Stirling-Zahl

Die Stirling-Zahlen erster und zweiter Art, benannt nach James Stirling, werden in der Kombinatorik und der theoretischen Informatik verwendet.

Bezeichnung und Notation

Mit Hinweis auf eine bereits 1730 veröffentlichte Arbeit Stirlings, in der diese Zahlen untersucht werden, führte Niels Nielsen 1906 im Handbuch der Theorie der Gammafunktion die Bezeichnung „Stirlingsche Zahlen erster und zweiter Art“ ein („nombres de Stirling“ bereits in einem 1904 veröffentlichten Artikel).

Weder die Bezeichnung als Stirlingzahlen noch einheitliche Notationen haben sich durchgesetzt. In diesem Artikel werden Stirlingzahlen der ersten Art mit kleinem $s$ bezeichnet oder übereinander in eckigen Klammern geschrieben, Stirlingzahlen der zweiten Art mit großem $S$ bezeichnet oder übereinander in geschweiften Klammern geschrieben:

$s_{n,k}=\left[\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k}\right],S_{n,k}=\left\{\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k}\right\}$.

Die Klammernotation, auch Karamata-Notation genannt, wurde 1935 von Jovan Karamata in Analogie zu den Binomialkoeffizienten $(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k})$ eingeführt, 1992 setzte sich Donald Knuth mit einem ausführlichen Exkurs über die Stirling-Zahlen für diese Schreibweise ein.

Stirling-Zahlen erster Art

Die Stirling-Zahl erster Art $s_{n,k}$ ist die Anzahl der Permutationen einer $n$-elementigen Menge, die genau $k$ Zyklen haben. Nach einer häufig verwendeten anderen Definition wird stattdessen $(-1{)}^{n-k}{s}_{n,k}$ als Stirling-Zahl erster Art bezeichnet.

Beispiel

Die Menge $\{a,b,c,d\}$ mit $n=4$ Elementen kann auf folgende Weisen auf $k=2$ Zyklen aufgeteilt werden:

$(abc)(d),(acb)(d),(abd)(c),(adb)(c),(acd)(b),(adc)(b),(bcd)(a),(bdc)(a),(ab)(cd),(ac)(bd),(ad)(bc)$

Also ist $s_{4,2}=11$. Für weitere Beispiele siehe Zykeltyp.

Eigenschaften

Es gelten die expliziten Formeln

$s_{n,k}=\sum _{0<i_1<i_2<\dots <i_{n-k}<n}{i}_1{i}_2\cdots i_{n-k}=(n-1)!\sum _{0<j_1<j_2<\dots <j_{k-1}<n}(j_1{j}_2\cdots j_{k-1}{)}^{-1}$

und die rekursive Formel

$s_{n+1,k}=s_{n,k-1}+n{s}_{n,k}$

mit den Anfangsbedingungen

$s_{n,n}=1$     und

$s_{n,k}=0$     für   $k=0<n$   oder   $n<k.$

Weitere spezielle Werte sind

• $s_{n,1}=(n-1)!$
• $s_{n,2}=(n-1)!H_{n-1},$ Vorlage:OEIS
• $s_{n,3}=\frac{1}{2}(n-1)!(H_{n-1}^2-H_{n-1,2}),$ Vorlage:OEIS
• $s_{n,n-3}=(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{4})(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{2})=\frac{1}{48}{n}^2(n-1{)}^2(n-2)(n-3),$ Vorlage:OEIS
• $s_{n,n-2}=\frac{1}{24}n(n-1)(n-2)(3n-1),$ Vorlage:OEIS
• $s_{n,n-1}=(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{2})=\frac{1}{2}n(n-1)$

für alle $n>0,$ wobei $H_{n-1}=1^{-1}+2^{-1}+...+(n-1{)}^{-1}$ die $(n-1)$-te harmonische Zahl und $H_{n-1,2}=1^{-2}+2^{-2}+...+(n-1{)}^{-2}$ eine verallgemeinerte harmonische Zahl ist.

Allgemein kann $s_{n,n-k}$ als Polynom in $n$ vom Grad $2k$ aufgefasst werden. Es hat den Leitkoeffizienten $1/(2^{k}k!)$ und enthält für alle $k>0$ die Faktoren n, n−1, …, n−k und für ungerade $k>1$ die Faktoren n² und (n−1)². Das Polynom

${\psi }_k(n)=s_{n+1,n-k}/((n+1)n\cdots (n-k))$

in $n$ vom Grad $k$ wird auch als Stirling-Polynom bezeichnet, siehe auch Abschnitt Stirling-Polynome.

Erzeugende Funktionen sind

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{s}_{n,k}\frac{t^n}{n!}=\frac{1}{k!}(-\log (1-t){)}^k$     und     $\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{s}_{n,k}\frac{t^n}{n!}{u}^k=(1-t{)}^{-u}$     und

$\sum _{k=0}^n{s}_{n,k}{x}^k=(x{)}^n$

mit der steigenden Faktoriellen $(x{)}^n=x(x+1)\cdots (x+n-1).$

Ist $p$ eine Primzahl, dann ist $s_{p,k}$ für $1<k<p$ durch $p$ teilbar und für gerade $k<p-1$ durch $p^2$ teilbar (Nielsen 1893). Der Satz von Wolstenholme ist der Spezialfall $k=2.$

Da $n!$ die Anzahl aller Permutationen einer $n$-elementigen Menge ist, folgt

$\sum _{k=0}^n{s}_{n,k}=n!$

und insbesondere $s_{n,k}\le n!$ direkt aus der Definition von $s_{n,k}.$

Für jedes $n>2$ existiert ein $m_n,$ so dass

$s_{n,0}<s_{n,1}<\dots <s_{n,m_n-1}<s_{n,m_n}>s_{n,m_n+1}>\dots >s_{n,n}$

und $m_{n+1}=m_n$ oder $m_{n+1}=m_n+1$ (Erdős 1953).

Für jedes $n$ ist die Folge $s_{n,0},s_{n,1},...,s_{n,n}$ streng logarithmisch konkav, das heißt, $s_{n,k}^2>s_{n,k-1}{s}_{n,k+1}$ für $0<k<n.$

Das asymptotische Verhalten von $s_{n,k}$ für $n\to \mathrm{\infty }$ bei festem $k$ ist

$s_{n,k}\sim \frac{(n-1)!}{(k-1)!}(\gamma +\log n{)}^{k-1}$

mit der Euler-Mascheroni-Konstante $\gamma .$ Die Asymptotik gilt auch für langsam wachsendes $k$, genauer für $k=o(\log n)$.

Stirling-Zahlen zweiter Art

Die Stirling-Zahl zweiter Art $S_{n,k}$ ist die Anzahl der $k$-elementigen Partitionen einer $n$-elementigen Menge, also die Anzahl der Möglichkeiten, eine $n$-elementige Menge in $k$ nichtleere disjunkte Teilmengen aufzuteilen.

$S_{n,k}$ ist auch die Anzahl der Möglichkeiten, $n$ unterscheidbare Bälle auf $k$ nicht unterscheidbare Fächer aufzuteilen, so dass mindestens ein Ball in jedem Fach liegt. Sind die Fächer unterscheidbar, so erhält man $k!S_{n,k}$ Möglichkeiten, dies ist auch die Anzahl surjektiver Abbildungen einer $n$-elementigen Menge auf eine $k$-elementige Menge.

Beispiel

Die Menge $\{a,b,c,d\}$ mit $n=4$ Elementen kann auf folgende Weisen in $k=2$ nichtleere disjunkte Teilmengen zerlegt werden:

$\{\{a,b\},\{c,d\}\},\{\{a,c\},\{b,d\}\},\{\{a,d\},\{b,c\}\},$

$\{\{a,b,c\},\{d\}\},\{\{a,b,d\},\{c\}\},\{\{a,c,d\},\{b\}\},\{\{b,c,d\},\{a\}\}.$

Also ist $S_{4,2}=7$.

Eigenschaften

Es gelten die expliziten Formeln

$S_{n,k}=\frac{1}{k!}\sum _{j=0}^k(-1{)}^{k-j}(\genfrac{}{}{0ex}{}{k}{j})j^n$     und

$S_{n,k}=\sum _{1\le i_1\le i_2\le ...\le i_{n-k}\le k}{i}_1{i}_2\cdots i_{n-k}=\sum _{c_1+c_2+\cdots +c_k=n-k}{1}^{c_1}{2}^{c_2}\cdots k^{c_k}$

mit ganzzahligen nichtnegativen $c_1,c_2,...,c_k$ und die rekursive Formel

$S_{n+1,k}=S_{n,k-1}+k{S}_{n,k}$

mit den Anfangsbedingungen

$S_{n,n}=1$     und

$S_{n,k}=0$     für   $k=0<n$   oder   $n<k.$

Weitere spezielle Werte sind

• $S_{n,1}=1$
• $S_{n,2}=2^{n-1}-1$
• $S_{n,3}=\frac{1}{2}(3^{n-1}-2^n+1),$ Vorlage:OEIS
• $S_{n,n-3}=(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{4})(\genfrac{}{}{0ex}{}{n-2}{2})=\frac{1}{48}n(n-1)(n-2{)}^2(n-3{)}^2,$ Vorlage:OEIS
• $S_{n,n-2}=\frac{1}{24}n(n-1)(n-2)(3n-5),$ Vorlage:OEIS
• $S_{n,n-1}=(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{2})=\frac{1}{2}n(n-1)$

für alle $n>0.$

Auch $S_{n,n-k}$ kann als Polynom in $n$ vom Grad $2k$ aufgefasst werden. Es hat den Leitkoeffizienten $1/(2^{k}k!)$ und enthält für alle $k>0$ die Faktoren n, n−1, …, n−k und für ungerade $k>1$ die Faktoren (n−k)² und (n−k+1)². Man erhält dasselbe Stirling-Polynom $k$-ten Grades wie bei den Stirling-Zahlen erster Art mittels

$(-1{)}^k{\psi }_k(-n)=S_{n+k,n-1}/((n+k)(n+k-1)\cdots (n-1)).$

Erzeugende Funktionen sind

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{S}_{n,k}\frac{t^n}{n!}=\frac{1}{k!}(e^t-1{)}^k$     und     $\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{S}_{n,k}\frac{t^n}{n!}{u}^k=e^{(e^t-1)u}$     und

$\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{S}_{n,k}{u}^n=\frac{u^k}{(1-u)(1-2u)\cdots (1-ku)}$     und

$\sum _{k=0}^n{S}_{n,k}(x{)}_k=x^n$

mit der fallenden Faktoriellen $(x{)}_n=x(x-1)\cdots (x-n+1).$

Ist $p$ eine Primzahl, dann ist $S_{p,k}$ für $1<k<p$ durch $p$ teilbar.

Da die Bellsche Zahl $B_n$ die Anzahl aller Partitionen einer $n$-elementigen Menge ist, gilt

$\sum _{k=0}^n{S}_{n,k}=B_n.$

Die Bernoulli-Zahl β_n erhält man als die alternierende Summe

$\sum _{k=0}^n(-1{)}^k\frac{k!}{k+1}{S}_{n,k}={\beta }_n.$

Mit Hilfe der Rekursionsformel kann man zeigen, dass für jedes $n>2$ ein $m_n$ existiert, so dass

$S_{n,0}<S_{n,1}<\dots <S_{n,m_n-1}\le S_{n,m_n}>S_{n,m_n+1}>\dots >S_{n,n}$

und $m_{n+1}=m_n$ oder $m_{n+1}=m_n+1$ gilt. Es ist eine offene Frage, ob ein $n>2$ existiert, für das der Fall $S_{n,m_n-1}=S_{n,m_n}$ eintritt.

Für jedes $n$ ist die Folge $S_{n,0},S_{n,1},...,S_{n,n}$ streng logarithmisch konkav, das heißt, $S_{n,k}^2>S_{n,k-1}{S}_{n,k+1}$ für $0<k<n.$

Beziehung zwischen den Stirling-Zahlen erster und zweiter Art

Aus den Beziehungen

$x^n=\sum _{k=0}^n{S}_{n,k}(x{)}_k$     und     $(x{)}_n=\sum _{k=0}^n(-1{)}^{n-k}{s}_{n,k}{x}^k,$

die auch häufig zur Definition der Stirling-Zahlen zweiter und erster Art verwendet werden, folgt, dass diese die Koeffizienten von zueinander inversen linearen Transformationen sind, der Stirling-Transformation und der inversen Stirling-Transformation. Das heißt, dass die unteren Dreiecksmatrizen $(S_{n,k}{)}_{n,k}$ und $((-1{)}^{n-k}{s}_{n,k}{)}_{n,k}$ zueinander inverse Matrizen sind:

$\sum _{i=0}^{\mathrm{\infty }}{S}_{n,i}(-1{)}^{i-k}{s}_{i,k}={\delta }_{n,k}=\sum _{i=0}^{\mathrm{\infty }}(-1{)}^{n-i}{s}_{n,i}{S}_{i,k}$

mit dem Kronecker-Delta ${\delta }_{n,k}=1$ für $n=k$ und ${\delta }_{n,k}=0$ für $n\ne k.$

Die Stirlingzahlen erster und zweiter Art lassen sich jeweils durch die anderen darstellen (Schlömilch 1852):

$(-1{)}^{n-k}{s}_{n,k}=\sum _{j=0}^{n-k}(-1{)}^j(\genfrac{}{}{0ex}{}{n+j-1}{k-1})(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n-k}{n-k-j})S_{n-k+j,j}$     und

$S_{n,k}=\sum _{j=0}^{n-k}(-1{)}^j(\genfrac{}{}{0ex}{}{n+j-1}{k-1})(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n-k}{n-k-j})(-1{)}^{n-k}{s}_{n-k+j,j}.$

Die Stirlingzahlen können eindeutig so auf negative ganze Indizes $n$ und $k$ fortgesetzt werden, dass die Rekursionsformeln

$s_{n+1,k}=s_{n,k-1}+n{s}_{n,k}$     und     $S_{n+1,k}=S_{n,k-1}+k{S}_{n,k}$

allgemein gelten und $S_{n,k}=0=s_{n,k}$ für $n<k=0.$ Man erhält die für alle ganzen Zahlen $n$ und $k$ gültige Dualität

$S_{-n,-k}=s_{k,n},$

die auch die beiden Rekursionsformeln ineinander überführt, außerdem $S_{n,k}=0=s_{n,k}$ für $nk<0.$ Setzt man in die als Polynome in $n$ aufgefassten $S_{n,n-k}$ und $s_{n,n-k}$ für $n$ negative ganze Zahlen ein, so erhält man dieselbe Fortsetzung auf negative ganze Indizes und für die Polynome die Dualität

$S_{n,n-k}=s_{(k-n),(k-n)-k}.$

Analogie zu den Binomialkoeffizienten

Für die Binomialkoeffizienten gilt

$(\genfrac{}{}{0ex}{}{n+1}{k})=(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k-1})+(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k}).$

Die Karamata-Notation betont die Analogie:

$\left[\genfrac{}{}{0ex}{}{n+1}{k}\right]=\left[\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k-1}\right]+n\left[\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k}\right]$

$\left\{\genfrac{}{}{0ex}{}{n+1}{k}\right\}=\left\{\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k-1}\right\}+k\left\{\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k}\right\}$

Entsprechend lassen sich die Stirling-Zahlen in einem Dreiecksschema ähnlich dem Pascalschen Dreieck anordnen und zeilenweise berechnen.

Dreieck für Stirling-Zahlen erster Art (erste Zeile $n=1,$ erste Spalte $k=1;$ Vorlage:OEIS):

                             1
                          1     1
                       2     3     1
                    6    11     6     1
                24    50    35    10     1
             120   274   225   85    15     1
          720  1764  1624   735   175   21     1
      5040  13068 13132 6769  1960   322   28     1
  40320 109584 118124 67284 22449 4536  546   36     1
...   ...    ...   ...   ...   ...   ...   ...   ...    1

Dreieck für Stirling-Zahlen zweiter Art (erste Zeile $n=1,$ erste Spalte $k=1;$ Vorlage:OEIS):

                             1
                          1     1
                       1     3     1
                    1     7     6     1
                 1    15    25    10     1
              1    31    90    65    15     1
           1    63    301   350   140   21     1
        1    127   966  1701  1050   266   28     1
     1    255  3025  7770  6951  2646  462    36     1
  1    ...   ...   ...   ...   ...   ...   ...   ...    1

Als eine weitere Analogie gibt es $k!(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{k})$ injektive und $n!\left\{\genfrac{}{}{0ex}{}{k}{n}\right\}$ surjektive Funktionen mit $k$-elementiger Definitions- und $n$-elementiger Zielmenge.

Stirling-Polynome

Die im Abschnitt Stirling-Zahlen erster Art eingeführten Stirling-Polynome werden auch durch die erzeugenden Funktionen

$(\frac{t}{1-e^{-t}}{)}^{x+1}=1+(x+1)\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}{\psi }_k(x)t^{k+1}$     und

$(\frac{-\log (1-t)}{t}{)}^x=1+x\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}{\psi }_k(x+k)t^{k+1}$

beschrieben, die man durch Verallgemeinerung erzeugender Funktionen von $S_{n,k}$ und $s_{n,k}$ erhält. Nach einer anderen Definition werden die Polynome $S_0(x)=1$ und $S_k(x)=k!(x+1){\psi }_{k-1}(x)$ als Stirling-Polynome bezeichnet. Die Polynome ψ₀(x), ψ₁(x), …, ψ₆(x) sind

$\frac{1}{2},$     $\frac{1}{24}(3x+2),$     $\frac{1}{48}(x+1)x,$     $\frac{1}{5760}(15x^3+15x^2-10x-8),$     $\frac{1}{11520}(x+1)x(3x^2-x-6),$

$\frac{1}{2903040}(63x^5-315x^3-224x^2+140x+96),$     $\frac{1}{5806080}(x+1)x(9x^4-18x^3-57x^2+34x+80),$

und spezielle Werte für $k>0$ sind

${\psi }_k(-1)=-{\beta }_{k+1}/((k+1)!(k+1))$     und     ${\psi }_k(0)={\beta }_{k+1}/(k+1)!$

mit der Bernoulli-Zahl β_k+1. Berechnet werden können die Polynome mit den Formeln

${\psi }_k(x)=\sum _{j=0}^k\frac{C_{k+1,j}}{(2k+2-j)!}(x-k-1{)}_{k-j}$     und

$(-1{)}^k{\psi }_k(-x)=\sum _{j=0}^k\frac{{\bar{C}}_{k+1,j}}{(2k+2-j)!}(x-2{)}_{k-j}$

mit den durch $C_{1,0}=1,$ $C_{k,j}=0$ für j ∉ {0, 1, …, k−1} und

$C_{k+1,j}=(2k+1-j)(C_{k,j-1}+C_{k,j}),$ siehe Vorlage:OEIS,

und den durch C̅_1,0 = 1, C̅_k,j = 0 für j ∉ {0, 1, …, k−1} und

${\bar{C}}_{k+1,j}=(k+1-j){\bar{C}}_{k,j-1}+(2k+1-j){\bar{C}}_{k,j}$

rekursiv definierten ganzzahligen Koeffizienten. Für $k>0$ erhält man

$s_{n,n-k}=\sum _{j=0}^{k-1}{C}_{k,j}(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{2k-j})$     und     $S_{n,n-k}=\sum _{j=0}^{k-1}{\bar{C}}_{k,j}(\genfrac{}{}{0ex}{}{n}{2k-j}).$

Diese Berechnung von $s_{n,n-k}$ und $S_{n,n-k}$ ist besonders für große $n$ und kleine $k$ effizient.

Programmierbeispiel

Die Stirling-Zahlen lassen sich sehr einfach in einer rekursiven Methode implementieren. Beispielsweise können in Java die Stirling-Zahlen zweiter Art folgendermaßen implementiert werden.

Verlauf des Programmes:

• Wenn n = k = 0 ist, wird 1 zurückgegeben.
• Wenn n = 0 und k > 0 ist oder n > 0 und k = 0, wird 0 zurückgegeben.
• Wenn n und k beide größer als 0 sind, wird dieselbe Funktion zwei Mal in veränderter Form rekursiv aufgerufen und zurückgegeben.
• Wenn alle anderen Abfragen scheitern, heißt dass, das mindestens einer der beiden Werte negativ sein muss, und das Programm erzeugt einen Fehler.

static int stirling(int n, int k) {
	if (n == 0 && k == 0) {
		return 1;
	} else if ((n == 0 && k > 0) || (n > 0 && k == 0)) {
		return 0;
	} else if (n > 0 && k > 0){
		return stirling(n - 1, k - 1) + k * stirling(n - 1, k);
	}
	throw new IllegalArgumentException("Weder n noch k darf negativ sein.");
}

Literatur

• Niels Nielsen: Fakultäten und Fakultätenkoeffizienten, Kapitel 5 in Handbuch der Theorie der Gammafunktion, B. G. Teubner, Leipzig 1906, S. 66–78 (Umrechnung $C_n^p=s_{n,n-p}$ und ${ℭ}_n^p=S_{n-1+p,n-1}$; im Internet-Archiv, dito, dito; Jahrbuch-Bericht)
• Leonard Eugene Dickson: History of the theory of numbers. Volume I: Divisibility and primality, Carnegie Institution, Washington 1919, besonders S. 95–103 (englisch; Umrechnung $S_{n,m}=s_{m+1,m+1-n}$ und ${\sigma }_{n,m}=S_{m+n,m}$; im Internet-Archiv; Jahrbuch-Bericht)
• Károly Jordan (Charles Jordan): Stirling’s numbers, Kapitel 4 in Calculus of finite differences, Chelsea, Budapest 1939, 2. Auflage New York 1947 1960, 3. Auflage 1965 1979, ISBN 0-8284-0033-4, S. 142–229 (englisch; Umrechnung $S_n^m=(-1{)}^{n-m}{s}_{n,m}$ und ${𝔖}_n^m=S_{n,m}$)
• Milton Abramowitz, Irene A. Stegun (Hrsg.): Handbook of mathematical functions with formulas, graphs, and mathematical tables (10. Auflage), US Department of Commerce/National Bureau of Standards, 1972, S. 822, 824–825, 833–835 (englisch; bei ConvertIt.com; bei der SFU Burnaby; Zentralblatt-Rezension)
• Louis Comtet: Advanced combinatorics: the art of finite and infinite expansions, D. Reidel, Dordrecht 1974, ISBN 90-277-0441-4, S. 204–229 (englisch)
• Martin Aigner: Combinatorial Theory. Springer, Berlin 1997, ISBN 3-540-61787-6 (englisch; Neuauflage der Ausgabe von 1979; Zentralblatt-Rezension)
• Ronald L. Graham, Donald E. Knuth, Oren Patashnik: Concrete mathematics: a foundation for computer science, Addison-Wesley, Reading 1988, 2. Auflage 1994, ISBN 0-201-55802-5, S. 257–266 (englisch; Knuths Webseite zum Buch mit Errata: Concrete Mathematics, Second Edition; Zentralblatt-Rezension)

Weblinks

• Eric W. Weisstein: Stirling Number of the First Kind, Stirling Number of the Second Kind, Stirling Transform und Stirling Polynomial. In: MathWorld. (englisch)
• Stirling number of the first kind und Stirling number of the second kind bei The Wolfram Functions Site (englisch; mit Berechnungsmöglichkeit)
• Set Partitions: Stirling Numbers in der NIST Digital Library of Mathematical Functions (englisch)