특수한 형태의 무한급수와 벨수(Bell number), 감마함수(gamma function)와의 연관성

      Comments Off on 특수한 형태의 무한급수와 벨수(Bell number), 감마함수(gamma function)와의 연관성

이전 글에서 특수한 형태의 무한급수 (다항함수를 지수함수 또는 계승함수로 나눈 꼴의 무한급수) 의 값을 계산하는 일반적인 방법에 대하여 알아보았다.

위 무한급수의 값을 조합론에서 등장하는 벨수(Bell number)와 푸비니수(Fubini number), 그리고 해석학에서의 감마함수(gamma function)와 연관지을 수 있는데 이를 하나씩 알아보도록 하자.

$ $

다항함수/계승함수 형태의 무한급수와 벨수(Bell number)

일반적으로 $d$차 다항함수

\[ p(x) = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \cdots + a_d x^d \]

가 주어졌을 때, 무한급수의 선형성을 이용하면

\[ \sum_{n=0}^{\infty} \frac{p(n)}{n!} = a_0 \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n!} + a_1 \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n}{n!} + a_2 \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^2}{n!} + \cdots + a_d \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^d}{n!} \]

를 얻는다. 따라서 $d+1$개의 무한급수의 값

\[ \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n!}, \quad \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n}{n!}, \quad \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^2}{n!}, \;\; \ldots, \;\; \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^d}{n!} \tag*{$\myblue{(\ast)}$} \]

의 값을 알고 있다면 원래의 무한급수 $\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{p(n)}{n!}$의 값을 구할 수 있다. 실제로 $\myblue{(\ast)}$의 값을 계산해 보면 모두 $e$의 상수배가 됨을 알 수 있고, 이 상수들만을 나열해 보면 다음의 수열

\[ 1,\, 1,\, 2,\, 5,\, 15,\, 52,\, 203,\, 877,\, 4140,\, \ldots \]

을 얻는다. OEIS A000100로 주어지는 이 수열은 벨수(Bell number) $B_d$라 불린다. 여기서 $B_d$는 $d$개의 원소로 이루어진 집합을 (공집합이 아닌 집합들로) 분할하는 모든 방법의 수로 정의된다.

$ $

다항함수/지수함수 형태의 무한급수와 푸비니수(Fubini number)

마찬가지 방법으로 $p(x)$가 $d$차 다항함수이고 실수 $\abs{a} > 1$가 주어졌을 때, $d+1$개의 무한급수의 값

\[ \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{a^{n+1}}, \quad \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n}{a^{n+1}}, \quad \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^2}{a^{n+1}}, \;\; \ldots, \;\; \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^d}{a^{n+1}} \tag*{$\myblue{(\ast\ast)}$} \]

의 값을 알고 있다면 선형성을 이용하여 $\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{p(n)}{a^{n+1}}$의 값 또한 구할 수 있다. 특히 $a = 2$일 때 식 $\myblue{(\ast\ast)}$의 값을 각각 구해보면 다음의 수열

\[ 1,\, 1,\, 3,\, 13,\, 75,\, 541,\, 4683,\, 47293,\, 545835,\, 7087261,\, \ldots \]

을 얻을 수 있는데, OEIS A000670, 이 수열은 푸비니수(Fubini number) 또는 순서벨수(ordered Bell number) $F_d$로 불린다. 여기서 $F_d$는 $d$개의 원소로 이루어진 집합을 (공집합이 아닌 집합들로) 분할하고 각 분할에 전순서(total order)를 부여하는 모든 방법의 수로 정의된다.

$ $

다항함수/지수함수 형태의 무한급수와 감마함수(gamma function)

이번에는 $d = 0,\, 1,\, 2,\, \ldots$에 대하여 $\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^d}{e^n}$의 값을 차례대로 구해보자.

\[ \begin{align*} \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{e^n} &= \frac{1}{1-\tfrac{1}{e}} \approx 1.581977\cdots \\[5px] \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n}{e^n} &= e \left( \frac{1}{(e-1)^2} \right) \approx 0.920674\cdots \\[5px] \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^2}{e^n} &= e \left( \frac{1}{(e-1)^2} + \frac{2}{(e-1)^3} \right) \approx 1.992295\cdots \\[5px] \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^3}{e^n} &= e \left( \frac{1}{(e-1)^2} + \frac{6}{(e-1)^3} + \frac{6}{(e-1)^4} \right) \approx 6.006513\cdots \\[5px] \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^3}{e^n} &= e \left( \frac{1}{(e-1)^2} + \frac{14}{(e-1)^3} + \frac{36}{(e-1)^4} + \frac{24}{(e-1)^5} \right) \approx 24.003333\cdots \\[5px] \end{align*} \]

위 계산 결과를 잘 살펴보면 무한급수 $\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^d}{e^n}$의 값이 대략 $d!$이 됨을 알 수 있다. 이러한 계산 결과가 우연일까? 주어진 무한급수를 적분으로 근사하면 감마함수(gamma function)의 형태를 가지게 되는데, 감마함수가 계승(factorial)과 밀접한 연관이 있다는 사실을 떠올리면, 이러한 계산 결과가 나오는 이유를 짐작해 볼 수 있다. \[ \sum_{n=0}^{\infty} \frac{n^d}{e^n} \approx \int_{0}^{\infty} x^d e^{-x} \,dx = \Gamma(d+1) = d! \]