Stirling Formülü: Faktöriyelin Evcilleşmesi
$100!$ tam olarak 158 basamaklıdır ve elle hesaplaması imkânsızdır. Stirling formülü bu canavarı bir saniyede ehlileştirir.

Faktöriyel niye kontrolden çıkar?
yani kombinatoriğin temel sayma aracıdır. Ama hızla devleşir:
- (158 basamak)
tam değerini hesaplamak için 100 sayıyı tek tek çarpmanız ve sonucu 158 basamaklı tutmanız gerekir. Ne kalem-kâğıt ne de hesap makinesi bunu rahatlıkla yapar.
Oysa pek çok problemde (olasılık, fizik, kombinatorik) tam değer değil kıyas için yaklaşık değer yeterlidir. Stirling formülü tam bu hizmeti verir.
Formül
James Stirling (İskoçyalı matematikçi, 1730) ve Abraham de Moivre (bağımsız olarak) şu yaklaşımı verdi:
Veya logaritmalı formda (daha kullanışlı):
Daha kaba yaklaşım (Stirling'in en sık alıntılanan formu):
Niye işe yarıyor?
Hatalar gözle görülmez derecede küçüktür. Bazı örnekler:
| Gerçek | Stirling yaklaşımı | Hata | |
|---|---|---|---|
| %0.83 | |||
| %0.08 | |||
| aynı, %0.008 hata | %0.008 |
Yani büyüdükçe göreceli hata azalır. Bu, asimptotik formülün ne kadar güçlü olduğunun ölçüsüdür.
Sezgisel türetme
Tam türetme integralle yapılır ama sezgi şöyle:
Bu toplam integral ile yaklaşıklanabilir:
İlave terimi, Riemann toplamı ile integral arasındaki "sınır" düzeltmesinden gelir (Euler-Maclaurin formülü).
Kanıt: niye ?
doğal logaritmanın tabanı, ifadesinin içinde nereden çıkıyor? Yanıt: faktöriyel integralle yazılır:
Bu integralin maksimumu noktasındadır; etrafına Laplace yöntemiyle yaklaşılınca otomatik olarak çıkar. üstel azalmanın matematiksel imzasıdır.
Uygulamalar
1) Olasılık ve binom dağılımı
Madeni para kez atılınca tam yazı gelme olasılığı:
Büyük için bu ifade Stirling ile sadeleşip normal dağılıma (Gauss) yakınsar. Merkezi limit teoreminin klasik kanıtının çekirdek aracı budur.
2) İstatistiksel mekanik (entropi)
Termodinamikte bir gazın entropisi Boltzmann formülüyle 'dir; burada mümkün mikro-durumların sayısıdır. tipik olarak faktöriyellerin oranı şeklinde olur ve Stirling kullanılmadan elle hesaplanamaz. Modern kimyanın, fizik kimyasının ve istatistiksel mekaniğin altyapısı.
3) Bilgisayar bilimi
Algoritma analizinde örneğin bir liste için tüm permütasyonlar tanedir. için bile . Stirling, " için ne kadar uzun?" sorusuna pratik cevap verir.
4) Bilgi teorisi
Shannon entropisi, kombinatoryal yaklaşımdan türetildiğinde Stirling ile sadeleşir. Veri sıkıştırma, hata düzeltme kodları, kriptografi — hepsinde Stirling perde arkasında çalışıyor.
"Kısa formül, derin sonuç"
Stirling formülü matematiğin estetik şahremlerinden biridir: kısa, hatasız (büyük için), evrensel. Bir başka bakış: faktöriyel diskret bir nesneydi (); Stirling onu sürekli bir fonksiyonun ( fonksiyonu) içinde yumuşatır:
Bu sürekli uzantı sayesinde faktöriyel artık türev alınabilir, integre edilebilir, kompleks sayılara genişletilebilir bir nesne haline gelir. Riemann hipotezi, kuantum istatistikleri, özel fonksiyonlar — hepsi bu uzantıyla konuşur.
Stirling 1730'da bu formülü verdiğinde 18. yüzyıl matematikçileri pratik bir araç edindi. 21. yüzyıl bilim insanları aynı formülü hâlâ açıyor — çünkü doğanın diliyle konuşan bazı denklemler çağ atlatmaz.
Etiketler
Kendinizi Test Edin
Cevaplarınız profilinizde istatistik olarak saklanır.
1. Stirling formülünün ana hali aşağıdakilerden hangisidir?
2. Stirling formülünün logaritmik (en kaba) hali nedir?
3. Stirling formülündeki $e$'nin kaynağı nedir?
4. İstatistiksel mekanikte Stirling hangi büyüklüğü pratik hesaplamak için kullanılır?
5. Faktöriyelin reel/kompleks sayılara uzantısı hangi fonksiyondur?
İlgili Yazılar
Patates Paradoksu: 100 Kilo Patates Biraz Kuruyunca Neden 50 Kiloya Düşer?
100 kilo patatesiniz var ve %99’u sudan oluşuyor. Biraz beklettiniz, su oranı %98’e düştü. Şimdi patatesler kaç kilo? Sezginiz "neredeyse 100" diyor. Doğru cevap ise tam 50 kilo — ve bu, oranların ne kadar aldatıcı olduğunu gösteriyor.
MatematikLanchester’ın Savaş Yasaları: Bir Ordunun Gücü Neden Asker Sayısının Karesiyle Artar?
İki ordu çarpışırken sonucu ne belirler? Sezgi "daha kalabalık olan kazanır" der. Ama bir mühendis, modern savaşta sayısal üstünlüğün etkisinin doğrusal değil, asker sayısının karesiyle orantılı olduğunu gösterdi. Bu, neden "böl ve yönet" işe yaradığını açıklar.
Matematik"Yüzde 30 Yağmur İhtimali" Tam Olarak Ne Demek? Çoğu Kişi Yanlış Anlıyor
Hava durumu "bugün yüzde 30 yağmur ihtimali" dediğinde ne anlıyorsunuz? Gökyüzünün yüzde 30’u mu kapanacak? Günün yüzde 30’unda mı yağacak? Aslında ikisi de değil — ve gerçek anlamı, olasılığın ne kadar incelikli olduğunu gösteriyor.