■スターリングの公式の図形的証明?(その48)

 平行体の体積計算では,2つの方法

[1]漸化式

[2]行列式(グラミアン)

が考えられる.置換多面体とその正軸体版の2種類の多面体について,2つの方法で計算したところ,どちらの多面体でも4次元まで[1][2]は一致したものの5次元以上で乖離してしまったことがあった.

 このシリーズでも不可解な現象が起こっている.(その43)以降の再考から始めたい.

  1-y1=2/n(n+1)

より,規格化前(正単体の辺の長さ1)の置換多面体の体積は

  Vn=(n+1)^(n-1/2}/2^n/2・{2/n(n+1)}^n

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【1】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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  1-y1=(1・2)/n(n+1)

  1-y2=2(1+2)/n(n+1)=(2・3)/n(n+1)

  1-y3=2(1+2+3)/n(n+1)=(3・4)/n(n+1)

  1-yn=2(1+2+3+・・・+n)/n(n+1)=n(n+1)/n(n+1)=1

  a1^2(1-y1)=1/2(1・2)・(1・2)/n(n+1)=1/2n(n+1)

  a2^2(1-y2)=1/2(2・3)・(2・3)/n(n+1)=1/2n(n+1)

  a3^2(1-y3)=1/2(3・4)・(3・4)/n(n+1)=1/2n(n+1)

  an^2(1-yn)=1/2(n・n+1)・(n・n+1)/n(n+1)=1/2n(n+1)

を用いた方が計算がやさしい.

 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)

  a1^2(1-y1)+・・・+an^2(1-yn)

=n/2n(n+1)

  h0=(1/2(n+1))^1/2

 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)

  a2^2(1-y2)+・・・+an^2(1-yn)

=(n-1)/2n(n+1)

  h1=((n-1)/(n+1))^1/2/n

 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^2(1-yn)=1/2n(n+1)

  hn-1=(1/2n(n+1))^1/2

 一般に,

  ∥aj∥^2=(n-j)/2(j+1)(n+1)

  cj=(n-j)/2n(n+1)

  hj={(j+1)(n-j)/2n^2(n+1)}^1/2→OK

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