阶乘计算器
若要计算阶乘,请在“阶乘数值”输入框中输入一个数字,然后点击“计算”。计算结果将显示在“结果”栏中。
什么是阶乘?
要计算一个数的阶乘,需要将从一开始一直到该数的所有正整数相乘。书写阶乘时,使用感叹号表示。例如,
可以读作“四的阶乘等于24”,或“四的阶乘是24”。
阶乘只能用于非负整数(即大于或等于0的自然数)。为方便起见,数学家规定 ,也就是说,零的阶乘等于一。
阶乘公式
给定整数 n 的阶乘可以用以下任意一种公式来计算:
所有的这些公式得到的结果都是一样的。公式(1)直接遵照阶乘的定义计算(即将从一到 n 的所有自然数相乘)。公式(2)是公式(1)的简写形式,使用了连乘符号表示。公式(3)是一个递归公式,可以读作“n 的阶乘等于 n 乘以 n − 1的阶乘”。
阶乘的应用示例
阶乘有多种不同的应用场景。例如,在组合数学和概率论中,阶乘被广泛使用,因为它们可以用来表示一组不同对象有多少种安排方式。具体而言,阶乘出现在排列与组合的计算公式中。此外,阶乘还被应用于数学的许多其他分支领域。
示例:排列3种物品有多少种方式?
假设我们有三件物品:一个苹果、一个梨子、一个香蕉。我们需要决定吃它们的顺序。一开始,我们有三样水果可以选。在我们吃了第一个选中的水果后,我们还剩两样水果可以选。最后只剩一个水果的时候,我们没有任何选择——只能吃剩下的这种水果。所以,我们排列水果的方式有 种:
示例:4个数字可以有多少种排列方式?
假设我们有四个数字,从1到4。那么,这些数字一共有多少种不同的排列方式呢?答案是 种。这里是所有的24种可能出现的排列方式:
这种计算方式仅适用于四个数字完全不同的情况。如果存在重复的数字,例如,我们的数字是3、5、5和7,那么我们就没办法简单地用阶乘计算——整个计算公式就会变得更复杂。下一则示例将对这种情况作更详细的说明。
示例:5个字可以有多少种排列方式?
“换汤不换药”这则谚语中的字可以有多少种排列方式?答案是 种。排列的可能性非常多!
不过,这个简单的公式只适用于没有重复字母的情况。如果单词中存在重复字母,就需要先对单词的长度取阶乘,然后除以每种重复字母的重复次数的阶乘。例如,单词“MISSISSIPPI”一共有11个字母,其中S和I各出现了4次,而P出现了2次。因此,这个单词中的字母一共可以排列成34,650种不同的方式:
为什么需要把这些阶乘放在分母中呢?举例来说,如果四个S中的任意两个交换位置,单词本身并不会发生变化。由于S一共有4个,它们之间共有4!种不同的排列方式,而这些排列方式最终产生的单词都是一样的。我们需要去除这些重复的情况,所以需要将总体的阶乘结果除以4!。
示例:一副52张牌可以有多少种洗牌方式?
在最后这个示例中,我们来计算一副52张牌可以有多少种不同的排列方式。很显然,答案就是52的阶乘。这是一个特别大的数字:52! = 80,
这意味着,只要洗牌足够充分,几乎不可能在任何时候再次遇到完全相同的牌序。
某个数字的阶乘是……
这里有一些常用的阶乘值:
| 问题 | 答案 |
|---|---|
| 0的阶乘是多少? | 0的阶乘是1. |
| 1的阶乘是多少? | 1的阶乘是1. |
| 2的阶乘是多少? | 2的阶乘是2. |
| 3的阶乘是多少? | 3的阶乘是6. |
| 4的阶乘是多少? | 4的阶乘是24. |
| 5的阶乘是多少? | 5的阶乘是120. |
| 6的阶乘是多少? | 6的阶乘是720. |
| 7的阶乘是多少? | 7的阶乘是5,040. |
| 8的阶乘是多少? | 8的阶乘是40,320. |
| 9的阶乘是多少? | 9的阶乘是362,880. |
| 10的阶乘是多少? | 10的阶乘是3,628,800. |
| 52的阶乘是多少? | 52的阶乘是80, |
| 100的阶乘是多少? | 100的阶乘是93, |
100的阶乘可以用科学记数法近似表示为:.
Python中的阶乘
如果你正在使用 Python 这样的编程语言,你可以使用内置的函数:
import math
math.factorial(n)
但是,如果你想要编写你自己的阶乘函数,也可以用递归算法实现:
def factorial(n):
if n > 1:
return factorial(n-1) * n
else:
return 1
或者也可以使用迭代方法:
def factorial(n):
result = 1
for k in range(2, n + 1):
result *= k
return result
负数的阶乘
阶乘只定义了非负整数范围的计算。人们曾尝试将阶乘推广到实数和复数,但大家得到普遍的共识是:仍然无法定义负数的阶乘。例如,伽马函数将阶乘的适用范围推广到了所有的复数——除了负整数。
阶乘的近似值计算
当 n 较大的时候,将所有整数一直相乘到 n 会非常耗时,因此数学家提出了一些用于快速近似计算阶乘的公式。下面列出了其中两种著名的近似值公式。
斯特林公式
拉马努金公式
如何使用阶乘计算器?
开始使用计算器时,请在“阶乘数值”栏中输入一个数字,然后点击“计算”按钮。计算结果将显示在下方。如果结果是一个非常大的数值,系统会以两种方式展示:上方显示较短的、采用科学记数法表示的近似结果,下方则显示精确结果。
该计算器只能用于计算从0开始的整数。没有预设的上限——只要你的设备和浏览器性能支持,就可以输入无限大的数字。在桌面电脑上,某些版本的 Chrome 浏览器可以轻松计算10,000,000的阶乘,而 Firefox 和 Safari 在处理超过60,000的数值时可能会遇到困难。
如果数字较大,可能需要耗费数秒进行计算,显示结果所需时间甚至更长。如果输入的数字过大,系统会显示错误提示。有时页面可能不会显示提示信息,而是直接崩溃,此时需要重新加载页面。
计算器提供了一个选项,可以以非十进制的底数显示结果。你可以指定2到36之间的任意进制。例如,如果希望以十六进制形式显示结果,可以输入16。需要注意的是,如果结果以科学记数法显示,尾数和指数都会采用所选的底数。相对的,输入值会始终以十进制读取并显示。
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参考文献
Weisstein, Eric W., Factorial., MathWorld—A Wolfram Resource.
Weisstein, Eric W., Stirling's Approximation, MathWorld—A Wolfram Resource.
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