■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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