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【趣味數(shù)學(xué)題】垛積術(shù)(高階等差級數(shù))

2021-10-03 09:52 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

?鄭濤(Tao Steven Zheng)著

【問題】

宋元時期(公元 960年 - 1368年)的數(shù)學(xué)家研究了與賈憲三角對角線有關(guān)的有限級數(shù)(finite seies)。以下列表給出了朱世杰《算學(xué)啟蒙》(1299)和《四元玉鑒》(1303)中的級數(shù)。

茭草垛
1%2B2%2B3%2B4%2B...%2Bn%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2!%7D%20n(n%2B1)

落一形垛
1%2B3%2B6%2B10%2B...%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B2!%7Dn(n%2B1)%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B3!%7Dn(n%2B1)(n%2B2)%20

撒星形垛
1%2B4%2B10%2B20%2B...%2B%5Cfrac%7B1%7D%7B3!%7Dn(n%2B1)(n%2B2)%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B4!%7Dn(n%2B1)(n%2B2)(n%2B3)

撒星更落一形垛
1%2B5%2B15%2B35%2B...%2B%20%5Cfrac%7B1%7D%7B4!%7Dn(n%2B1)(n%2B2)(n%2B3)%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B5!%7Dn(n%2B1)(n%2B2)(n%2B3)(n%2B4)

這些有限級數(shù)叫高階等差級數(shù)(arithmetic series of higher order),遵循一般公式

%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E%7Bn%7D%5Cfrac%7B1%7D%7Bp!%7Di(i%2B1)(i%2B2)...(i%2Bp-1)%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B(p%2B1)!%7Dn(n%2B1)(n%2B2)...(n%2Bp)%20

也可以寫成

%20%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E%7Bn%7D%20%5Cbinom%7Bi%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20%3D%20%5Cbinom%7Bn%2Bp%7D%7Bp%2B1%7D

證明這個恒等式。


【題解】

%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E%7Bn%7D%20%5Cbinom%7Bi%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20%3D%20%5Cbinom%7Bp%7D%7Bp%7D%20%2B%20%5Cbinom%7Bp%2B1%7D%7Bp%7D%20%2B%20%5Cbinom%7Bp%2B2%7D%7Bp%7D%20%2B%20...%20%2B%20%5Cbinom%7Bn%2Bp-1%7D%7Bp%7D

注意 %20%5Cbinom%7Bp%7D%7Bp%7D%20%3D%20%5Cbinom%7Bp%2B1%7D%7Bp%2B1%7D,所以

%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E%7Bn%7D%20%5Cbinom%7Bi%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20%3D%20%5Cleft%5B%5Cbinom%7Bp%2B1%7D%7Bp%2B1%7D%20%2B%20%5Cbinom%7Bp%2B1%7D%7Bp%7D%20%5Cright%5D%20%2B%20%5Cbinom%7Bp%2B2%7D%7Bp%7D%20%2B%20...%20%2B%20%5Cbinom%7Bn%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20

使用二項式恒等式 %20%5Cbinom%7Bn-1%7D%7Bk%7D%20%2B%20%5Cbinom%7Bn-1%7D%7Bk-1%7D%20%3D%20%5Cbinom%7Bn%7D%7Bk%7D,得

%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E%7Bn%7D%20%5Cbinom%7Bi%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20%3D%20%5Cbinom%7Bp%2B2%7D%7Bp%2B1%7D%20%2B%20%5Cbinom%7Bp%2B2%7D%7Bp%7D%20%2B%20...%20%2B%20%5Cbinom%7Bn%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20

遵循這個步驟模式

%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E%7Bn%7D%20%5Cbinom%7Bi%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20%3D%20%5Cleft%5B%5Cbinom%7Bp%2B2%7D%7Bp%2B1%7D%20%2B%20%5Cbinom%7Bp%2B2%7D%7Bp%7D%20%5Cright%5D%20%2B%20%5Cbinom%7Bp%2B3%7D%7Bp%7D%20%2B%20...%20%2B%20%5Cbinom%7Bn%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20

直到最后兩項

%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E%7Bn%7D%20%5Cbinom%7Bi%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20%3D%20%5Cleft%5B%5Cbinom%7Bn%2Bp-1%7D%7Bp%2B1%7D%20%2B%20%5Cbinom%7Bn%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20%5Cright%5D%20

因此,

%20%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E%7Bn%7D%20%5Cbinom%7Bi%2Bp-1%7D%7Bp%7D%20%3D%20%5Cbinom%7Bn%2Bp%7D%7Bp%2B1%7D



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