Fatorial
Este artigo não cita fontes confiáveis. (Março de 2019) |
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8 | 320 40 |
9 | 880 362 |
10 | 628800 3 |
11 | 916800 39 |
12 | 001600 479 |
13 | 227020800 6 |
14 | 178291200 87 |
15 | 307674368000 1 |
16 | 922789888000 20 |
17 | 687428096000 355 |
18 | 402373705728000 6 |
19 | 645100408832000 121 |
20 | 432902008176640000 2 |
25 | 121004×1025 1.551 |
50 | 409320×1064 3.041 |
70 | 857167×10100 1.197 |
100 | 621544×10157 9.332 |
450 | 368733×101000 1.733 |
000 1 | 872601×102567 4.023 |
249 3 | 337688×1010000 6.412 |
000 10 | 259681×1035659 2.846 |
206 25 | 703438×10100000 1.205 |
000 100 | 229408×10456573 2.824 |
023 205 | 898932×101000004 2.503 |
000000 1 | 931688×105565708 8.263 |
10100 | 101097754820 10101.998 |
Na matemática, o fatorial (AO 1945: factorial) de um número natural n, denotado por n!, é o produto de todos os naturais menores ou iguais a n. O fatorial de n também é igual ao produto de n e o fatorial de seu antecessor: Por exemplo, O valor de 0! é 1, conforme a convenção para um produto vazio.[1]
Fatoriais foram descobertos em diversas culturas antigas, notavelmente na matemática indiana, nas obras canônicas da literatura de Jain, e por míticos judeus no livro Talmude Sêfer Yetzirá. A operação fatorial é encontrada em diversas áreas da matemática, notavelmente na combinatória, onde seu uso mais básico é contar as diferentes sequências possíveis — as permutações — de n distintos objetos: existem n!. Na análise matemática, fatoriais são usados nas série de potências para a função exponencial e outras funções. Eles também possuem aplicações na álgebra, teoria dos números, teoria das probabilidades e ciência da computação.
Muita da matemática das funções fatoriais começou a ser desenvolvida no final do século XVIII e início do XIX. A aproximação de Stirling gera uma aproximação precisa para fatoriais de números grandes, mostrando que ele cresce mais rápido que o crescimento exponencial. A fórmula de Legendre descreve os exponentes de números primos numa decomposição em fatores primos dos fatoriais, e pode ser utilizada para contar os zeros à direita dos fatoriais. Daniel Bernoulli e Leonhard Euler interpolaram a função fatorial para uma função contínua de números complexos, exceto nos inteiros negativos, chamada de função gama (deslocada).
Várias outras funções e sequências numéricas importantes estão intimamente relacionadas aos fatoriais, incluindo os coeficientes binomiais, duplos fatoriais, primoriais e subfatoriais. Implementações da função fatorial são comumente usadas como exemplo de diferentes estilos de programação de computadores e estão incluídas em calculadoras científicas e bibliotecas de software de computação científica. Embora calcular diretamente fatoriais grandes usando a fórmula do produto ou recorrência não seja eficiente, algoritmos mais rápidos são conhecidos, combinando, num fator constante, o tempo para algoritmos de multiplicação rápidos para números com o mesmo número de dígitos.
Definição
[editar | editar código-fonte]A função fatorial é normalmente definida por:
Por exemplo, . Como o fatorial de um número é uma multiplicação de 1 até , , pode ser definido pelo produto de com o fatorial de seu antecessor. Logo, . De forma geral:
que pode ser reescrito da seguinte forma:
Portanto:
Esta definição implica em particular que , pois
A função fatorial também pode ser definida (inclusive para não-inteiros) através da função gama:
A sequência dos fatoriais (sequência A000142 na OEIS) para n = 0, 1, 2,... começa com:
Aplicações
[editar | editar código-fonte]Os fatoriais são importantes em análise combinatória. Por exemplo, existem n! caminhos diferentes de arranjar n objetos distintos numa sequência. (Os arranjos são chamados permutações) E o número de opções que podem ser escolhidos é dado pelo coeficiente binomial. Veja também binômio de Newton.
Os fatoriais também aparecem em cálculo. Por exemplo, no teorema de Taylor, que expressa a função f(x) como uma série de série de potências em x. A razão principal é que o n derivativo de xn é n!. Os fatoriais também são usados extensamente na teoria da probabilidade.
Os fatoriais são também frequentemente utilizados como exemplos simplificados de recursividade, em ciência da computação, porque satisfazem as seguintes relações recursivas: (se n ≥ 1):
- n! = n (n − 1)!
Como calcular fatoriais
[editar | editar código-fonte]O valor numérico de n! pode ser calculado por multiplicação repetida se n não for grande demais. É isto que as calculadoras fazem. O maior fatorial, que a maioria das calculadoras suportam é 69!, porque 70! > 10100.
Quando n é grande demais, n! pode ser calculado com uma boa precisão usando a aproximação de Stirling:
Esta é uma versão simplificada que pode ser provada usando a matemática básica do ensino secundário; a ferramenta essencial é a indução matemática. Esta é aqui apresentada na forma de um exercício:
Logaritmo de fatorial
[editar | editar código-fonte]O logaritmo de um fatorial pode ser usado para calcular o número de dígitos que a base de um fatorial irá ocupar. ln(n!) pode ser facilmente calculado da seguinte forma:
Note que esta função, demonstrada graficamente, é quase linear para valores baixos; mas o fator cresce de maneira arbitrária, embora vagarosa. Por exemplo, este é o gráfico de seus primeiros 20 mil valores:
Uma boa aproximação para ln(n!) é fazer o logaritmo da fórmula de Stirling.
Generalidades
[editar | editar código-fonte]A função gama similar
[editar | editar código-fonte]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3a/Magnifying_glass_01.svg/17px-Magnifying_glass_01.svg.png)
A função gama Γ(z) é definida para todos os números complexos z exceto os inteiros não positivos (z = 0, −1, −2, −3, ...). Relaciona-se aos fatoriais pelo fato de que satisfaz um relacionamento recursivo similar àquele da função fatorial:
Junto com a definição Γ(1) = 1 isto gera a equação
Devido a este relacionamento, a função gama é frequentemente tida como uma generalização da função fatorial para o domínio dos números complexos. Isso é justificado pelas seguintes razões:
- Significado compartilhado — a definição canônica da função factorial é o relacionamento recursivo mencionado, compartilhado por ambos.
- Unicidade — a função gama é a única função que satisfaz o relacionamento recursivo mencionado para o domínio dos números complexos e é holomórfica e cuja restrição ao eixo positivo real é convexa no log. Ou seja, é a única função que poderia ser uma generalização da função fatorial.
- Contexto — a função gama é geralmente usada num contexto similar ao dos factoriais (mas, é claro, onde um domínio mais geral for de interesse).
Multifactoriais
[editar | editar código-fonte]Uma notação relacionada comum é o uso de múltiplos pontos de exclamação para simbolizar um multifactorial, o produto de inteiros em passos de dois (n!!), três (n!!!), ou mais.
n!! denota o factorial duplo de n e é definido recursivamente por
Por exemplo, 8!! = 2 · 4 · 6 · 8 = 384 e 9!! = 1 · 3 · 5 · 7 · 9 = 945. A sequência de factoriais duplos para n = 0, 1, 2,... é :1, 1, 2, 3, 8, 15, 48, 105, 384, 945, 3840, ...
Algumas identidades envolvendo factoriais duplos são:
Deve-se ser cuidadoso para não interpretar n!! como o factorial de n!, que deveria ser escrito (n!)! e é um número muito maior (para n>2).
O factorial duplo é a variante mais comumente usada, mas pode-se definir o factorial triplo do mesmo modo (n!!!) e assim por diante. Em geral, o k-ésimo factorial, notado por n!(k), é definido recursivamente como
Hiperfactoriais
[editar | editar código-fonte]Ocasionalmente o hiperfactorial de n é considerado. É escrito como H(n) e definido por
Para n = 1, 2, 3, 4,... os valores de H(n) são 1, 4, 108, 27648,...
A função hiperfactorial é similar à factorial, mas produz números maiores. A taxa de crescimento desta função, contudo, não é muito maior que um factorial regular.
Superfactoriais
[editar | editar código-fonte]Neil Sloane e Simon Plouffe definiram o superfactorial em 1995 como o produto dos primeiros n fatoriais. Assim, o superfatorial de 4 é
No geral,
A sequência de superfatoriais começa (de n=0) como:
Esta ideia pode ser facilmente estendida para superduperfatorial como o produto dos primeiros n superfactoriais (iniciando com n=0), assim
e aí em diante, recursivamente para todos os fatoriais múltiplos, onde o m-factorial de n é o produto dos primeiros n (m-1)-factoriais, i.e.
onde para e .
Hiperfatoriais (definição alternativa)
[editar | editar código-fonte]Clifford Pickover, no seu livro Keys to Infinity, de 1995, define o superfactorial de n, escrito comodidade n$ (o $ deveria, na verdade, ser um sinal de fatorial ! com um S sobrepusto) como
onde a notação científica (4) denota o operador hyper4, ou usando a notação da seta de Knuth,
Esta sequência de superfatoriais começa quando se usa:
Fatoração prima de fatoriais
[editar | editar código-fonte]A potência de p que ocorre na fatoração prima de n! é
Esta fórmula permite que fatoriais grandes sejam fatorados eficientemente.
O Teorema de Wilson diz que (p-1)! + 1 é um múltiplo de p se, e somente se, p for um número primo.
Um exemplo clássico do cálculo de fatorial na linguagem de programação C/Java
int fatorial (int numero) {
return numero == 0 ? 1 : numero * fatorial(numero - 1);
}
Iterativo
[editar | editar código-fonte]int fatorial (int numero) {
int resultado = numero;
if (numero == 0) resultado++;
while (numero > 1) resultado *= --numero;
return resultado;
}
Ver também
[editar | editar código-fonte]Referências
- ↑ Graham, Ronald L.; Knuth, Donald E.; Patashnik, Oren (1988). Concrete Mathematics. Reading, MA: Addison-Wesley. p. 111. ISBN 0-201-14236-8