Liczby Bernoulliego

Liczby Bernoulliego – nieskończony ciąg liczb wymiernych oznaczanych jako $B_{k},$ gdzie $k$ jest numerem porządkowym liczby, $k=0,1,2...,$ wprowadzony w roku 1631 przez Johanna Faulhabera w celu ułatwienia obliczania sum ustalonych potęg kolejnych liczb naturalnych. Takie ich zastosowania i niektóre ich własności opisał szczegółowo Jakob Bernoulli w książce Ars Conjectandi (wydanej po śmierci autora w roku 1713). Stwierdza tam między innymi, że potrafi, wykorzystując wzór Faulhabera (patrz niżej) obliczyć sumę: $1^{10}+2^{10}+3^{10}+...+1000^{10}$ „w pół kwadransa”.

Liczby Bernoulliego znalazły zastosowanie w analizie (rozwinięcia funkcji w szereg Taylora) i w teorii liczb.

Definicja

Obecnie funkcjonują w matematyce dwie definicje liczb Bernoulliego: nowsza – podana niżej jako definicja 1 i starsza – niżej cytowana jako definicja 2. Dla odróżnienia liczby Bernoulliego określone według definicji 1 oznacza się przez $B_{k},$ a według definicji 2 – przez $B_{k}^{*}.$ Przy tym liczby $B_{k}^{*}$ stanowią podzbiór właściwy liczb $B_{k}.$

Liczby Bernoulliego – definicja 1

Liczby Bernoulliego definiuje się jako współczynniki pojawiające się w rozwinięciu w szereg Taylora funkcji:

${\frac {x}{e^{x}-1}}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {B_{n}\cdot {x^{n}}}{n!}}.$

Szereg powyższy jest zbieżny dla $|x|<2\pi .$

Równoważnie liczby Bernoulliego można zdefiniować rekurencyjnie za pomocą wzoru:

$\sum _{k=0}^{m}{m+1 \choose k}\cdot B_{k}=0,$

gdzie $B_{0}=1.$

Według tej definicji wszystkie liczby Bernoulliego o indeksach nieparzystych większych od 2 są równe 0.

Liczby o indeksach parzystych większych od 0 są na przemian dodatnie i ujemne.

Pierwsze 21 liczb Bernoulliego zaczynając od $B_{0}{:}$

$1,-{\frac {1}{2}},{\frac {1}{6}},0,-{\frac {1}{30}},0,{\frac {1}{42}},0,-{\frac {1}{30}},0,{\frac {5}{66}},0,-{\frac {691}{2730}},0,{\frac {7}{6}},0,-{\frac {3617}{510}},0,{\frac {43867}{798}},0,-{\frac {174611}{330}},\dots$

Liczby Bernoulliego – definicja 2

Liczby Bernoulliego definiuje się tym razem jako współczynniki pojawiające się w rozwinięciu w szereg Taylora funkcji:

$1-{\frac {x}{2}}\operatorname {ctg} \left({\frac {x}{2}}\right)={\frac {B_{1}^{*}\cdot {x^{2}}}{2!}}+{\frac {B_{2}^{*}\cdot {x^{4}}}{4!}}+{\frac {B_{3}^{*}\cdot {x^{6}}}{6!}}+\ldots$

Pierwsze kilka liczb Bernoulliego zaczynając od $B_{1}^{*}{:}$

${\frac {1}{6}},{\frac {1}{30}},{\frac {1}{42}},{\frac {1}{30}},{\frac {5}{66}},{\frac {691}{2730}},{\frac {7}{6}},{\frac {3617}{510}},{\frac {43867}{798}},{\frac {174611}{330}},{\frac {854513}{138}},\dots$

Powiązanie pomiędzy liczbami $B_{n}^{*}$ i $B_{n}$ opisuje poniższy wzór:

$B_{n}={\begin{cases}1,&{\mbox{dla }}n=0\\-{\frac {1}{2}},&{\mbox{dla }}n=1\\(-1)^{({\frac {n}{2}})-1}\cdot {B_{\frac {n}{2}}^{*}},&{\mbox{dla }}n{\mbox{ parzystych}}\\0,&{\mbox{dla }}n{\mbox{ nieparzystych}}\end{cases}}$

Wzór asymptotyczny

Wykorzystując wzór Stirlinga, otrzymuje się następujące przybliżenie wartości liczb Bernoulliego:

$B_{n}\approx (-1)^{n-1}\cdot 4\cdot {\sqrt {\pi \cdot n}}\cdot \left({\frac {n}{\pi {e}}}\right)^{2n}.$

Twierdzenie Staudta

Każda liczba Bernoulliego $B_{\nu }$ może być przedstawiona w postaci

$B_{\nu }=C_{\nu }-\sum {\frac {1}{k+1}},$ gdzie

$C_{\nu }$ jest liczbą naturalną, a sumowanie przebiega po takich dzielnikach $k$ liczby $\nu ,$ dla których $k+1$ jest liczbą pierwszą.

Na przykład liczba Bernoulliego $B_{6}={\frac {1}{42}}$ może być przedstawiona w postaci $B_{6}=1-{\frac {1}{2}}-{\frac {1}{3}}-{\frac {1}{7}},$ bo liczba 6 ma cztery dzielniki: 1, 2, 3, 6, z których trzy: 1, 2, 6 są odpowiednio liczbami o 1 mniejszymi od liczb pierwszych: 2, 3, 7.

Przykłady zastosowań

Można je znaleźć w rozwinięciach w szereg Taylora wielu funkcji takich jak $\operatorname {tg} x,\operatorname {ctg} x,\operatorname {tgh} x,{\frac {x}{e^{x}-1}},\ln |\sin(x)|$ i w innych.

Wzór Faulhabera na sumę potęg kolejnych liczb naturalnych:

$\sum _{j=1}^{n}{j^{k}}={\frac {1}{k+1}}\cdot \left[n^{k+1}+{k+1 \choose 1}\,B_{1}n^{k}+{k+1 \choose 2}\,B_{2}n^{k-1}+\ldots +{k+1 \choose k}\,B_{k}n\right].$

Związek z funkcją dzeta Riemanna wyraża wzór Eulera:

$\zeta (2k)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2k}}}={\frac {\pi ^{2k}2^{2k-1}}{(2k)!}}B_{2k}.$

W szczególności wynika stąd, że

$\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}}={\frac {\pi ^{2}}{6}}.$

Inny wzór wyprowadzony także przez Eulera:

$\sum _{n=1}^{\infty }{(-1)^{n+1}}{\frac {1}{n^{2k}}}=(-1)^{k+1}{\frac {\pi ^{2k}\left(2^{2k-1}-1\right)}{(2k)!}}B_{2k}.$

Liczby Bernoulliego badano też m.in. w związku z liczbami pierwszymi regularnymi. Wiele dalszych własności liczb Bernoulliego i innych ich zastosowań można znaleźć w podanych niżej źródłach.

Bibliografia

• PauloP. Ribenboim PauloP., Mała księga wielkich liczb pierwszych, JerzyJ. Browkin (tłum.), Warszawa: WNT, 1997, ISBN 83-204-2201-9, OCLC 69586783 . Brak numerów stron w książce
• J.H. Conway, R.K. Guy, Księga liczb, WNT, Warszawa 1999, ISBN 83-204-2366-X.
• R.L. Graham, D.E. Knuth, O. Patashnik, Matematyka konkretna, § 6.5.: Liczby Bernoulliego, PWN, Warszawa 2006, ISBN 83-01-14764-4.
• Eric W.E.W. Weisstein Eric W.E.W., Bernoulli Number, [w:] MathWorld, Wolfram Research  (ang.).