eの変身
当HPがいつもお世話になっているHN「GAI」さんからの出題です。
(平成25年8月30日付け)
Σn=0〜∞ 1/n!=1+1/1!+1/2!+1/3!+1/4!+・・・・=e は、
e=0/0!+1/1!+2/2!+3/3!+4/4!+5/5!+‥‥=Σn=0〜∞ n/n!=Σn=1〜∞ n/n!
と書き換えられる。そこで
A=Σn=1〜∞ n2/n! 、B=Σn=1〜∞ n3/n! 、C=Σn=1〜∞ n4/n! 、D=Σn=1〜∞ n5/n! 、
E=Σn=1〜∞ n6/n!
の値は何になるでしょう?
(答) らすかるさんが考察されました。(平成25年8月30日付け)
A=Σn=1〜∞ n2/n!=Σn=1〜∞ n/(n-1)!=Σn=0〜∞ (n+1)/n!=Σn=0〜∞ n/n!+Σn=0〜∞ 1/n!=2e
B=Σn=1〜∞ n3/n!=Σn=1〜∞ n2/(n-1)!=Σn=0〜∞ (n+1)2/n!
=Σn=0〜∞ n2/n!+2Σn=0〜∞ n/n!+Σn=0〜∞ 1/n!=2e+2e+e=5e
C=Σn=1〜∞ n4/n!=Σn=1〜∞ n3/(n-1)!=Σn=0〜∞ (n+1)3/n!
=Σn=0〜∞ n3/n!+3Σn=0〜∞ n2/n!+3Σn=0〜∞ n/n!+Σn=0〜∞ 1/n!=5e+6e+3e+e=15e
D=Σn=1〜∞ n5/n!=Σn=1〜∞ n4/(n-1)!=Σn=0〜∞ (n+1)4/n!
=Σn=0〜∞ n4/n!+4Σn=0〜∞ n3/n!+6Σn=0〜∞ n2/n!+4Σn=0〜∞ n/n!+Σn=0〜∞ 1/n!
=15e+20e+12e+4e+e=52e
E=Σn=1〜∞ n6/n!=Σn=1〜∞ n5/(n-1)!=Σn=0〜∞ (n+1)5/n!
=Σn=0〜∞ n5/n!+5Σn=0〜∞ n4/n!+10Σn=0〜∞ n3/n!+10Σn=0〜∞ n2/n!+5Σn=0〜∞ n/n!+Σn=0〜∞ 1/n!
=52e+75e+50e+20e+5e+e=203e
S(H)さんが、さらに計算され、まとめられました。(平成25年8月30日付け)
e、2e、5e、15e、52e、203e、877e、4140e、21147e、115975e、678570e、4213597e、
27644437e、190899322e、1382958545e、10480142147e、82864869804e、682076806159e、
5832742205057e、51724158235372e、・・・ → 参考
at さんからのコメントです。(平成25年9月1日付け)
上記の話題は、Dobinski's formula と呼ばれているものと関係があるようです。
nを正整数、S(n,k) を第二種スターリング数とします。
x の多項式 Σk=1〜n S(n,k)・xn について、等式
Σk=1〜n S(n,k)・xn = e-x・Σk=1〜∞ kn/k!・xk
が成り立つそうです。(→ 参考:「ベル数」)
この式を使って、例えば、 E=Σn=1〜∞ n6/n! を計算すると、x=1 として、
E=Σn=1〜∞ n6/n!=Σk=1〜∞ k6/k!= e・Σk=1〜6 S(6,k)=B(6)e
漸化式 nS1=1、nSn=1、nSk=n-1Sk-1+k・n-1Sk (k=2、3、・・・、n-1)を用いて、
第2種スターリング数 nSk の表は下表のようになる。ここで、ベル数 B(n)=nS1+nS2+ ・・・+nSn
n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | B(n) | |
1 | 1 | ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ | 1 | ||||||
2 | 1 | 1 | ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ | 2 | |||||
3 | 1 | 3 | 1 | ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ | 5 | ||||
4 | 1 | 7 | 6 | 1 | ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ | 15 | |||
5 | 1 | 15 | 25 | 10 | 1 | ・・・・・・・・・・・ | 52 | ||
6 | 1 | 31 | 90 | 65 | 15 | 1 | ・・・・・ | 203 |
上の表から、B(6)=203 なので、 E=Σn=1〜∞ n6/n!=203e となる。
(コメント) at さんの手法でいけば、
A=Σn=1〜∞ n2/n!=B(2)e=2e 、B=Σn=1〜∞ n3/n!=B(3)e=5e 、
C=Σn=1〜∞ n4/n!=B(4)e=15e 、D=Σn=1〜∞ n5/n!=B(5)e=52e
と直ぐ書けるんですね!at さんに感謝します。