[ 具体数学 ] 3:和式与封闭式

这篇博客探讨了如何将和式转化为封闭式的方法,通过一系列的命题和求解步骤,展示了从∑k=1nk到封闭式的过程。文章详细介绍了如何利用成套方法,通过递归式找到一般形式,并计算系数,最终得出S(n)=2n*(n+1)的结论。

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成套方法

解决将和式转为封闭式的方法

命题

∑k=1nk\sum_{k=1}^nkk=1nk转为封闭式

求解

方法:成套方法

  1. 转为递归式

S(n)=∑k=1nkS(n)=\sum_{k=1}^nkS(n)=k=1nk
不难看出,S(n)=S(n−1)+nS(n)=S(n-1)+nS(n)=S(n1)+n

  1. 一般化

R(n)R(n)R(n)S(n)S(n)S(n)的一般形式
R(0)=αR(n)=R(n−1)+βn+γR(0)=\alpha \qquad R(n)=R(n-1)+\beta n+\gammaR(0)=αR(n)=R(n1)+βn+γ

(1) 令R(n)=1R(n)=1R(n)=1

∴R(0)=1∴α=1∵R(n)=R(n−1)+βn+γ∴1=1+βn+γ\therefore R(0)=1\\ \therefore \alpha = 1\\ \because R(n)=R(n-1)+\beta n+\gamma\\ \therefore 1=1+\beta n + \gammaR(0)=1α=1R(n)=R(n1)+βn+γ1=1+βn+γ

{α=1β=0γ=0 \left\{ \begin{aligned} \alpha = 1 \\ \beta = 0 \\ \gamma = 0 \end{aligned} \right. α=1β=0γ=0

(2) 令R(n)=nR(n)=nR(n)=n

∴R(0)=0∴α=0∵R(n)=R(n−1)+βn+γ∴n=(n−1)+βn+γ\therefore R(0) = 0\\ \therefore \alpha = 0\\ \because R(n)=R(n-1)+\beta n+\gamma\\ \therefore n = (n-1)+\beta n + \gammaR(0)=0α=0R(n)=R(n1)+βn+γn=(n1)+βn+γ

{α=0β=0γ=1 \left\{ \begin{aligned} \alpha = 0 \\ \beta = 0 \\ \gamma = 1 \end{aligned} \right. α=0β=0γ=1

(3) 令R(n)=n2R(n) = n^2R(n)=n2

∴R(0)=0−∴α=0∵R(n)=R(n−1)+βn+γ∴n2=(n−1)2+βn+γ∴n2=n2−2n+1+βn+γ∴−1=(β−2)n+γ\therefore R(0) = 0\\ -\therefore \alpha = 0\\ \because R(n)=R(n-1)+\beta n+\gamma\\ \therefore n^2 = (n-1)^2+\beta n + \gamma\\ \therefore n^2 = n^2 - 2n + 1+\beta n + \gamma\\ \therefore -1 =(\beta - 2) n + \gammaR(0)=0α=0R(n)=R(n1)+βn+γn2=(n1)2+βn+γn2=n22n+1+βn+γ1=(β2)n+γ

{α=0β=2γ=−1 \left\{ \begin{aligned} \alpha = 0 \\ \beta = 2 \\ \gamma = -1 \end{aligned} \right. α=0β=2γ=1

3.计算系数

R(n)=A(n)α+B(n)β+C(n)γR(n)=A(n)\alpha + B(n)\beta + C(n)\gammaR(n)=A(n)α+B(n)β+C(n)γ

(1) 当R(n)=1R(n) = 1R(n)=1时:

∵{α=1β=0γ=0∴A(n)=1\because\left\{ \begin{aligned} \alpha = 1 \\ \beta = 0 \\ \gamma = 0 \end{aligned} \right.\\ \therefore A(n) = 1α=1β=0γ=0A(n)=1

(2) 当R(n)=nR(n) = nR(n)=n时:

∵{α=0β=0γ=1∴C(n)=n\because\left\{ \begin{aligned} \alpha = 0 \\ \beta = 0 \\ \gamma = 1 \end{aligned} \right.\\ \therefore C(n) = nα=0β=0γ=1C(n)=n

(3) 当R(n)=n2R(n) = n^2R(n)=n2时:

{α=0β=2γ=−1∴2B(n)−C(n)=n2 \left\{ \begin{aligned} \alpha = 0 \\ \beta = 2 \\ \gamma = -1 \end{aligned} \right.\\ \therefore 2B(n) - C(n) = n^2α=0β=2γ=12B(n)C(n)=n2

综上:

{A(n)=1C(n)=n2B(n)−C(n)=n2 \left\{ \begin{aligned} A(n) = 1 \\ C(n) = n \\ 2B(n) - C(n) = n^2 \end{aligned} \right. A(n)=1C(n)=n2B(n)C(n)=n2

解得
{A(n)=1B(n)=n⋅(n+1)2C(n)=n \left\{ \begin{aligned} A(n) = 1 \\ B(n) = \frac{n\cdot (n+1)}{2} \\ C(n) = n \end{aligned} \right. A(n)=1B(n)=2n(n+1)C(n)=n

4.具体化

S(n)=S(n−1)+nS(n) = S(n-1) + nS(n)=S(n1)+n

P(n)P(n)P(n)为当β=1,γ=0\beta = 1, \gamma = 0β=1,γ=0R(n)R(n)R(n)的值

∴P(n)=P(n−1)+n=S(n)\therefore P(n) = P(n-1) + n = S(n)P(n)=P(n1)+n=S(n)

∴S(n)\therefore S(n)S(n)为当β=1,γ=0\beta = 1, \gamma = 0β=1,γ=0R(n)R(n)R(n)的值

∴S(n)=B(n)∴S(n)=n⋅(n+1)2\therefore S(n) = B(n)\\ \therefore S(n) = \frac{n \cdot (n+1)}{2}S(n)=B(n)S(n)=2n(n+1)

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