Многочлены Бернулли

Многочлены Бернулли — последовательность многочленов, возникающая при изучении многих специальных функций, в частности ζ-функции Римана и ζ-функции Гурвица; частный случай последовательности Аппеля. В отличие от ортогональных многочленов, многочлены Бернулли примечательны тем, что число корней в интервале $\ [0,1]$ не увеличивается с увеличением степени многочлена. При неограниченном увеличении степени многочлены Бернулли приближаются к тригонометрическим функциям.

Многочлены Бернулли

Названны в честь Якоба Бернулли.

Определения

Многочлены Бернулли $\ B_{n}(x)$ можно определить различными способами в зависимости от удобства.

Явное задание:

$B_{n}(x)=\sum _{k=0}^{n}C_{n}^{k}B_{n-k}x^{k}$,

где $C_{n}^{k}$ — биномиальные коэффициенты, $\ B_{k}$ — числа Бернулли, или:

$B_{n}(x)=\sum _{m=0}^{n}{\frac {1}{m+1}}\sum _{k=0}^{m}(-1)^{k}C_{m}^{k}(x+k)^{n}.$

Производящей функцией для многочленов Бернулли является:

${\frac {te^{xt}}{e^{t}-1}}=\sum _{n=0}^{\infty }B_{n}(x){\frac {t^{n}}{n!}}.$

Можно представить многочлены Бернулли дифференциальным оператором:

$B_{n}(x)={D \over e^{D}-1}x^{n}$, где $D$ — оператор формального дифференцирования.

Несколькими первыми многочленами Бернулли являются:

$B_{0}(x)=1,$

$B_{1}(x)=x-{\frac {1}{2}},$

$B_{2}(x)=x^{2}-x+{\frac {1}{6}},$

$B_{3}(x)=x^{3}-{\frac {3}{2}}x^{2}+{\frac {1}{2}}x,$

$B_{4}(x)=x^{4}-2x^{3}+x^{2}-{\frac {1}{30}},$

$B_{5}(x)=x^{5}-{\frac {5}{2}}x^{4}+{\frac {5}{3}}x^{3}-{\frac {1}{6}}x,$

$B_{6}(x)=x^{6}-3x^{5}+{\frac {5}{2}}x^{4}-{\frac {1}{2}}x^{2}+{\frac {1}{42}}.$

Свойства

Начальные значения многочленов Бернулли при $\ x=0$ равны соответствующим числам Бернулли:

$\ B_{n}(0)=B_{n}$.

Производная от производящей функции:

$te^{tx}{\frac {1}{e^{t}-1}}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {B'_{n}(x)}{n!}}t^{n}$.

Левая часть отличается от производящей функции только множителем $\ t$, поэтому:

$\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {B'_{n}(x)}{n!}}t^{n}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {B_{n}(x)}{n!}}t^{n+1}$.

Сравнивая коэффициенты при одинаковых степенях $\ t$:

${\frac {B'_{n}(x)}{n!}}={\frac {B_{n-1}(x)}{(n-1)!}}$,

откуда:

$\ B'_{n}(x)=nB_{n-1}(x)$.

(Функции, удовлетворяющие подобному свойству называются последовательностью Аппеля).

Из последнего равенства следует правило интегрирования многочленов Бернулли:

$\ B_{n}(x)=B_{n}+n\int _{0}^{x}B_{n-1}(t)\,dt$.

Также бывает полезно свойство сбалансированности:

$\int _{0}^{1}B_{n}(x)dx=0$ (при $n>0$)

Теорема об умножении аргумента: если $m$ — произвольное натуральное число, то:

$\sum _{n=0}^{\infty }B_{n}(mx){\frac {t^{n}}{n!}}={\frac {te^{mxt}}{e^{t}-1}}={\frac {1}{m}}e^{mxt}{\frac {mt(1+e^{t}+\cdots +e^{(m-1)t})}{e^{mt}-1}}={\frac {1}{m}}\sum _{s=0}^{m-1}{\frac {e^{\left(x+{\frac {s}{m}}\right)mt}mt}{e^{mt}-1}}={\frac {1}{m}}\sum _{s=0}^{m-1}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {B_{n}\left(x+{\frac {s}{m}}\right)m^{n}}{n!}}t^{n}.$

Из построенных разложений следует теорема об умножении аргумента:

$B_{n}(mx)=m^{n-1}\sum _{s=0}^{m-1}B_{n}\left(x+{\frac {s}{m}}\right)$.

Симметрия:

$\ B_{n}(1-x)=(-1)^{n}B_{n}(x),$

$\ (-1)^{n}B_{n}(-x)=B_{n}(x)+nx^{n-1}.$

Ссылки

• Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, eds. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, (1972) Dover, New York.