Paylaşım Yap
Tüm Reklamları Kapat
Tüm Reklamları Kapat

Faktöriyel Kavramına Asimptotik Bir Yaklaşım: Stirling Formülü

5 dakika
4,318
Faktöriyel Kavramına Asimptotik Bir Yaklaşım: Stirling Formülü
Tüm Reklamları Kapat

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:

Tüm Reklamları Kapat

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]

Tüm Reklamları Kapat

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

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.

Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.

Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.

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

Tüm Reklamları Kapat

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:

Tüm Reklamları Kapat

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

Tüm Reklamları Kapat

Agora Bilim Pazarı
  • Dış Sitelerde Paylaş

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}

Tüm Reklamları Kapat

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}}

Tüm Reklamları Kapat

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 Makaleyi Alıntıla
Okundu Olarak İşaretle
Özetini Oku
35
1
  • Paylaş
  • Alıntıla
  • Alıntıları Göster
Paylaş
Sonra Oku
Notlarım
Yazdır / PDF Olarak Kaydet
Bize Ulaş
Yukarı Zıpla

İçeriklerimizin bilimsel gerçekleri doğru bir şekilde yansıtması için en üst düzey çabayı gösteriyoruz. Gözünüze doğru gelmeyen bir şey varsa, mümkünse güvenilir kaynaklarınızla birlikte bize ulaşın!

Bu içeriğimizle ilgili bir sorunuz mu var? Buraya tıklayarak sorabilirsiniz.

Soru & Cevap Platformuna Git
Bu İçerik Size Ne Hissettirdi?
  • Tebrikler! 12
  • İnanılmaz 8
  • Mmm... Çok sapyoseksüel! 5
  • Muhteşem! 2
  • Umut Verici! 1
  • Merak Uyandırıcı! 1
  • Bilim Budur! 0
  • Güldürdü 0
  • Üzücü! 0
  • Grrr... *@$# 0
  • İğrenç! 0
  • Korkutucu! 0
Kaynaklar ve İleri Okuma
Tüm Reklamları Kapat

Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?

Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:

kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci

Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 07/11/2024 21:52:41 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/9380

İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.

Tüm Reklamları Kapat
Keşfet
Akış
İçerikler
Gündem
Wuhan
Kitlesel Yok Oluş
Deprem
Bebek
Ölümden Sonra Yaşam
Nöron Hücresi
Çocuklar
Biyokimya
Bilinç
Farmakoloji
Süt
Hayvanlar
Sağlık Bilimleri
Coğrafya
Covıd-19
Şeker
Yeme
Bilim İnsanı
Atom
Sanat
Yıldız
Ölüm
Türleşme
Klinik Mikrobiyoloji
Aşılar
Aklımdan Geçen
Komünite Seç
Aklımdan Geçen
Fark Ettim ki...
Bugün Öğrendim ki...
İşe Yarar İpucu
Bilim Haberleri
Hikaye Fikri
Video Konu Önerisi
Başlık
Bugün bilimseverlerle ne paylaşmak istersin?
Gündem
Bağlantı
Ekle
Soru Sor
Stiller
Kurallar
Komünite Kuralları
Bu komünite, aklınızdan geçen düşünceleri Evrim Ağacı ailesiyle paylaşabilmeniz içindir. Yapacağınız paylaşımlar Evrim Ağacı'nın kurallarına tabidir. Ayrıca bu komünitenin ek kurallarına da uymanız gerekmektedir.
1
Bilim kimliğinizi önceleyin.
Evrim Ağacı bir bilim platformudur. Dolayısıyla aklınızdan geçen her şeyden ziyade, bilim veya yaşamla ilgili olabilecek düşüncelerinizle ilgileniyoruz.
2
Propaganda ve baskı amaçlı kullanmayın.
Herkesin aklından her şey geçebilir; fakat bu platformun amacı, insanların belli ideolojiler için propaganda yapmaları veya başkaları üzerinde baskı kurma amacıyla geliştirilmemiştir. Paylaştığınız fikirlerin değer kattığından emin olun.
3
Gerilim yaratmayın.
Gerilim, tersleme, tahrik, taciz, alay, dedikodu, trollük, vurdumduymazlık, duyarsızlık, ırkçılık, bağnazlık, nefret söylemi, azınlıklara saldırı, fanatizm, holiganlık, sloganlar yasaktır.
4
Değer katın; hassas konulardan ve öznel yoruma açık alanlardan uzak durun.
Bu komünitenin amacı okurlara hayatla ilgili keyifli farkındalıklar yaşatabilmektir. Din, politika, spor, aktüel konular gibi anlık tepkilere neden olabilecek konulardaki tespitlerden kaçının. Ayrıca aklınızdan geçenlerin Türkiye’deki bilim komünitesine değer katması beklenmektedir.
5
Cevap hakkı doğurmayın.
Aklınızdan geçenlerin bu platformda bulunmuyor olabilecek kişilere cevap hakkı doğurmadığından emin olun.
Sosyal
Yeniler
Daha Fazla İçerik Göster
Popüler Yazılar
30 gün
90 gün
1 yıl
Evrim Ağacı'na Destek Ol

Evrim Ağacı'nın %100 okur destekli bir bilim platformu olduğunu biliyor muydunuz? Evrim Ağacı'nın maddi destekçileri arasına katılarak Türkiye'de bilimin yayılmasına güç katın.

Evrim Ağacı'nı Takip Et!
Yazı Geçmişi
Okuma Geçmişi
Notlarım
İlerleme Durumunu Güncelle
Okudum
Sonra Oku
Not Ekle
Kaldığım Yeri İşaretle
Göz Attım

Evrim Ağacı tarafından otomatik olarak takip edilen işlemleri istediğin zaman durdurabilirsin.
[Site ayalarına git...]

Filtrele
Listele
Bu yazıdaki hareketlerin
Devamını Göster
Filtrele
Listele
Tüm Okuma Geçmişin
Devamını Göster
0/10000
Bu Makaleyi Alıntıla
Evrim Ağacı Formatı
APA7
MLA9
Chicago
M. Taşdemir, et al. Faktöriyel Kavramına Asimptotik Bir Yaklaşım: Stirling Formülü. (27 Eylül 2020). Alındığı Tarih: 7 Kasım 2024. Alındığı Yer: https://evrimagaci.org/s/9380
Taşdemir, M., Bakırcı, Ç. M., Kaya, . (2020, September 27). Faktöriyel Kavramına Asimptotik Bir Yaklaşım: Stirling Formülü. Evrim Ağacı. Retrieved November 07, 2024. from https://evrimagaci.org/s/9380
M. Taşdemir, et al. “Faktöriyel Kavramına Asimptotik Bir Yaklaşım: Stirling Formülü.” Edited by Çağrı Mert Bakırcı. Evrim Ağacı, 27 Sep. 2020, https://evrimagaci.org/s/9380.
Taşdemir, Mert. Bakırcı, Çağrı Mert. Kaya, . “Faktöriyel Kavramına Asimptotik Bir Yaklaşım: Stirling Formülü.” Edited by Çağrı Mert Bakırcı. Evrim Ağacı, September 27, 2020. https://evrimagaci.org/s/9380.
ve seni takip ediyor

Göster

Şifremi unuttum Üyelik Aktivasyonu

Göster

Şifrenizi mi unuttunuz? Lütfen e-posta adresinizi giriniz. E-posta adresinize şifrenizi sıfırlamak için bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Eğer aktivasyon kodunu almadıysanız lütfen e-posta adresinizi giriniz. Üyeliğinizi aktive etmek için e-posta adresinize bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Close