Faktöriyel Kavramına Asimptotik Bir Yaklaşım: Stirling Formülü
/old/content_media/fba7135f8e522f8a7524f6531d592994.jpg)
- Özgün
- Matematik
Bu Makalede Neler Öğreneceksin?
Bu bölümü yapay zekâ hazırlar.- Faktöriyel, 1'den başlayarak bir tam sayıya kadar olan sayıların çarpımıdır ve nesnelerin farklı dizilim sayısını hesaplamada kullanılır.
- Faktöriyel fonksiyonu, doğal sayılar kümesi üzerinde Gamma fonksiyonu ile tanımlanabilir ve bu fonksiyonun integral formülü x! = Γ(x+1) şeklindedir.
- Stirling formülü, büyük sayıların faktöriyelini hesaplamada kullanılan, hesaplama maliyetini düşüren bir yöntemdir ve Gamma fonksiyonu ile cebirsel dönüşümler kullanılarak elde edilir.
Faktöriyel kavramı, çok farklı şekillerde tanımlanabilen bir kavramdır. En basitinden faktöriyel, 1'den herhangi bir tam sayıya kadar (ki bunun ilginç istisnaları mevcuttur) olan bütün tam sayıların çarpımı olarak tanımlanabilir. Örneğin 5 faktöriyel, 5! ile gösterilir ve 1, 2, 3, 4 ve 5 sayılarının birbiriyle çarpımına eşittir: Yani 120'ye...
Bunun pratik uygulamalarından birisi, belli bir sayıdaki nesneleri kaç farklı şekilde dizebileceğimizi hesaplamakta kullanılmasıdır. Örneğin elinizde A, B ve C isimli 3 adet kitap varsa, bunları kaç farklı şekilde dizebileceğinizi merak ediyorsanız, 3! hesabını yapabilirsiniz: Kitapları 1 kere 2 kere 3, dolayısıyla 6 farklı şekilde dizebilirsiniz: ABC, ACB, BAC, BCA, CAB ve CBA.
İşi biraz teknikleştirmek mümkündür: Faktöriyel, matematiğin ayrık olmayan disiplinlerinde, kompleks sayılar üzerinde tanımlı bir fonksiyonun doğal sayılar kümesi kısıtı altında bir görüntüsü olarak tanımlanır. Bu fonksiyonun adı Gamma fonksiyonudur ve şöyle tanımlanır:
Γ(x+1)=∫0∞txe−tdt\LARGE{\Gamma(x+1)=\displaystyle\int_0^{\infty}t^xe^{-t}dt}
Eğer burada xx bir doğal sayı ise tümevarım ile şu eşitlik gösterilebilir.
x!=Γ(x+1)\LARGE{x!=\Gamma(x+1)}
Bu yazıda, bu fonksiyonun üzerinde çeşitli cebirsel numaralar yaparak ve biraz da Taylor serisi bilgisiyle, meşhur Stirling Formülü'nü elde edeceğiz. Stirling formülü, çok büyük sayıların faktöriyelini hesaplamakta kullandığımız bir yöntemdir. Bu yaklaşım, bilgisayar bilimleri açısından masraflı olabilecek "düz çarpım" yöntemini hesaplama maliyeti açısından ucuzlatmak amacıyla kullanılmaktadır.[1]
Öncelikle txt^x'i ee tabanında yazalım. Bu bize eln(tx)e^{\ln (t^x)}'den exln(t)e^{x\ln (t)} verir. Eğer tx=exln(t)t^x=e^{x\ln (t)} özdeşliğini kullanırsak şu eşitliğe ulaşırız:
x!=∫0∞exln(t)−tdtx!=\displaystyle\int_0^{\infty}e^{x\ln (t)-t}dt
Bu eşitlikte de t=(1+α)xt=(1+\alpha)x dönüşümü yaparsak dt=ddα(x+αx)dα=x⋅dαdt={d \over d\alpha} (x+\alpha x)d\alpha=x \cdot d\alpha gelir. Sınırlara bakarsak t=0t=0 için α=−1\alpha=-1 olmalı. tt sonsuza giderken α\alpha da sonsuza gider. O zaman yeni sınırlarımız [−1,∞)[-1,\infty) olur. tt yerine (1+α)x(1+\alpha)x ve dtdt yerine xdαx d\alpha yazarsak şu sonuca ulaşırız:
∫−1∞x⋅exln((1+α)x)−(1+α)xdα\displaystyle\int_{-1}^\infty x \cdot e^{x\ln ((1+\alpha)x)-(1+\alpha)x}d\alpha
xln((1+α)x)=xln(1+α)+xln(x)x\ln ((1+\alpha)x)=x\ln (1+\alpha)+x\ln (x) ve −(1+α)x=−x−αx-(1+\alpha)x=-x-\alpha x olduğundan üstü şöyle yazalım:
∫−1∞x⋅exln(1+α)+xln(x)−x−αxdα\displaystyle\int_{-1}^\infty x \cdot e^{x\ln (1+\alpha)+x\ln (x)-x-\alpha x}d\alpha
Şimdi içinde α\alpha bulunmayan terimleri toparlayalım.
∫−1∞x⋅exln(x)e−xexln(1+α)−αxdα\displaystyle\int_{-1}^\infty x \cdot e^{x\ln (x)} e^{-x}e^{x\ln (1+\alpha)-\alpha x}d\alpha
Bunlar α\alpha'ya bağlı olmadıkları için dışarı çıkabilir. O halde en son hali ile şuna döner:
x!=e−xxx+1∫−1∞ex(ln(1+α)−α)dαx!=e^{-x}x^{x+1}\displaystyle\int_{-1}^{\infty}e^{x(\ln (1+\alpha)-\alpha)}d\alpha
Şimdi burada biraz duralım ve neden yukarıdaki gibi bir dönüşümü yaptığımızı açıklayalım. Burada böyle bir dönüşüm yapmamızın sebebi ln(1+α)\ln(1+\alpha)'nın Taylor serisini biliyor olmamız. ln(1+α)\ln(1+\alpha)'nın Taylor serisi hesaplamak istersek klasik Taylor serisi formulünü hatırlıyalım:
f(x)=∑n=0∞f(n)(a)n!(x−a)nf(x)=\displaystyle\sum_{n=0} ^ {\infty} \frac {f^{(n)}(a)}{n!} (x-a)^{n}
Buradan f(α)=ln(α+1)f(\alpha)=\ln(\alpha+1)'yı hesaplamak istersek ln(α+1)\ln(\alpha +1)'in türevlerine bakalım:
f(α)=ln(α+1)f(\alpha)=\ln(\alpha +1)
f′(α)=1α+1f'(\alpha)={1 \over \alpha +1}
f′′(α)=−1(α+1)2f''(\alpha)=-{1 \over (\alpha +1)^2}
…\dots
f(n)(α)=(−1)n+1(n−1)!(α+1)−nf^{(n)}(\alpha)=(-1)^{n+1}(n-1)! (\alpha +1)^{-n}
Şimdi bunu f(n)(α)f^{(n)}(\alpha) yerine koyarsak ve a=0a=0 dersek (ki bu Taylor serisinde aa herhangi bir sayı olabilir) şunu elde ederiz:
f(α)=∑n=0∞(−1)n+1(n−1)!n!αnf(\alpha)=\displaystyle\sum_{n=0} ^ {\infty} \frac {(-1)^{n+1}(n-1)!}{n!} \alpha^{n}
Şimdi faktöriyelleri de sadeleştirirsek şunu elde ederiz:
f(α)=∑n=0∞(−1)n+1αnnf(\alpha)=\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^{n+1}\dfrac{\alpha^n}{n}
Bu toplamı açacak olursak:
f(α)=∑n=0∞(−1)n+1αnn=α−α22+α33−α44+α55+…f(\alpha)=\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^{n+1}\dfrac{\alpha^n}{n}=α - {α^2 \over 2} + {α^3 \over3} - {α^4 \over 4} + {α^5 \over5} +\dots
Dolayısı ile α\alpha yeterince küçük iken yüksek kuvvetli terimler 00'a yaklaşacağı için onları göz ardı edebiliriz. Bu yüzden sadece α−α22α - {α^2 \over 2}kısmını alıp ln(1+α)−α≈−α22\ln(1+\alpha)-\alpha \approx -\dfrac{\alpha^2}{2} diyebiliriz. Esasında 1+\alpha">eα>1+αe^{\alpha}>1+\alpha eşitliği her α\alpha için doğru olduğundan bu yaklaşım her α\alpha için uygulanabilir. Dolayısı ile x!=e−xxx+1∫−1∞ex(ln(1+α)−α)dαx!=e^{-x}x^{x+1}\displaystyle\int_{-1}^{\infty}e^{x(\ln (1+\alpha)-\alpha)}d\alpha eşitliğine bir yaklaşım olarak e−xxx+1∫−1∞e−xα22dαe^{-x}x^{x+1}\displaystyle\int_{-1}^{\infty}e^{-x\frac{\alpha^2}{2}}d\alpha kullanılabilir.
Hatırlamak gerekiyor ki burada xx çok büyük bir sayı olarak kabul ediliyor, çünkü yapmaya çalıştığımız şey Stirling yaklaşımını çözümlemek. Dolayısı ile −1-1 'den küçük α\alpha'lar için de e−xα22e^{-x\frac{\alpha^2}{2}} oldukça küçük bir sayı olacaktır (çünkü burada 0">α22>0\frac{\alpha^2}{2}>0 ve 0">x>0x>0 çok büyük bir sayıdır dolayısıyla çarpımlarının negatifi çok büyük bir negatif sayı olacağından bu sayının eksponansiyel fonksiyon altındaki görüntüsü çok küçük bir sayı olur) yaklaşım yapacağımızdan dolayı integralin aralığına (−∞,−1)(-\infty,-1) aralığını da dahil etmek yaklaşımı bu yüzden bozmayacaktır. O zaman (−∞,−1)(-\infty,-1) aralığını da dahil edersek:
x!≈e−xxx+1∫−∞∞e−xα22dα{x!\approx e^{-x}x^{x+1}\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}e^{-x\frac{\alpha^2}{2}}d\alpha}
eşitliğine ulaşırız ki burada basit bir u=xα2u=\frac{\sqrt{x}\alpha}{\sqrt{2}} dönüşümü yaparsak:
x!≈e−xxx+1∫−∞∞e−u22xdu{x!\approx e^{-x}x^{x+1}\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}e^{-u^2}\sqrt{\frac{2}{x}}du}
eşitliğine ulaşılır. Bu integral, meşhur Gauss integralidir ve sonucu π\sqrt{\pi} 'dir. En son haliyle:
x!≈e−xxx2πx\LARGE{x! \approx e^{-x}x^x\sqrt{2\pi x}}
Veya daha çok genel yazımı ile:
x!≈2πx(xe)x\LARGE{x! \approx \sqrt{2\pi x}\bigg({x \over e}\bigg)^x}
yaklaşımına ulaşılır - ki bu, Stirling yaklaşımıdır. Ancak başından not ettiğimiz gibi, bu yaklaşımın geçerliliği, xx çok büyük bir sayıyken mevcuttur. Küçük sayılarda hata payı çok yüksek olacaktır.
Bu makale üzerine konuşmaya devam et
Topluluk sohbetine katıl, yorum bırak veya ayrıntılı bir soru sor.
- Tebrikler!11

- İnanılmaz6

- Mmm... Çok sapyoseksüel!4

- Merak Uyandırıcı!1

- Muhteşem!0

- Bilim Budur!0

- Güldürdü0

- Umut Verici!0

- Üzücü!0

- Grrr... *@$#0

- İğrenç!0

- Korkutucu!0

- ^Fabian, et al. What Is The Purpose Of Stirling's Approximation To A Factorial? - Mathematics Stack Exchange. (11 Ocak 2012). Alındığı Tarih: 26 Eylül 2020. Alındığı Yer: Mathematics Stack Exchange | Arşiv Bağlantısı
Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misin?
Şu iki siteden biriyle hemen destek olabilirsin:
kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracıyla 02.11.2026 17:03:59 tarihinde oluşturuldu. Evrim Ağacı'ndaki içerikleri birden fazla editör sürekli gözden geçiriyor, güncelliyor ve geliştiriyor. Bu çıktıdan sonraki güncellemeleri görmek ve içeriğin en güncel hâlini okumak için şu adrese git: evrimagaci.org/s/9380
İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı sürece izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş hâlleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz.