スターリング数電卓
第1種スターリング数(符号なし、置換のサイクル分割)および第2種スターリング数(集合の分割)を計算します。インタラクティブな三角形の可視化、漸化式による段階的な導出、完全な三角形テーブル、および組合せ論的な解釈を表示します。
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スターリング数電卓
スターリング数電卓へようこそ。このツールは、第1種(符号なし — サイクルへの置換)および第2種(空でない部分集合への集合の分割)のスターリング数を計算するための包括的な組合せ論ツールです。インタラクティブな三角形の可視化、ステップバイステップの漸化式導出、棒グラフ分布、深い組合せ論的解釈を備えたこの電卓は、教育的背景とともに高速で正確な結果を必要とする学生、教育者、研究者、および競技プログラマー向けに設計されています。
スターリング数とは?
スターリング数は、組合せ論、代数学、および解析学において自然に発生する2つの数列の族です。スコットランドの数学者ジェームス・スターリング(1692–1770)にちなんで名付けられ、階乗、二項係数、および多項式恒等式の間の架け橋となります。パスカルの三角形ほど知られてはいませんが、同様に基本的であり、離散数学の至る所に現れます。
第1種スターリング数
符号なし第1種スターリング数は、\(|s(n,k)|\) または \(\left[{n \atop k}\right]\) と表記され、\(n\)個の要素をちょうど\(k\)個の互いに素なサイクルに分解する置換の数を数えます。
直感的解釈: 要素\(n\)がどこに行くかを考えます。既存のサイクルのいずれかに挿入される場合(他の\(n-1\)個の要素それぞれの前に1つずつ、合計\(n-1\)個の挿入箇所があります)、\((n-1)\cdot|s(n-1,k)|\) の項に寄与します。あるいは、それ自体で新しい1-サイクルを形成し、\(|s(n-1,k-1)|\) に寄与します。
主な事実:
- \(|s(n,1)| = (n-1)!\) — 円順列(1つの大きなサイクル)
- \(|s(n,n)| = 1\) — 恒等置換(すべて不動点)
- \(|s(n,n-1)| = \binom{n}{2}\) — 1つの互換
- \(\sum_{k=0}^{n} |s(n,k)| = n!\) — 置換の総数
第2種スターリング数
第2種スターリング数は、\(S(n,k)\) または \(\left\{{n \atop k}\right\}\) と表記され、\(n\)個の要素の集合をちょうど\(k\)個の空でない部分集合に分割する方法の数を数えます。
直感的解釈: 要素\(n\)がどこに行くかを考えます。既存の\(k\)個の部分集合のいずれかに加わる場合(\(k\)通りの選択肢があります)、\(k \cdot S(n-1,k)\) の項に寄与します。あるいは、それ自体で新しい単集合の部分集合を形成し、\(S(n-1,k-1)\) に寄与します。
主な事実:
- \(S(n,1) = 1\) — 1通り:すべての要素が1つの集合に入る
- \(S(n,n) = 1\) — 1通り:すべての要素が単集合になる
- \(S(n,2) = 2^{n-1} - 1\) — 2つの空でない部分集合に分割する方法
- \(S(n,n-1) = \binom{n}{2}\) — どのペアが同じ部分集合を共有するかを選択
- \(\sum_{k=0}^{n} S(n,k) = B(n)\) — \(n\)番目のベル数
明示的な公式 (第2種)
この電卓の使い方
- nを入力: 全要素数(0〜200)。
- kを入力: サイクル数(第1種)または部分集合数(第2種)。0 ≤ k ≤ n である必要があります。
- 種類を選択: 第1種、第2種、または比較のために「両方」を選択します。
- 計算: 「スターリング数を計算」をクリックすると、導出ステップ、三角形の可視化、分布チャートが表示されます。
比較: 第1種 vs 第2種
| 属性 | 第1種 |s(n,k)| | 第2種 S(n,k) |
|---|---|---|
| 数える対象 | k個のサイクルを持つ置換 | k個の部分集合への分割 |
| グループ内の順序 | 巡回順序が重要 | 順序は不問 |
| 各行の和 | n! (全置換) | B(n) (ベル数) |
| 漸化式の係数 | (n−1) — サイクルへの挿入 | k — 部分集合の選択 |
| 多項式との接続 | 昇階乗 / 降階乗 | 通常の累乗 |
スターリング数の応用
多項式変換
スターリング数は、異なる多項式の基底を接続します:
- 昇階乗: \(x^{(n)} = \sum_{k} |s(n,k)|\, x^k\)
- 通常の累乗: \(x^n = \sum_{k} S(n,k)\, x^{\underline{k}}\) (降階乗)
確率と統計
スターリング数は、確率分布のモーメントの計算、特に通常のモーメントと階乗モーメントの間の変換に現れます。これらは、ランダム置換や占有問題の解析において不可欠です。
コンピュータサイエンス
アルゴリズム解析において、スターリング数はオブジェクトをコンテナに分配する方法の数、ハッシュテーブルの解析、およびランダム置換の研究に現れます。第2種は、全射関数の数え上げに直接関係しています:n個の要素の集合からk個の要素の集合への全射関数の数は \(k!\, S(n,k)\) です。
数論
スターリング数は、ベルヌーイ数、調和数、および様々な和の恒等式に関連しています。有限差分法やオイラー=マクローリンの公式に現れます。
よくある質問
第1種スターリング数とは何ですか?
符号なし第1種スターリング数は |s(n,k)| と表記され、n個の要素をちょうどk個の互いに素なサイクルに分解する置換の数を数えます。漸化式 |s(n,k)| = (n−1)·|s(n−1,k)| + |s(n−1,k−1)|(ただし |s(0,0)| = 1)を満たします。各行の和は n! になります。
第2種スターリング数とは何ですか?
第2種スターリング数は S(n,k) と表記され、n個の要素の集合をちょうどk個の空でない部分集合に分割する方法の数を数えます。漸化式 S(n,k) = k·S(n−1,k) + S(n−1,k−1)(ただし S(0,0) = 1)を満たします。各行の和はベル数 B(n) になります。
第1種スターリング数と第2種スターリング数の違いは何ですか?
第1種(符号なし)はk個のサイクルを持つ置換を数え、各サイクル内の順序が重要です。第2種はk個の部分集合への集合の分割を数え、部分集合内の順序は不問です。これらは逆行列の関係にあります。
数学でスターリング数はどのように使われますか?
スターリング数は、降階乗/昇階乗と通常の累乗の間の多項式変換、確率分布のモーメント計算、組合せ論的恒等式、数論、およびアルゴリズムの解析で使用されます。
スターリング数とベル数の関係は何ですか?
n番目のベル数 B(n) は、n行目にあるすべての第2種スターリング数の合計に等しくなります:B(n) = Σ S(n,k) (k = 0 to n)。
スターリング数の明示的な公式はありますか?
はい、第2種には包除原理による明示的な公式 S(n,k) = (1/k!) Σ (−1)^(k−j) C(k,j) j^n があります。第1種は主に漸化式を用いて計算されます。
その他のリソース
このコンテンツ、ページ、またはツールを引用する場合は、次のようにしてください:
"スターリング数電卓"(https://MiniWebtool.com/ja//) MiniWebtool からの引用、https://MiniWebtool.com/
by miniwebtool チーム. 更新日: 2026年2月20日
また、AI 数学ソルバー GPT を使って、自然言語による質問と回答で数学の問題を解決することもできます。