■スターリングの公式の図形的証明?(その40)
(その34)の計算も,おじけづかずに実行すると簡単な形が得られる.
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【1】置換多面体の切頂・切稜点
yj=(2+jyj+1)/(j+2)
yn=0
yn-1=2/(n+1)
yn-2=(2+2(n−2)/(n+1))/n=2(2n−1)/n(n+1)
yn-3=2(1+(n−3)(2n−1)/n(n+1))/(n−1)=2(2n−1)/n(n+1)=6(n−1)/n(n+1)
としたが,このままでは難しいので,反転公式を作ると,
(j+2)yj=2+jyj+1
(j+2)yj−2=jyj+1
yj+1=((j+2)yj−2)/j
これはj=0には対応していない.
そこで,
(y0−y1)=(y1−y2)/2=(y2−y3)/3=・・・=(yn-2−yn-1)/(n−1)=(yn-1−yn)/n=2/n(n+1)
を用いると
1−y1=2/n(n+1)
y1−y2=2・2/n(n+1)
y2−y3=2・3/n(n+1)
yn-2−yn-1=2・(n−1)/n(n+1)
yn-1−yn=2・n/n(n+1)=2/(n+1)
が得られる.
これらをxx行まで足しあわせると,
1−y1=2(1)/n(n+1)
1−y2=2(1+2)/n(n+1)
1−y3=2(1+2+3)/n(n+1)
1−yn=2(1+2+3+・・・+n)/n(n+1)=1
y1=1−1・2/n(n+1)
y2=1−2・3/n(n+1)
y3=1−3・4/n(n+1)
yn=1−n(n+1)/n(n+1)=0
a1^2y1=1/2(1/1・2)(1−1・2/n(n+1))
=1/2(1/1・2−1/n(n+1))
a2^2y2=1/2(1/2・3)(1−2・3/n(n+1))
=1/2(1/2・3−1/n(n+1))
a3^2y3=1/2(1/3・4)(1−3・4/n(n+1))
=1/2(1/3・4−1/n(n+1))
an^2yn=1/2(1/n・(n+1))(1−n(n+1)/n(n+1)
=1/2(1/n・(n+1)−1/n(n+1))=0
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【2】中心から各面までの距離
Pn(a1,・・・,an)
aj=√(1/2j(j+1))
と切頂切稜面の距離を求める.
切頂切稜面はPkPnに垂直で,点
Q=(x1,・・・,xn)=(a1y1,・・・,anyn)
を通る.
PnP0=(−a1,−a2,・・・,−an)
PnP1=(0,−a2,−a3,・・・,−an)
PnPn-1=(0,・・・,0,−an)
ファセットを定めている不等式は,
a・x=c
で与えられる.一般に,超平面a・x=cと点x0の距離は
|a・x0−c|/‖a‖
とくに,原点からファセットまでの距離は|c|/‖a‖となる.
PnP0に垂直なn次元超平面が点Qを通るのだが,原点をPnに移した方が紛らわしくないので
a=(−a1,−a2,・・・,−an)
q=(x1−a1,x2−a2,x3−a3,・・・,xn−an)
とすると,この超平面をa・(x−q)=0,a・x=a・q=cで表すと
c0=−(a1x1+・・・+anxn)+(a1^2+・・・+an^2)
c0=−(a1^2y1+・・・+an^2yn)+(a1^2+・・・+an^2)
h0=|c0|/‖a‖,‖a‖=(a1^2+・・・+an^2)^1/2
ここで,
a1^2+・・・+an^2
=1/2(1/1・2+1/2・3+・・・+1/n・(n+1))
=1/2(1/1−1/2+1/2−1/3+・・・+1/n−1/(n+1))
=1/2(1/1−1/(n+1))
=1/2・n/(n+1)
a1^2y1+・・・+an^2yn
=1/2(1/1・2−1/n(n+1))+・・・+1/2(1/n・(n+1)−1/n(n+1))
=1/2(1/1・2+・・・+1/n・(n+1)−n/n(n+1))
=1/2(1/1−1/(n+1)−n/n(n+1))
PnP1に垂直なn次元超平面では
a=(0,−a2,・・・,−an)
c1=−(a2x2+・・・+anxn)+(a2^2+・・・+an^2)
c1=−(a2^2y2+・・・+an^2yn)+(a2^2+・・・+an^2)
h1=|c1|/‖a‖,‖a‖=(a2^2+・・・+an^2)^1/2
ここで,
a2^2+・・・+an^2
=1/2(1/2・3+・・・+1/n・(n+1))
=1/2(1/2−1/3+・・・+1/n−1/(n+1))
=1/2(1/2−1/(n+1))
=1/2・(n−1)/2(n+1)
a2^2y2+・・・+an^2yn
=1/2(1/2・3−1/n(n+1))+・・・+1/2(1/n・(n+1)−1/n(n+1))
=1/2(1/2・3+・・・+1/n・(n+1)−n/n(n+1))
=1/2(1/2−1/(n+1)−(n−1)/n(n+1))
PnPn-1に垂直なn次元超平面では
a=(0,・・・,0,−an)
cn-1=−anxn+an^2=−an^2yn+an^2
hn-1=|cn-1|/‖a‖,‖a‖=(an^2)^1/2
‖ak‖^2=1/2(k+1)(k+2)+・・・+1/2n(n+1)=1/2(1/(k+1)−1/(n+1))=(n−k)/2(k+1)(n+1)
ここで,
an^2=1/2(1/n・(n+1))
=1/2(1/n−1/(n+1))
=1/2(1/n−1/(n+1))
=1/2・1/n(n+1)
an^2yn
=1/2(1/n・(n+1)−1/n(n+1))=0
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