平方和公式 、立方和公式
在网上看了几种证明方法,自己来整理一下,尽量尝试写的通俗易懂,第一次写博客,来试一试。
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平方和公式
∑i=1ni2=12+22+32+⋯+n2=n(n+1)(2n+1)6\sum_{i=1}^{n}i^2 = 1^2 + 2^2 + 3^2 + \cdots + n^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}∑i=1ni2=12+22+32+⋯+n2=6n(n+1)(2n+1)
证法一:
由于 (a+1)3−(a)3=3a2+3a+1\quad (a+1)^3-(a)^3=3a^2+3a+1(a+1)3−(a)3=3a2+3a+1,所以可以得到如下式子:
23−13=3⋅12+3⋅1+133−23=3⋅22+3⋅2+143−33=3⋅32+3⋅3+1⋮(n+1)3−n3=3n2+3n+1 \begin{aligned} 2^3 &- 1^3 &= &\quad 3 \cdot 1^2 + 3 \cdot 1 + 1\\ 3^3 &- 2^3 &= &\quad 3 \cdot 2^2 + 3 \cdot 2 + 1\\ 4^3 &- 3^3 &= &\quad 3 \cdot 3^2 + 3 \cdot 3 + 1\\ &\vdots\\ &\quad\\ (n+1)^3 &- n^3 &= &\quad 3n^2 + 3n + 1\\ \end{aligned} 233343(n+1)3−13−23−33⋮−n3====3⋅12+3⋅1+13⋅22+3⋅2+13⋅32+3⋅3+13n2+3n+1
将上面的式子左边右边依次相加得到如下:
(n+1)3−13=3⋅∑i=1ni2+3⋅n(n+1)2+n \begin{aligned} (n+1)^3&-1^3&=\quad3\cdot \sum_{i=1}^{n}i^2+3\cdot \frac{n(n+1)}{2}+n\\ \end{aligned} (n+1)3−13=3⋅i=1∑ni2+3⋅2n(n+1)+n
即:
∑i=1ni2=(n+1)3−13−n(n+1)2−n3=2n3+3n2+n6=n(n+1)(2n+1)6 \begin{aligned} \sum_{i=1}^{n}i^2&=\frac{(n+1)^3-1}{3} - \frac{n(n+1)}{2} - \frac{n}{3}\\ &=\frac{2n^3+3n^2+n }{6}\\ &=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6} \end{aligned} i=1∑ni2=3(n+1)3−1−2n(n+1)−3n=62n3+3n2+n=6n(n+1)(2n+1)
则∑i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6\quad\sum_{i=1}^{n}i^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}∑i=1ni2=6n(n+1)(2n+1),证毕。
证法二:
由于n2=n2−n+n=n(n−1)+n=2Cn2+Cn1\quad n^2 = n^2 - n + n= n(n - 1) + n = 2C_n^2 + C_n^1n2=n2−n+n=n(n−1)+n=2Cn2+Cn1,因此则有:∑i=1ni2=12+22+32+⋯+n2=12+(2C22+C21)+(2C32+C31)+⋯+(2Cn2+Cn1)=1+2(C22+C32+⋯+Cn2)+(C21+C31+⋯+Cn1)=1+2Cn+13+Cn+12−1=n(n−1)(n+1)3+n(n+1)2=n(n+1)(2n+1)6 \begin{aligned} \sum_{i=1}^{n}i^2 &= 1^2 + 2^2 + 3^2 + \cdots + n^2\\ &=1^2 + (2C_2^2 + C_2^1) + (2C_3^2 + C_3^1) + \cdots + (2C_n^2 + C_n^1)\\ &=1 + 2(C_2^2 + C_3^2 + \cdots + C_n^2) + (C_2^1 + C_3^1 + \cdots + C_n^1)\\ &=1 + 2C_{n+1}^3 + C_{n+1}^2 - 1\\ &=\frac{n(n-1)(n+1)}{3} + \frac{n(n+1)}{2}\\ &=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6} \end{aligned} i=1∑ni2=12+22+32+⋯+n2=12+(2C22+C21)+(2C32+C31)+⋯+(2Cn2+Cn1)=1+2(C22+C32+⋯+Cn2)+(C21+C31+⋯+Cn1)=1+2Cn+13+Cn+12−1=3n(n−1)(n+1)+2n(n+1)=6n(n+1)(2n+1)
则∑i=1ni2=n(n+1)(2n+1)6\quad\sum_{i=1}^{n}i^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}∑i=1ni2=6n(n+1)(2n+1),证毕。
可能有人要问为什么C22+C32+⋯+Cn2=Cn+13\quad C_2^2 + C_3^2 + \cdots + C_n^2 = C_{n+1}^3C22+C32+⋯+Cn2=Cn+13 ,这是组合数的一个性质:
Cn+1m=Cnm−1+Cnm(m≤n) C_{n+1}^m = C_n^{m-1} + C_n^m (m \leq n) Cn+1m=Cnm−1+Cnm(m≤n)来举个简单的例子吧,假设你要从5个女人中选中2个女人出去玩,5个女人中有个女人叫翠花,5选2也就是 C52=10C_5^2=10C52=10 ,在你选出的10组中,其实也就可以分成两种,有翠花的组和没翠花的组,因此我们可以把 C52C_5^2C52这样考虑:有翠花的组,也就是在除了翠花的4个人中选1个和翠花组成一组,即 C41C_4^1C41;没翠花的组,也就是在除了翠花的4个人中选2个组成一组,即C42C_4^2C42,因此C52=C41+C42C_5^2= C_4^1 + C_4^2C52=C41+C42
因此可以得到组合数的一个性质,在 n+1n+1n+1 个元素中选出 mmm 个元素,可分为2种情况:有元素 aaa 的组,没有元素 aaa 的组。有元素 aaa 的组即在除了 aaa 的 nnn个元素中选 m−1m-1m−1 个元素和 aaa 组成一组。没有元素 aaa 的组即在除了 aaa 的 nnn 个元素中选 mmm 个元素组成一组,因此则有:
Cn+1m=Cnm−1+Cnm(m≤n) C_{n+1}^m = C_n^{m-1} + C_n^m (m \leq n) Cn+1m=Cnm−1+Cnm(m≤n)
再对上面这个式子进行推导:
Cn+1m=Cnm−1+Cnm=Cnm−1+Cn−1m−1+Cn−1m=Cnm−1+Cn−1m−1+Cn−2m−1+Cn−2m=Cnm−1+Cn−1m−1+Cn−2m−1+Cn−3m−1+⋯+Cm−1m−1 \begin{aligned} C_{n+1}^m &= C_n^{m-1} + C_n^m\\ &= C_n^{m-1} + C_{n-1}^{m-1} + C_{n-1}^m\\ &= C_n^{m-1} + C_{n-1}^{m-1} + C_{n-2}^{m-1} + C_{n-2}^m\\ &= C_n^{m-1} + C_{n-1}^{m-1} + C_{n-2}^{m-1} + C_{n-3}^{m-1} + \cdots + C_{m-1}^{m-1} \\ \end{aligned} Cn+1m=Cnm−1+Cnm=Cnm−1+Cn−1m−1+Cn−1m=Cnm−1+Cn−1m−1+Cn−2m−1+Cn−2m=Cnm−1+Cn−1m−1+Cn−2m−1+Cn−3m−1+⋯+Cm−1m−1
因此 Cn+1m=Cnm−1+Cn−1m−1+Cn−2m−1+Cn−3m−1+⋯+Cm−1m−1C_{n+1}^m = C_n^{m-1} + C_{n-1}^{m-1} + C_{n-2}^{m-1} + C_{n-3}^{m-1} + \cdots + C_{m-1}^{m-1}Cn+1m=Cnm−1+Cn−1m−1+Cn−2m−1+Cn−3m−1+⋯+Cm−1m−1我们再回到题目中,因此:
C22+C32+⋯+Cn2=Cn+13C_2^2 + C_3^2 + \cdots + C_n^2 = C_{n+1}^3C22+C32+⋯+Cn2=Cn+13
C21+C31+⋯+Cn1=Cn+12−1C_2^1 + C_3^1 + \cdots + C_n^1 = C_{n+1}^2 - 1C21+C31+⋯+Cn1=Cn+12−1
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立方和公式
∑i=1ni3=13+23+33+⋯+n3=14n2(n+1)2\sum_{i=1}^{n} i^3=1^3 + 2^3 + 3^3 + \cdots + n^3 =\frac{1}{4}n^2(n+1)^2∑i=1ni3=13+23+33+⋯+n3=41n2(n+1)2
证法一:
由于 (a+1)4−a4=4a3+6a2+4a+1(a+1)^4 - a^4 = 4a^3 + 6a^2 + 4a + 1(a+1)4−a4=4a3+6a2+4a+1,所以可以得到如下:
24−14=4⋅13+6⋅12+4⋅1+134−24=4⋅23+6⋅22+4⋅2+144−34=4⋅33+6⋅32+4⋅3+1⋮(n+1)4−n4=4n3+6n2+4⋅n+1 \begin{aligned} 2^4 &- 1^4 &= &\quad 4 \cdot 1^3 + 6 \cdot 1^2 + 4 \cdot 1 + 1\\ 3^4 &- 2^4 &= &\quad 4 \cdot 2^3 + 6 \cdot 2^2 + 4 \cdot 2 + 1\\ 4^4 &- 3^4 &= &\quad 4 \cdot 3^3 + 6 \cdot 3^2 + 4 \cdot 3 + 1\\ &\vdots\\ &\quad\\ (n+1)^4 &- n^4 &= &\quad 4n^3 + 6n^2 + 4 \cdot n + 1\\ \end{aligned} 243444(n+1)4−14−24−34⋮−n4====4⋅13+6⋅12+4⋅1+14⋅23+6⋅22+4⋅2+14⋅33+6⋅32+4⋅3+14n3+6n2+4⋅n+1
将上面的式子左边右边依次相加得到如下:
(n+1)4−14=4⋅∑i=1ni3+6⋅∑i=1ni2+4⋅n(n+1)2+n \begin{aligned} (n+1)^4&-1^4&=\quad 4 \cdot \sum_{i=1}^{n}i^3 + 6 \cdot \sum_{i=1}^{n}i^2 + 4 \cdot \frac{n(n+1)}{2} +n\\ \end{aligned} (n+1)4−14=4⋅i=1∑ni3+6⋅i=1∑ni2+4⋅2n(n+1)+n
即:
∑i=1ni3=(n+1)4−14−32⋅∑i=1ni2−n(n+1)2−n4=14n2(n+1)2 \begin{aligned} \sum_{i=1}^{n}i^3&=\frac{(n+1)^4-1}{4} - \frac{3}{2} \cdot \sum_{i=1}^{n}i^2 - \frac{n(n+1)}{2} - \frac{n}{4 }\\ &=\frac{1}{4}n^2(n+1)^2 \end{aligned} i=1∑ni3=4(n+1)4−1−23⋅i=1∑ni2−2n(n+1)−4n=41n2(n+1)2
则∑i=1ni3=14n2(n+1)2\quad\sum_{i=1}^{n}i^3=\frac{1}{4}n^2(n+1)^2∑i=1ni3=41n2(n+1)2,证毕。
根据平方和公式的证法二,我也想了一个利用组合数来求立方和公式的证法。
证法二:
由于n3=n3−n+n=n(n−1)(n+1)+n=6Cn+13+Cn1\quad n^3 = n^3 - n + n= n(n - 1)(n+1) + n = 6C_{n+1}^3 + C_n^1n3=n3−n+n=n(n−1)(n+1)+n=6Cn+13+Cn1,因此则有:∑i=1ni3=13+23+33+⋯+n3=13+(6C33+C21)+(6C43+C31)+⋯+(6Cn+13+Cn1)=1+6(C33+C43+⋯+Cn+13)+(C21+C31+⋯+Cn1)=1+6Cn+24+Cn+12−1=n(n−1)(n+1)(n+2)4+n(n+1)2=n2(n+1)24 \begin{aligned} \sum_{i=1}^{n}i^3 &= 1^3 + 2^3 + 3^3 + \cdots + n^3\\ &=1^3 + (6C_3^3 + C_2^1) + (6C_4^3 + C_3^1) + \cdots + (6C_{n+1}^3 + C_n^1)\\ &=1 + 6(C_3^3 + C_4^3 + \cdots + C_{n+1}^3) + (C_2^1 + C_3^1 + \cdots + C_n^1)\\ &=1 + 6C_{n+2}^4 + C_{n+1}^2 - 1\\ &=\frac{n(n-1)(n+1)(n+2)}{4} + \frac{n(n+1)}{2}\\ &=\frac{n^2(n+1)^2}{4} \end{aligned} i=1∑ni3=13+23+33+⋯+n3=13+(6C33+C21)+(6C43+C31)+⋯+(6Cn+13+Cn1)=1+6(C33+C43+⋯+Cn+13)+(C21+C31+⋯+Cn1)=1+6Cn+24+Cn+12−1=4n(n−1)(n+1)(n+2)+2n(n+1)=4n2(n+1)2
则∑i=1ni3=14n2(n+1)2\quad\sum_{i=1}^{n}i^3=\frac{1}{4}n^2(n+1)^2∑i=1ni3=41n2(n+1)2,证毕。