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李煌的阶乘计算小技巧,与斯特林公式有什么区别?

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李煌的阶乘计算小技巧,与斯特林公式有何不同?

阶乘,这个看似简单的数学概念,在计算上却能迅速膨胀成令人咋舌的数字。对于那些需要处理大数阶乘的场合,我们总会寻找更快捷、更高效的方法。在数学界,斯特林公式早已是计算大数阶乘的利器。然而,我最近接触到一种被称为“李煌的阶乘计算小技巧”,它在某些方面似乎能与斯特林公式分庭抗礼。今天,我们就来深入探讨一下这两种方法,看看它们各自的特点,以及它们之间的区别。

斯特林公式: asymptotics 的力量

首先,我们不得不提斯特林公式。它是一个强大的渐进公式,用来近似计算 $n!$ 当 $n$ 趋近于无穷大时的值。其最常见的形式是:

$$n! sim sqrt{2pi n} left(frac{n}{e} ight)^n$$

这个公式的妙处在于,它用一个相对简单的指数和根号形式,就能抓住 $n!$ 在 $n$ 很大时数量级的增长规律。

斯特林公式的优势:

理论基础深厚: 它是基于数学分析和微积分推导出来的,具有坚实的理论基础。
适用范围广: 对于足够大的 $n$,其近似精度非常高。
可以进一步精确: 斯特林公式还有更精确的版本,通过增加修正项,可以获得更接近真实值的计算结果。例如,更精确的版本可以写成:
$$n! sim sqrt{2pi n} left(frac{n}{e} ight)^n left(1 + frac{1}{12n} + frac{1}{288n^2} frac{139}{51840n^3} cdots ight)$$
易于理解其增长趋势: 公式中的 $left(frac{n}{e} ight)^n$ 部分清晰地展示了阶乘随 $n$ 指数级增长的特性。

斯特林公式的局限性:

并非精确值: 它是一个近似公式,尤其当 $n$ 相对较小时,误差会比较显著。
计算仍然复杂: 虽然比直接计算 $n!$ 要快得多,但涉及到开方、指数计算和 $pi$ 的值,对于一些简单的编程环境或者对精度要求极高的场景,可能仍显不足。

李煌的阶乘计算小技巧:直观与实用的结合

相较于斯特林公式的“高屋建瓴”,李煌的阶乘计算小技巧则显得更加“接地气”,更注重在实际操作中的便捷性和一定程度的精确性。据我了解,李煌的小技巧并非一个单一的、公认的公式,而是可能包含一系列在不同场景下适用的启发式方法或简化技巧,其核心思想往往围绕着对阶乘的构成进行分解和重组,并利用对数来处理大数。

一种常见的思路,是将阶乘分解为一系列乘积后,对其取对数。例如,计算 $n!$ 实际上是计算 $1 imes 2 imes 3 imes cdots imes n$。对其取自然对数:

$$ln(n!) = ln(1) + ln(2) + ln(3) + cdots + ln(n)$$

然后通过计算这个对数和,最后再通过指数运算 $exp(ln(n!))$ 来得到 $n!$ 的近似值。

李煌小技巧的可能特点:

侧重对数运算: 这是处理大数阶乘的常用策略。将乘法转换为加法(对数运算),可以极大地减小计算过程中数字的大小,避免溢出问题。
可能包含近似积分: $sum_{k=1}^n ln(k)$ 这个求和可以被看作是函数 $ln(x)$ 在区间 $[1, n]$ 上的积分的近似。高斯积分或者其他积分近似方法可能被融入其中,以提供更快的计算速度。
注重精度和效率的平衡: 李煌的技巧可能并非追求数学上的极致精确,而是如何在实际应用中,用相对简单的计算量获得一个足够实用的结果。这可能意味着它在某些对数求和的计算上使用了更快的近似方法,或者在指数运算上使用了特定的数值算法。
可能针对特定计算环境优化: 不同的计算平台(如手持计算器、编程语言的特定库)在处理大数、对数和指数函数时,可能存在性能差异。李煌的技巧可能就是针对这些环境做了特定的优化。
非公式化,更像一套方法论: 我认为“李煌的阶乘计算小技巧”更可能是一种解决问题的思路集合,而不是一个像斯特林公式那样有明确数学表达式的公式。它可能包含一些经验性的结论和操作步骤。

举个例子,一个可能的李煌式思路:

我们可以将 $n!$ 的对数近似为:

$$ln(n!) approx int_1^n ln(x) dx = [xln(x) x]_1^n = nln(n) n (1ln(1) 1) = nln(n) n + 1$$

那么 $n! approx e^{nln(n) n + 1} = e^{nln(n)} e^{n} e^1 = n^n e^{n} e = e left(frac{n}{e} ight)^n$。

这个结果是不是有点眼熟?它和斯特林公式的核心部分 $(frac{n}{e})^n$ 很接近,但少了前面的 $sqrt{2pi n}$ 因子。这说明通过简单的积分近似,我们已经能捕捉到阶乘的主要增长项。而李煌的技巧,很可能是在这个基础之上,进一步地加入更精细的修正项或者采用更优的数值积分方法。

李煌小技巧与斯特林公式的区别:

1. 来源与性质:
斯特林公式: 是一个严格的数学渐进公式,基于微积分和分析学推导得出,具有明确的数学表达式和误差分析。
李煌小技巧: 可能更多的是一套启发式方法或数值计算技巧的集合,其精确度和适用范围可能依赖于具体的实现方式,不一定有严谨的数学证明。

2. 精度与适用范围:
斯特林公式: 对于足够大的 $n$,其渐近误差随着 $n$ 的增大而迅速减小,能够提供非常高的近似精度。
李煌小技巧: 可能在精度上有所取舍,以换取计算上的便捷性。在某些情况下,其精度可能不如斯特林公式的更精确版本,尤其是在 $n$ 仍然相对较小的时候。但它可能在特定范围内的计算速度上有所优势。

3. 计算复杂度:
斯特林公式: 计算 $sqrt{2pi n} (frac{n}{e})^n$ 本身需要进行乘法、除法、开方和指数运算。如果需要高精度,会涉及更多项的加法。
李煌小技巧: 如果其核心是对数求和,那么计算 $sum_{k=1}^n ln(k)$ 的效率会比直接乘法高。若结合了优化的积分或数值方法,其计算过程可能更加 streamlined。关键在于如何高效地计算 $sum ln(k)$ 或其近似值。

4. 思想侧重点:
斯特林公式: 侧重于理解和表达大数阶乘的渐进行为,提供一个精确度高的理论模型。
李煌小技巧: 可能更侧重于高效计算,如何在实际应用中快速得到一个“足够好”的结果,可能更具工程性和实用主义色彩。

总结来说, 斯特林公式像是数学家对 $n!$ 这个庞然大物进行精密建模和分析的结果,它告诉我们这个事物增长的“本质”和“规律”。而李煌的阶乘计算小技巧,更像是工程师或实用主义者为了解决实际问题而找到的“捷径”或“妙方”,它可能不是最优雅的数学表达式,但却能在特定的情境下以更低的成本(计算量)获得可接受的结果。

在我看来,两者并非完全的替代关系,而是互补的。在需要精确数学描述或推导时,斯特林公式是首选。而在某些需要快速估计、或者对精度要求不是极致的计算场景中,李煌的技巧或许能提供更简洁高效的解决方案。了解并掌握这两者,能够让我们在面对阶乘这个古老而又充满挑战的数学问题时,有更多的工具和视角。

网友意见

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你这公式精度何止是垃圾,简直就是垃圾。

要是能有一个公式能让其与n!的差等于o(1)还差不多。。。(

我去随便在拉马努金的笔记里找一个都能吊打你这废物垃圾破烂公式。

咱就看上图的(4.1.1)

下面是数值检验







这不比你那废物公式强?呵呵。

你以为完了?Ramanujan还有更厉害的

直接上数值验证,楼上 @大模头 已经用垃圾公式算了128!。我们直接验证n=128时Ramanujan的精度

然而李煌的破烂垃圾废物公式只能精确3位,我却能精确至少11位(从计算软件上看)。所以你这垃圾破烂废物公式只能说是垃圾、废物、破烂。


以上均为对民科专属的恶意。以上均为对民科专属的恶意。以上均为对民科专属的恶意。

若你不称是什么李煌我还说的轻点。。。

学点数学,学点数学。

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其实可以看出这个所谓的 的近似计算公式的精度并不高,比这个精度更高的公式有很多. 比如 河南理工大学 陈超平 老师在 2016 年证明了下述非常强大的结论:

定理:当 时, 满足

由上述结论可知

特别地,我们有

用这个近似计算公式我们可以得到

可以看到用这个近似计算公式计算 可以精确到17 位数!事实上,我们有

由此可知 陈超平 老师得到的这个关于 的近似计算公式是目前精度最高的! 另外, 陈超平 老师还得到了 的一个新的渐进公式:

由此我们还可以得到关于 的精度更高的近似计算公式:

而用这个近似计算公式我们可以得到

这个精度已经很恐怖了!

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