Công thức Faà di Bruno

Bản mẫu:Short description Bản mẫu:Giải tích Trong toán học, công thức Faà di Bruno là một đẳng thức tổng quát quy tắc dây chuyền cho đạo hàm cấp cao, đặt tên theo Bản mẫu:Harvs, mặc dù ông không phải người đầu tiên phát biểu hay chứng minh nó. Năm 1800, hơn 50 trước Faà di Bruno, nhà toán học Pháp Louis François Antoine Arbogast đưa ra công thức này trong một quyển sách giải tích, được coi là tác phẩm đầu tiên nhắc đến công thức này.

Dạng phổ biến nhất của công thức Faà di Bruno nói rằng:

$\frac{d^n}{d{x}^n}f(g(x))=\sum \frac{n!}{m_1!1{!}^{m_1}{m}_2!2{!}^{m_2}\cdots m_n!n{!}^{m_n}}\cdot f^{(m_1+\cdots +m_n)}(g(x))\cdot \prod _{j=1}^n{(g^{(j)}(x))}^{m_j},$

trong đó tổng này lấy trên tất cả bộ n số nguyên không âm Bản mẫu:Math thỏa mãn điều kiện

$1\cdot m_1+2\cdot m_2+3\cdot m_3+\cdots +n\cdot m_n=n.$

Một biểu diễn khác cho tổng này với cùng các bộ hệ số như trên là:

$\frac{d^n}{d{x}^n}f(g(x))=\sum \frac{n!}{m_1!m_2!\cdots m_n!}\cdot f^{(m_1+\cdots +m_n)}(g(x))\cdot \prod _{j=1}^n{\left(\frac{g^{(j)}(x)}{j!}\right)}^{m_j}.$

Kết hợp những số hạng với cùng giá trị Bản mẫu:Math và để ý rằng Bản mẫu:Math phải bằng không với Bản mẫu:Math cho ta một công thức khác đơn giản hơn sử dụng đa thức Bell Bản mẫu:Math:

$\frac{d^n}{d{x}^n}f(g(x))=\sum _{k=1}^n{f}^{(k)}(g(x))\cdot B_{n,k}(g^{\prime }(x),g^{″}(x),\dots ,g^{(n-k+1)}(x)).$

Dạng tổ hợp

Công thức này có một dạng "tổ hợp":

$\frac{d^n}{d{x}^n}f(g(x))=(f\circ g{)}^{(n)}(x)=\sum _{\pi \in \mathrm{\Pi }}{f}^{(\left|\pi \right|)}(g(x))\cdot \prod _{B\in \pi }{g}^{(\left|B\right|)}(x)$

trong đó

• Bản mẫu:Pi chạy qua tập Bản mẫu:Math tất cả các phân hoạch của tập hợp Bản mẫu:Math},
• Bản mẫu:Math tức là ẩn Bản mẫu:Mvar chạy qua các tập con trong phân hoạch Bản mẫu:Pi, và
• Bản mẫu:Math chỉ lực lượng của tập Bản mẫu:Mvar (do đó |Bản mẫu:Pi| là số tập trong phân hoạch Bản mẫu:Pi và Bản mẫu:Math là kích thước của tập Bản mẫu:Mvar).

Ví dụ

Sau đây là một ví dụ cụ thể cho dạng tổ hợp trong trường hợp Bản mẫu:Math.

$\begin{array}{cc}(f\circ g{)}^{⁗}(x)=& f^{⁗}(g(x))g^{\prime }(x{)}^4+6f^{‴}(g(x))g^{″}(x)g^{\prime }(x{)}^2\\ & +3f^{″}(g(x))g^{″}(x{)}^2+4f^{″}(g(x))g^{‴}(x)g^{\prime }(x)\\ & +f^{\prime }(g(x))g^{⁗}(x).\end{array}$

Quy luật ở đây là

$\begin{array}{ccccccccccccc}{g}^{\prime }(x{)}^4& & \leftrightarrow & & 1+1+1+1& & \leftrightarrow & & f^{⁗}(g(x))& & \leftrightarrow & & 1\\ g^{″}(x)g^{\prime }(x{)}^2& & \leftrightarrow & & 2+1+1& & \leftrightarrow & & f^{‴}(g(x))& & \leftrightarrow & & 6\\ g^{″}(x{)}^2& & \leftrightarrow & & 2+2& & \leftrightarrow & & f^{″}(g(x))& & \leftrightarrow & & 3\\ g^{‴}(x)g^{\prime }(x)& & \leftrightarrow & & 3+1& & \leftrightarrow & & f^{″}(g(x))& & \leftrightarrow & & 4\\ g^{⁗}(x)& & \leftrightarrow & & 4& & \leftrightarrow & & f^{\prime }(g(x))& & \leftrightarrow & & 1\end{array}$

Nhân tử $g^{″}(x)g^{\prime }(x{)}^2$ tương ứng với phân hoạch 2 + 1 + 1 của số 4 (4 là cấp của đạo hàm đang xét). Nhân tử $f^{‴}(g(x))$ đi cùng với nó tương ứng với việc có ba số hạng trong phân hoạch đó, do đó ta lấy đạo hàm bậc ba. Hệ số 6 là do có sáu cách phân hoạch một tập có bốn phần tử thành một phần có 2 phần tử và hai phần có 1 phần tử; con số này là $C_4^2.$

Tương tự, nhân tử $g^{″}(x{)}^2$ ở dòng thứ ba tương ứng với phân hoạch 2 + 2 của số 4, còn $f^{″}(g(x))$ tương ứng với việc có hai số hạng (2 + 2) trong phân hoạch đó. Hệ số 3 xuất phát từ việc có $\frac{1}{2}{C}_4^2=3$ cách phân hoạch 4 vật thành hai nhóm chứa 2 vật mỗi nhóm. Tương tự với những hạng tử còn lại.

Một cách để nhớ như sau:

$\begin{array}{ccc}& \frac{D^1(f\circ g)}{1!}& =(f^{(1)}\circ g)\frac{\frac{g^{(1)}}{1!}}{1!}\\ & \frac{D^2(f\circ g)}{2!}& =(f^{(1)}\circ g)\frac{\frac{g^{(2)}}{2!}}{1!}& +(f^{(2)}\circ g)\frac{\frac{g^{(1)}}{1!}\frac{g^{(1)}}{1!}}{2!}\\ & \frac{D^3(f\circ g)}{3!}& =(f^{(1)}\circ g)\frac{\frac{g^{(3)}}{3!}}{1!}& +(f^{(2)}\circ g)\frac{\frac{g^{(1)}}{1!}}{1!}\frac{\frac{g^{(2)}}{2!}}{1!}& +(f^{(3)}\circ g)\frac{\frac{g^{(1)}}{1!}\frac{g^{(1)}}{1!}\frac{g^{(1)}}{1!}}{3!}\\ & \frac{D^4(f\circ g)}{4!}& =(f^{(1)}\circ g)\frac{\frac{g^{(4)}}{4!}}{1!}& +(f^{(2)}\circ g)(\frac{\frac{g^{(1)}}{1!}}{1!}\frac{\frac{g^{(3)}}{3!}}{1!}+\frac{\frac{g^{(2)}}{2!}\frac{g^{(2)}}{2!}}{2!})& +(f^{(3)}\circ g)\frac{\frac{g^{(1)}}{1!}\frac{g^{(1)}}{1!}}{2!}\frac{\frac{g^{(2)}}{2!}}{1!}& +(f^{(4)}\circ g)\frac{\frac{g^{(1)}}{1!}\frac{g^{(1)}}{1!}\frac{g^{(1)}}{1!}\frac{g^{(1)}}{1!}}{4!}\end{array}$

Hệ số Faà di Bruno

Những hệ số Faà di Bruno đếm số phân hoạch này có một công thức cụ thể hơn. Số phân hoạch của một tập hợp với kích thước Bản mẫu:Mvar tương ứng với phân hoạch số nguyên

$n=\underset{m_1}{\underbrace{1+\cdots +1}}+\underset{m_2}{\underbrace{2+\cdots +2}}+\underset{m_3}{\underbrace{3+\cdots +3}}+\cdots$

của số nguyên dương Bản mẫu:Mvar bằng

$\frac{n!}{m_1!m_2!m_3!\cdots 1{!}^{m_1}2{!}^{m_2}3{!}^{m_3}\cdots }.$

Những hệ số này cũng xuất hiện trong đa thức Bell, liên quan đến khái niệm nửa bất biến.

Dạng khác

Dạng nhiều biến

Cho hàm Bản mẫu:Math. Khi ấy đẳng thức sau đây là đúng dù là Bản mẫu:Mvar biến này phân biệt, giống nhau, hay chia thành các nhóm biến giống nhau (xem ví dụ cụ thể bên dưới):

$\frac{{\partial }^n}{\partial x_1\cdots \partial x_n}f(y)=\sum _{\pi \in \mathrm{\Pi }}{f}^{(\left|\pi \right|)}(y)\cdot \prod _{B\in \pi }\frac{{\partial }^{\left|B\right|}y}{\prod _{j\in B}\partial x_j}$

trong đó (giống như trên)

• Bản mẫu:Pi chạy qua tập Bản mẫu:Math tất cả các phân hoạch của tập hợp Bản mẫu:Math},
• Bản mẫu:Math tức là ẩn Bản mẫu:Mvar chạy qua các tập con trong phân hoạch Bản mẫu:Pi, và
• Bản mẫu:Math chỉ lực lượng của tập Bản mẫu:Mvar (do đó |Bản mẫu:Pi| là số tập trong phân hoạch Bản mẫu:Pi và Bản mẫu:Math là kích thước của tập Bản mẫu:Mvar).

Những dạng tổng quát hơn đúng cho trường hợp khi các hàm có giá trị vectơ, thậm chí là giá trị trong không gian Banach. Khi ấy ta cần xét đạo hàm Fréchet hoặc đạo hàm Gateaux.

Ví dụ

Năm hạng tử trong biểu thức sau tương ứng với năm cách phân hoạch tập Bản mẫu:Math, và với mỗi phân hoạch, cấp của đạo hàm của Bản mẫu:Mvar là số phần trong phân hoạch đó:

$\begin{array}{cc}\frac{{\partial }^3}{\partial x_1\partial x_2\partial x_3}f(y)=& f^{\prime }(y)\frac{{\partial }^{3}y}{\partial x_1\partial x_2\partial x_3}\\ & +f^{″}(y)(\frac{\partial y}{\partial x_1}\cdot \frac{{\partial }^{2}y}{\partial x_2\partial x_3}+\frac{\partial y}{\partial x_2}\cdot \frac{{\partial }^{2}y}{\partial x_1\partial x_3}+\frac{\partial y}{\partial x_3}\cdot \frac{{\partial }^{2}y}{\partial x_1\partial x_2})\\ & +f^{‴}(y)\frac{\partial y}{\partial x_1}\cdot \frac{\partial y}{\partial x_2}\cdot \frac{\partial y}{\partial x_3}.\end{array}$

Nếu ba biến này giống hệt nhau, thì ba trong năm hạng tử ở trên cũng giống nhau, cho ta công thức thông thường cho một biến.

Tham khảo

Khảo sát lịch sử

• Bản mẫu:Citation. "The mathematical work" is an essay on the mathematical activity, describing both the research and teaching activity of Francesco Faà di Bruno.
• Bản mẫu:Citation.
• Bản mẫu:Citation.

Nghiên cứu

• Bản mẫu:Citation. Có sẵn miễn phí tại Google Books.
• Bản mẫu:Citation. Có sẵn miễn phí tại Google Books. Một bài viết nổi tiếng trong đó Francesco Faà di Bruno đưa ra hai công thức nay đặt theo tên ông.
• Bản mẫu:Citation. Có sẵn miễn phí tại Google Books.
• Bản mẫu:Citation. Có sẵn miễn phí tại Google Books.
• Bản mẫu:Chú thích tạp chí
• Bản mẫu:Citation.
• Bản mẫu:Citation
• Bản mẫu:Citation.
• Bản mẫu:Citation. Có tại NUMDAM.
• Bản mẫu:Citation. Có tại NUMDAM.

Liên kết ngoài

• Bản mẫu:MathWorld