Bernoulli-Dreieck

Ableitung des Bernoulli-Dreiecks (blauer fetter Text) vom Pascal-Dreieck (rosa kursiv)

Das Bernoulli-Dreieck ist eine Form der grafischen Darstellung von Partialsummen der Binomialkoeffizienten $(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k})$. Der Name geht auf den Mathematiker Jakob I Bernoulli zurück.

Beschreibung

Für jede nicht negative ganze Zahl $n$ und für jede ganze Zahl $k$ zwischen $0$ und $n$ ist die $n$-te Zeile und $k$-te Spalte des Bernoulli-Dreiecks gegeben durch die Summe der ersten $k$ Binomialkoeffizienten $n$-ter Ordnung:

$\sum _{p=0}^k(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{p})$

Die ersten Zeilen des Bernoulli-Dreiecks lauten:

$\begin{array}{cccccccccccc}& k& 0& 1& 2& 3& 4& 5& 6& 7& 8& 9\\ n& & \\ 0& & 1\\ 1& & 1& 2\\ 2& & 1& 3& 4\\ 3& & 1& 4& 7& 8\\ 4& & 1& 5& 11& 15& 16\\ 5& & 1& 6& 16& 26& 31& 32\\ 6& & 1& 7& 22& 42& 57& 63& 64\\ 7& & 1& 8& 29& 64& 99& 120& 127& 128\\ 8& & 1& 9& 37& 93& 163& 219& 247& 255& 256\\ 9& & 1& 10& 46& 130& 256& 382& 466& 502& 511& 512\end{array}$

Ähnlich wie beim Pascalschen Dreieck ist jede Stelle im Bernoulli-Dreieck die Summe von zwei Stellen der vorherigen Zeile, mit Ausnahme der letzten Zahl jeder Zeile, die das Doppelte der letzten Zahl der vorherigen Zeile ist. Sei zum Beispiel $B_{n,k}$ das Element in der $n$-ten Zeile und $k$-ten Spalte. Dann gilt:

$\begin{array}{cccc}{B}_{n,0}=& 1& \text{ für }& k=0\\ B_{n,k}=& B_{n-1,k}+B_{n-1,k-1}& \text{ für }& 0<k<n\\ B_{n,n}=& 2\cdot B_{n-1,k-1}=2^n& \text{ für }& k=n\end{array}$

Eigenschaften

Folgen aus der On-Line Encyclopedia of Integer Sequences im Bernoulli-Dreieck

Die Spalten des Bernoulli-Dreiecks ergeben spezielle Zahlenfolgen (wobei, falls es noch keine Zahl in dieser Spalte gibt, die ganz rechten Werte aus den oberen Zeilen genommen werden):

• Die erste Spalte ganz links $(k=0)$ ergibt die triviale Einerfolge, es ist $B_{n,0}=1$:

1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, … (Vorlage:OEIS)

• Die zweite Spalte von links $(k=1)$ ergibt die Folge der natürlichen Zahlen, es ist $B_{n,1}=n+1$:

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, … (Vorlage:OEIS)

• Die dritte Spalte von links $(k=2)$ ergibt die Folge der Dreieckszahlen plus Eins, es ist $B_{n,2}=\frac{n^2+n}{2}+1=\frac{n^2+n+2}{2}$. Dies ist auch die Folge der zentralpolygonalen Zahlen (auch Zahlenfolge des faulen Kellners genannt (vom englischen Lazy caterer's sequence)):

1, 2, 4, 7, 11, 16, 22, 29, 37, 46, 56, 67, 79, 92, 106, 121, 137, 154, 172, 191, 211, …(Vorlage:OEIS)

• Die vierte Spalte von links $(k=3)$ ergibt die Folge der Kuchenzahlen (vom englischen cake number), es ist $B_{n,3}=\frac{1}{6}\cdot (n+1)\cdot (n\cdot (n-1)+6)$:

1, 2, 4, 8, 15, 26, 42, 64, 93, 130, 176, 232, 299, 378, 470, 576, 697, 834, 988, … (Vorlage:OEIS)

• Die fünfte Spalte von links $(k=4)$ ergibt die Zahlenfolge, die die maximale Anzahl von Regionen angibt, die durch Verbinden von $n+1$ Punkten um einen Kreis durch gerade Linien erhalten werden können, es ist also $B_{n,4}=1+(\genfrac{}{}{0ex}{}{n+1}{2})+(\genfrac{}{}{0ex}{}{n+1}{4})$. Alternativ gibt die fünfte Spalte auch die maximale Anzahl von Regionen im vierdimensionalen Raum an, die man durch $n-1$ dreidimensionale Hyperebenen bilden kann (beginnend mit $n=1$):

1, 2, 4, 8, 16, 31, 57, 99, 163, 256, 386, 562, 794, 1093, 1471, 1941, 2517, 3214, … (Vorlage:OEIS)

• Im Allgemeinen gibt die $(k+1)$-te Spalte die maximale Anzahl von Regionen im $k$-dimensionalen Raum an, die durch $n-1$ $(k-1)$-dimensionale Hyperebenen gebildet werden (beginnend mit $n=1$).

Zum Beispiel bedeutet das für die $(k+1)=6$-te Spalte die maximale Anzahl von Regionen im $k=5$-dimensionalen Raum, die durch $n-1$ $(k-1)=4$-dimensionale Hyperebenen gebildet werden (beginnend mit $n=1$).

1, 2, 4, 8, 16, 32, 63, 120, 219, 382, 638, 1024, 1586, 2380, 3473, 4944, 6885, 9402, … (Vorlage:OEIS)

Beispiel:

An der achten Stelle (also bei $n=8$) dieser sechsten Spalte des Bernoulli-Dreiecks (es ist also $(k+1)=6$ und somit $k=5$) steht die Zahl 120. Man kann somit im fünfdimensionalen Raum $n-1=7$ vierdimensionale Hyperebenen so legen, dass der fünfdimensionale Raum in 120 Teilräume (Regionen) zerfällt.

• Die $(k+1)$-te Spalte gibt auch die Anzahl der Kompositionen von $n$ in $k+1$ oder weniger Teile an (also die Anzahl der Möglichkeiten, die Zahl $n$ in die Summe von $k+1$ oder weniger natürliche Zahlen zu zerlegen), wobei die Reihenfolge eine Rolle spielt.

Beispiel 1:

Man betrachte zum Beispiel die $(k+1)=2$-te Spalte des Bernoulli-Dreiecks:

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, … (Vorlage:OEIS)

An der fünften Stelle (also bei $n=5$) dieser zweiten Spalte des Bernoulli-Dreiecks (es ist also $k+1=2$) steht die Zahl 5. Es gibt also 5 Möglichkeiten, die Zahl $n=5$ in $k+1=2$ oder weniger Teile zu zerlegen. Diese Möglichkeiten lauten:

5 = 5 = 1+4 = 4+1 = 2+3 = 3+2

Beispiel 2:

Man betrachte zum Beispiel die $(k+1)=3$-te Spalte des Bernoulli-Dreiecks:

1, 2, 4, 7, 11, 16, 22, 29, 37, 46, 56, 67, 79, 92, 106, 121, 137, 154, 172, 191, 211, …(Vorlage:OEIS)

An der fünften Stelle (also bei $n=5$) dieser dritten Spalte des Bernoulli-Dreiecks (es ist also $k+1=3$) steht die Zahl 11. Es gibt also 11 Möglichkeiten, die Zahl $n=5$ in $k+1=3$ oder weniger Teile zu zerlegen. Diese Möglichkeiten lauten:

5 = 5 = 1+4 = 4+1 = 2+3 = 3+2 = 1+1+3 = 1+3+1 = 3+1+1 = 1+2+2 = 2+1+2 = 2+2+1

Beispiel 3:

Man betrachte zum Beispiel die $(k+1)=9$-te Spalte des Bernoulli-Dreiecks:

1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 511, 1013, 1981, 3797, 7099, 12911, 22819, 39203, 65536, … (Vorlage:OEIS)

An der zehnten Stelle (also bei $n=10$) dieser neunten Spalte des Bernoulli-Dreiecks (es ist also $k+1=9$) steht die Zahl 511. Es gibt also 511 Möglichkeiten, die Zahl $n=10$ in $k+1=9$ oder weniger Teile zu zerlegen. Die einzige Möglichkeit, die nicht gezählt wird, ist $1+1+1+\dots +1=10$, weil hier die Zahl $n=10$ in 10 Summanden aufgeteilt wird, aber nur maximal 9 erlaubt sind.

• Wie im Pascalschen Dreieck führen Summen von Komponenten entlang diagonaler Pfade in Bernoullis Dreieck zur Fibonacci-Folge. Diese lauten:

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, … (Vorlage:OEIS)

Man erhält diese Fibonacci-Folge ab ihrem 3. Wert im Bernoulli-Dreieck auf die folgende Art und Weise:

$n\downarrow k\to$ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 - - - - - - - - - 1 1 2 - - - - - - - - 2 1 3 4 - - - - - - - 3 1 4 7 8 - - - - - - 4 1 5 11 15 16 - - - - - 5 1 6 16 26 31 32 - - - - 6 1 7 22 42 57 63 64 - - - 7 1 8 29 64 99 120 127 128 - - 8 1 9 37 93 163 219 247 255 256 - 9 1 10 46 130 256 382 466 502 511 512

so erhält man die Fibonacci-Zahlen $1=1$ $2=2$ $3=4-1$ $5=8-3$ $8=16-7-1$ $13=32-15-4$ $21=64-31-11-1$ $34=128-63-26-5$ $55=256-127-57-16-1$ $89=512-255-120-42-6$

Siehe auch

• Zentralpolygonale Zahlen

Weblinks

• Vorlage:MathWorld
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Einzelnachweise