階乗冪

xn=x(x1)(xn+2)(xn+1)

x1=xx2=x(x1)x3=x(x1)(x2)

差分作用素

Δf(x)=f(x+1)f(x)

Δx2=(x+1)2x2=(x+1)xx(x1)=2x=2x1Δx3=(x+1)3x3=(x+1)x(x1)x(x1)(x2)=3x(x1)=3x2

Δxn=nxn1

Δxn=(x+1)nxn=(x+1)x(xn+3)(xn+2)x(x1)(xn+2)(xn+1)=(x+1)xn1xn1(xn+1)={(x+1)(xn+1)}xn1=nxn1

f(x)C[x]f(x)=n=0degfΔnf(0)n!xn

f(x)の次数に関する帰納法で示す.
degf=0f(x)=f(0)=Δ0f(0)0!x0=n=0degfΔnf(0)n!xn
degf=kで成立すると仮定.
f(x)C[x]degf=k+1を満たすとき, degΔf=kより,
Δf(x)=n=0kΔnΔf(0)n!xn=n=0kΔn+1f(0)n!1n+1Δxn+1=Δn=0kΔn+1f(0)(n+1)!xn+1=Δn=1k+1Δnf(0)n!xn
よって,
Δ(f(x)n=1k+1Δnf(0)n!xn)=0f(x)n=1k+1Δnf(0)n!xn=const.f(x)n=1k+1Δnf(0)n!xn=f(0)f(x)=f(0)+n=1k+1Δnf(0)n!xn=n=0k+1Δnf(0)n!xn
帰納法により示された.

{f(x)Q[x]|f(N)Z}=n=0Zxnn!

は定理より従う.
任意のx,nNに対して,
xnn!={0Z(x<n)(xn)Z(xn)
よって,も分かる.

f(x)Q[[x]],f(N)Zf(x)=n=0Δnf(0)n!xn (x0)

2x=n=01n!xn2x/2cos(πx4)=n=0(1)n(2n)!x2n2x/2sin(πx4)=n=0(1)n(2n+1)!x2n+1

投稿日:2023430
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