Vyjádření pro součet sil
v matematika , Faulhaberův vzorec , pojmenoval podle Johann Faulhaber , vyjadřuje součet p -tá síla první n kladná celá čísla
∑ k = 1 n k p = 1 p + 2 p + 3 p + ⋯ + n p { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = 1 ^ {p} + 2 ^ {p} + 3 ^ {p} + cdots + n ^ {p}} jako (p + 1) th-stupeň polynomiální funkcen , koeficienty zahrnující Bernoulliho čísla Bj ve formě předložené Jacob Bernoulli a publikováno v roce 1713:
∑ k = 1 n k p = n p + 1 p + 1 + 1 2 n p + ∑ k = 2 p B k k ! p k − 1 _ n p − k + 1 , { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = { frac {n ^ {p + 1}} {p + 1}} + { frac {1} {2}} n ^ {p} + sum _ {k = 2} ^ {p} { frac {B_ {k}} {k!}} p ^ { podtržení {k-1}} n ^ {p-k + 1},} kde p k − 1 _ = ( p ) k − 1 = p ! ( p − k + 1 ) ! { displaystyle p ^ { podtržení {k-1}} = (p) _ {k-1} = { dfrac {p!} {(p-k + 1)!}}} je klesající faktoriál .
Dějiny Faulhaberův vzorec se také nazývá Bernoulliho vzorec . Faulhaber neznal vlastnosti koeficientů objevených Bernoulli. Spíše znal alespoň prvních 17 případů, stejně jako existenci Faulhaberových polynomů pro zvláštní síly popsaných níže.[1]
Důsledný důkaz těchto vzorců a jeho tvrzení, že takové vzorce budou existovat pro všechny zvláštní síly, trvalo až do Carl Jacobi (1834 ).
Faulhaberovy polynomy Termín Faulhaberovy polynomy je používán některými autory k označení něčeho jiného než výše uvedené polynomiální sekvence. Faulhaber to zaznamenal -li p je zvláštní , pak
1 p + 2 p + 3 p + ⋯ + n p { displaystyle 1 ^ {p} + 2 ^ {p} + 3 ^ {p} + cdots + n ^ {p}} je polynomiální funkce
A = 1 + 2 + 3 + ⋯ + n = n ( n + 1 ) 2 . { displaystyle a = 1 + 2 + 3 + cdots + n = { frac {n (n + 1)} {2}}.} Zejména:
1 3 + 2 3 + 3 3 + ⋯ + n 3 = A 2 ; { displaystyle 1 ^ {3} + 2 ^ {3} + 3 ^ {3} + cdots + n ^ {3} = a ^ {2};} OEIS : A000537
1 5 + 2 5 + 3 5 + ⋯ + n 5 = 4 A 3 − A 2 3 ; { displaystyle 1 ^ {5} + 2 ^ {5} + 3 ^ {5} + cdots + n ^ {5} = {4a ^ {3} -a ^ {2} přes 3};} OEIS : A000539
1 7 + 2 7 + 3 7 + ⋯ + n 7 = 6 A 4 − 4 A 3 + A 2 3 ; { displaystyle 1 ^ {7} + 2 ^ {7} + 3 ^ {7} + cdots + n ^ {7} = {6a ^ {4} -4a ^ {3} + a ^ {2} nad 3};} OEIS : A000541
1 9 + 2 9 + 3 9 + ⋯ + n 9 = 16 A 5 − 20 A 4 + 12 A 3 − 3 A 2 5 ; { displaystyle 1 ^ {9} + 2 ^ {9} + 3 ^ {9} + cdots + n ^ {9} = {16a ^ {5} -20a ^ {4} + 12a ^ {3} -3a ^ {2} nad 5};} OEIS : A007487
1 11 + 2 11 + 3 11 + ⋯ + n 11 = 16 A 6 − 32 A 5 + 34 A 4 − 20 A 3 + 5 A 2 3 . { displaystyle 1 ^ {11} + 2 ^ {11} + 3 ^ {11} + cdots + n ^ {11} = {16a ^ {6} -32a ^ {5} + 34a ^ {4} -20a ^ {3} + 5a ^ {2} přes 3}.} OEIS : A123095 První z nich identity (pouzdro p = 3) je znám jako Nicomachova věta .
Obecněji,[Citace je zapotřebí ]
1 2 m + 1 + 2 2 m + 1 + 3 2 m + 1 + ⋯ + n 2 m + 1 = 1 2 2 m + 2 ( 2 m + 2 ) ∑ q = 0 m ( 2 m + 2 2 q ) ( 2 − 2 2 q ) B 2 q [ ( 8 A + 1 ) m + 1 − q − 1 ] . { displaystyle { begin {zarovnáno} 1 ^ {2m + 1} + 2 ^ {2m + 1} & + 3 ^ {2m + 1} + cdots + n ^ {2m + 1} & = { frac {1} {2 ^ {2m + 2} (2m + 2)}} sum _ {q = 0} ^ {m} { binom {2m + 2} {2q}} (2-2 ^ {2q }) ~ B_ {2q} ~ left [(8a + 1) ^ {m + 1-q} -1 right]. End {aligned}}} Někteří autoři nazývají polynomy A na pravé straně těchto identit Faulhaberovy polynomy . Tyto polynomy jsou dělitelné A 2 protože Bernoulliho číslo B j je 0 pro j > 1 zvláštní.
Faulhaber také věděl, že pokud je součet za zvláštní sílu dán
∑ k = 1 n k 2 m + 1 = C 1 A 2 + C 2 A 3 + ⋯ + C m A m + 1 { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {2m + 1} = c_ {1} a ^ {2} + c_ {2} a ^ {3} + cdots + c_ {m} a ^ {m + 1}} pak součet sudé síly těsně pod je dán vztahem
∑ k = 1 n k 2 m = n + 1 / 2 2 m + 1 ( 2 C 1 A + 3 C 2 A 2 + ⋯ + ( m + 1 ) C m A m ) . { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {2m} = { frac {n + 1/2} {2m + 1}} (2c_ {1} a + 3c_ {2} a ^ {2} + cdots + (m + 1) c_ {m} a ^ {m}).} Všimněte si, že polynom v závorkách je derivát polynomu výše s ohledem na A .
Od té doby A = n (n + 1) / 2, tyto vzorce ukazují, že pro lichou mocninu (větší než 1) je součet polynomem v n s faktory n 2 a (n + 1)2 , zatímco pro rovnoměrnou moc má polynom faktory n , n + ½ a n + 1.
Summae Potestatum V roce 1713 Jacob Bernoulli publikováno pod názvem Summae Potestatum výraz součtu p pravomoci n první celá čísla jako (p + 1 ) th-stupeň polynomiální funkce zn , s koeficienty zahrnujícími čísla Bj , nyní volal Bernoulliho čísla :
∑ k = 1 n k p = n p + 1 p + 1 + 1 2 n p + 1 p + 1 ∑ j = 2 p ( p + 1 j ) B j n p + 1 − j . { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = { frac {n ^ {p + 1}} {p + 1}} + { frac {1} {2}} n ^ {p} + {1 nad p + 1} součet _ {j = 2} ^ {p} {p + 1 vyberte j} B_ {j} n ^ {p + 1-j}.} Představujeme-li také první dvě Bernoulliho čísla (což Bernoulli ne), stane se předchozí vzorec
∑ k = 1 n k p = 1 p + 1 ∑ j = 0 p ( p + 1 j ) B j n p + 1 − j , { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = {1 nad p + 1} součet _ {j = 0} ^ {p} {p + 1 zvolit j} B_ {j} n ^ {p + 1-j},} s použitím Bernoulliho čísla druhého druhu, pro které B 1 = 1 2 { displaystyle B_ {1} = { frac {1} {2}}} nebo
∑ k = 1 n k p = 1 p + 1 ∑ j = 0 p ( − 1 ) j ( p + 1 j ) B j n p + 1 − j , { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = {1 nad p + 1} sum _ {j = 0} ^ {p} (- 1) ^ {j} { p + 1 vyberte j} B_ {j} n ^ {p + 1-j},} pomocí Bernoulliho čísla prvního druhu, pro které B 1 = − 1 2 . { displaystyle B_ {1} = - { frac {1} {2}}.}
Například jako
B 0 = 1 , B 1 = 1 / 2 , B 2 = 1 / 6 , B 3 = 0 , B 4 = − 1 / 30 , { displaystyle B_ {0} = 1, ~ B_ {1} = 1/2, ~ B_ {2} = 1/6, ~ B_ {3} = 0, ~ B_ {4} = - 1/30,} jeden má pro p = 4 ,
1 4 + 2 4 + 3 4 + ⋯ + n 4 = 1 5 ∑ j = 0 4 ( 5 j ) B j n 5 − j = 1 5 ( B 0 n 5 + 5 B 1 n 4 + 10 B 2 n 3 + 10 B 3 n 2 + 5 B 4 n ) = 1 5 n 5 + 1 2 n 4 + 1 3 n 3 − 1 30 n . { displaystyle { begin {seřazeno} 1 ^ {4} + 2 ^ {4} + 3 ^ {4} + cdots + n ^ {4} & = {1 nad 5} součet _ {j = 0 } ^ {4} {5 zvolte j} B_ {j} n ^ {5-j} & = {1 nad 5} vlevo (B_ {0} n ^ {5} + 5B_ {1} n ^ {4} + 10B_ {2} n ^ {3} + 10B_ {3} n ^ {2} + 5B_ {4} n doprava) & = { frac {1} {5}} n ^ { 5} + { frac {1} {2}} n ^ {4} + { frac {1} {3}} n ^ {3} - { frac {1} {30}} n. End { zarovnaný}}} Samotný Faulhaber neznal vzorec v této podobě, pouze vypočítal prvních sedmnáct polynomů; obecná forma byla založena objevem Bernoulliho čísla (vidět Sekce historie ). Odvození Faulhaberova vzorce je k dispozici v Kniha čísel podle John Horton Conway a Richard K. Guy .[2]
Existuje také podobný (ale poněkud jednodušší) výraz: použití myšlenky teleskopický a binomická věta , jeden dostane Pascal identita :[3]
( n + 1 ) k + 1 − 1 = ∑ m = 1 n ( ( m + 1 ) k + 1 − m k + 1 ) = ∑ p = 0 k ( k + 1 p ) ( 1 p + 2 p + ⋯ + n p ) . { displaystyle { begin {aligned} (n + 1) ^ {k + 1} -1 & = sum _ {m = 1} ^ {n} left ((m + 1) ^ {k + 1} - m ^ {k + 1} right) & = sum _ {p = 0} ^ {k} { binom {k + 1} {p}} (1 ^ {p} + 2 ^ {p} + dots + n ^ {p}). end {aligned}}} Z toho zejména vyplývají níže uvedené příklady - např. Take k = 1 získat první příklad. Podobným způsobem také najdeme
n k + 1 = ∑ m = 1 n ( m k + 1 − ( m − 1 ) k + 1 ) = ∑ p = 0 k ( − 1 ) k + p ( k + 1 p ) ( 1 p + 2 p + ⋯ + n p ) . { displaystyle { begin {zarovnáno} n ^ {k + 1} = součet _ {m = 1} ^ {n} vlevo (m ^ {k + 1} - (m-1) ^ {k + 1 } right) = sum _ {p = 0} ^ {k} (- 1) ^ {k + p} { binom {k + 1} {p}} (1 ^ {p} + 2 ^ {p } + dots + n ^ {p}). end {zarovnáno}}} Příklady 1 + 2 + 3 + ⋯ + n = n ( n + 1 ) 2 = n 2 + n 2 { displaystyle 1 + 2 + 3 + cdots + n = { frac {n (n + 1)} {2}} = { frac {n ^ {2} + n} {2}}} (dále jen trojúhelníková čísla ) 1 2 + 2 2 + 3 2 + ⋯ + n 2 = n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 6 = 2 n 3 + 3 n 2 + n 6 { displaystyle 1 ^ {2} + 2 ^ {2} + 3 ^ {2} + cdots + n ^ {2} = { frac {n (n + 1) (2n + 1)} {6}} = { frac {2n ^ {3} + 3n ^ {2} + n} {6}}} (dále jen čtvercová pyramidová čísla ) 1 3 + 2 3 + 3 3 + ⋯ + n 3 = [ n ( n + 1 ) 2 ] 2 = n 4 + 2 n 3 + n 2 4 { displaystyle 1 ^ {3} + 2 ^ {3} + 3 ^ {3} + cdots + n ^ {3} = left [{ frac {n (n + 1)} {2}} right ] ^ {2} = { frac {n ^ {4} + 2n ^ {3} + n ^ {2}} {4}}} (dále jen trojúhelníková čísla na druhou) 1 4 + 2 4 + 3 4 + ⋯ + n 4 = n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) ( 3 n 2 + 3 n − 1 ) 30 = 6 n 5 + 15 n 4 + 10 n 3 − n 30 { displaystyle { begin {zarovnáno} 1 ^ {4} + 2 ^ {4} + 3 ^ {4} + cdots + n ^ {4} & = { frac {n (n + 1) (2n + 1) (3n ^ {2} + 3n-1)} {30}} & = { frac {6n ^ {5} + 15n ^ {4} + 10n ^ {3} -n} {30}} end {zarovnáno}}} 1 5 + 2 5 + 3 5 + ⋯ + n 5 = [ n ( n + 1 ) ] 2 ( 2 n 2 + 2 n − 1 ) 12 = 2 n 6 + 6 n 5 + 5 n 4 − n 2 12 { displaystyle { begin {zarovnáno} 1 ^ {5} + 2 ^ {5} + 3 ^ {5} + cdots + n ^ {5} & = { frac {[n (n + 1)] ^ {2} (2n ^ {2} + 2n-1)} {12}} & = { frac {2n ^ {6} + 6n ^ {5} + 5n ^ {4} -n ^ {2} } {12}} end {zarovnáno}}} 1 6 + 2 6 + 3 6 + ⋯ + n 6 = n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) ( 3 n 4 + 6 n 3 − 3 n + 1 ) 42 = 6 n 7 + 21 n 6 + 21 n 5 − 7 n 3 + n 42 { displaystyle { begin {zarovnáno} 1 ^ {6} + 2 ^ {6} + 3 ^ {6} + cdots + n ^ {6} & = { frac {n (n + 1) (2n + 1) (3n ^ {4} + 6n ^ {3} -3n + 1)} {42}} & = { frac {6n ^ {7} + 21n ^ {6} + 21n ^ {5} - 7n ^ {3} + n} {42}} end {zarovnáno}}} Od příkladů po maticovou větu Z předchozích příkladů dostaneme:
∑ i = 1 n i 0 = n { displaystyle sum _ {i = 1} ^ {n} i ^ {0} = n} ∑ i = 1 n i 1 = 1 2 n + 1 2 n 2 { displaystyle sum _ {i = 1} ^ {n} i ^ {1} = {1 nad 2} n + {1 nad 2} n ^ {2}} ∑ i = 1 n i 2 = 1 6 n + 1 2 n 2 + 1 3 n 3 { displaystyle sum _ {i = 1} ^ {n} i ^ {2} = {1 nad 6} n + {1 nad 2} n ^ {2} + {1 nad 3} n ^ {3 }} ∑ i = 1 n i 3 = 1 4 n 2 + 1 2 n 3 + 1 4 n 4 { displaystyle sum _ {i = 1} ^ {n} i ^ {3} = {1 nad 4} n ^ {2} + {1 nad 2} n ^ {3} + {1 nad 4 } n ^ {4}} ∑ i = 1 n i 4 = − 1 30 n + 1 3 n 3 + 1 2 n 4 + 1 5 n 5 { displaystyle sum _ {i = 1} ^ {n} i ^ {4} = - {1 nad 30} n + {1 nad 3} n ^ {3} + {1 nad 2} n ^ { 4} + {1 nad 5} n ^ {5}} ∑ i = 1 n i 5 = − 1 12 n 2 + 5 12 n 4 + 1 2 n 5 + 1 6 n 6 { displaystyle sum _ {i = 1} ^ {n} i ^ {5} = - {1 nad 12} n ^ {2} + {5 nad 12} n ^ {4} + {1 nad 2} n ^ {5} + {1 nad 6} n ^ {6}} ∑ i = 1 n i 6 = 1 42 n − 1 6 n 3 + 1 2 n 5 + 1 2 n 6 + 1 7 n 7 { displaystyle sum _ {i = 1} ^ {n} i ^ {6} = {1 nad 42} n- {1 nad 6} n ^ {3} + {1 nad 2} n ^ { 5} + {1 nad 2} n ^ {6} + {1 nad 7} n ^ {7}} Zápis těchto polynomů jako produktu mezi maticemi dává ( ∑ i = 1 n i 0 ∑ i = 1 n i 1 ∑ i = 1 n i 2 ∑ i = 1 n i 3 ∑ i = 1 n i 4 ∑ i = 1 n i 5 ∑ i = 1 n i 6 ) = G 7 ⋅ ( n n 2 n 3 n 4 n 5 n 6 n 7 ) kde G 7 = ( 1 0 0 0 0 0 0 1 2 1 2 0 0 0 0 0 1 6 1 2 1 3 0 0 0 0 0 1 4 1 2 1 4 0 0 0 − 1 30 0 1 3 1 2 1 5 0 0 0 − 1 12 0 5 12 1 2 1 6 0 1 42 0 − 1 6 0 1 2 1 2 1 7 ) { displaystyle { begin {pmatrix} sum _ {i = 1} ^ {n} i ^ {0} sum _ {i = 1} ^ {n} i ^ {1} sum _ {i = 1} ^ {n} i ^ {2} součet _ {i = 1} ^ {n} i ^ {3} součet _ {i = 1} ^ {n} i ^ { 4} suma _ {i = 1} ^ {n} i ^ {5} suma _ {i = 1} ^ {n} i ^ {6} konec {pmatrix}} = G_ {7} cdot { begin {pmatrix} n n ^ {2} n ^ {3} n ^ {4} n ^ {5} n ^ {6} n ^ {7} end {pmatrix}} qquad { text {where}} qquad G_ {7} = { begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 {1 over 2} & {1 over 2} & 0 a 0 a 0 a 0 a 0 {1 nad 6} & {1 nad 2} a {1 nad 3} & 0 & 0 a 0 & 0 0 & {1 nad 4} & {1 nad 2} & {1 nad 4} & 0 & 0 & 0 - {1 nad 30} & 0 & {1 nad 3} & {1 nad 2} & {1 nad 5} & 0 & 0 0 & - {1 nad 12} & 0 & {5 nad 12} & {1 nad 2} & {1 nad 6} & 0 {1 nad 42} & 0 & - {1 nad 6} & 0 & {1 nad 2} & {1 nad 2} & {1 nad 7} end {pmatrix}}} Překvapivě, převrácení matice polynomiálních koeficientů přináší něco známějšího:
G 7 − 1 = ( 1 0 0 0 0 0 0 − 1 2 0 0 0 0 0 1 − 3 3 0 0 0 0 − 1 4 − 6 4 0 0 0 1 − 5 10 − 10 5 0 0 − 1 6 − 15 20 − 15 6 0 1 − 7 21 − 35 35 − 21 7 ) { displaystyle G_ {7} ^ {- 1} = { begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 - 1 & 2 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 1 & -3 & 3 & 0 & 0 & 0 & 0 - 1 & 4 & -6 & 4 & 0 & 0 & 0 1 & -5 & 10 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 1 & -7 & 21 & -35 & 35 & -21 & 7 end {pmatrix}}} V obrácené matici Pascalův trojúhelník lze rozpoznat bez posledního prvku každého řádku a se střídavými znaky. Přesněji řečeno A 7 { displaystyle A_ {7}} být spodní trojúhelníkový Pascalova matice :
A 7 = ( 1 0 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 0 1 3 3 0 0 0 0 1 4 6 4 0 0 0 1 5 10 10 5 0 0 1 6 15 20 15 6 0 1 7 21 35 35 21 7 ) { displaystyle A_ {7} = { begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 1 & 2 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 1 & 3 & 3 & 0 & 0 & 0 1 & 4 & 6 & 4 & 0 & 0 & 0 1 & 5 & 10 & 10 & 5 & 0 & 0 & 0 & 0 & Nechat A ¯ 7 { displaystyle { overline {A}} _ {7}} být matice získaná z A 7 { displaystyle A_ {7}} změnou znaků položek v lichých úhlopříčkách, tj. nahrazením A i , j { displaystyle a_ {i, j}} podle ( − 1 ) i + j A i , j { displaystyle (-1) ^ {i + j} a_ {i, j}} . Pak
G 7 − 1 = A ¯ 7 . { displaystyle G_ {7} ^ {- 1} = { overline {A}} _ {7}.} To platí pro každou objednávku,[4] to znamená pro každé kladné celé číslo m , jeden má G m − 1 = A ¯ m . { displaystyle G_ {m} ^ {- 1} = { overline {A}} _ {m}.} Je tedy možné získat koeficienty polynomů součtů mocnin po sobě jdoucích celých čísel, aniž bychom se uchýlili k počtu Bernoulliho, ale převrácením matice snadno získané z Pascalova trojúhelníku.
Jeden také má[5]
A 7 − 1 = G ¯ 7 = ( 1 0 0 0 0 0 0 1 2 1 2 0 0 0 0 0 1 6 1 2 1 3 0 0 0 0 0 1 4 1 2 1 4 0 0 0 1 30 0 1 3 1 2 1 5 0 0 0 1 12 0 5 12 1 2 1 6 0 1 42 0 1 6 0 1 2 1 2 1 7 ) , { displaystyle A_ {7} ^ {- 1} = { overline {G}} _ {7} = { begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 {1 nad 2} & {1 over 2} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 {1 nad 6} & {1 nad 2} & {1 nad 3} & 0 & 0 & 0 & 0 0 & {1 nad 4} & {1 nad 2} & {1 nad 4} & 0 & 0 & 0 {1 nad 30} & 0 & {1 nad 3} & {1 nad 2} & {1 nad 5} & 0 & 0 0 & {1 nad 12} & 0 & {5 nad 12} & {1 nad 2} & { 1 nad 6} & 0 {1 nad 42} & 0 & {1 nad 6} & 0 & {1 nad 2} & {1 nad 2} & {1 nad 7} end {pmatrix}},} kde G ¯ 7 { displaystyle { overline {G}} _ {7}} se získává z G 7 { displaystyle G_ {7}} odstraněním znaménka minus.
Důkaz s exponenciální generující funkcí Nechat
S p ( n ) = ∑ k = 1 n k p , { displaystyle S_ {p} (n) = součet _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p},} označte uvažovanou částku pro celé číslo p ≥ 0. { displaystyle p geq 0.}
Definujte následující exponenciální generující funkce s (zpočátku) neurčitou z { displaystyle z}
G ( z , n ) = ∑ p = 0 ∞ S p ( n ) 1 p ! z p . { displaystyle G (z, n) = součet _ {p = 0} ^ { infty} S_ {p} (n) { frac {1} {p!}} z ^ {p}.} Shledáváme
G ( z , n ) = ∑ p = 0 ∞ ∑ k = 1 n 1 p ! ( k z ) p = ∑ k = 1 n E k z = E z . 1 − E n z 1 − E z , = 1 − E n z E − z − 1 . { displaystyle { begin {aligned} G (z, n) = & sum _ {p = 0} ^ { infty} sum _ {k = 1} ^ {n} { frac {1} {p !}} (kz) ^ {p} = sum _ {k = 1} ^ {n} e ^ {kz} = e ^ {z}. { frac {1-e ^ {nz}} {1- e ^ {z}}}, = & { frac {1-e ^ {nz}} {e ^ {- z} -1}}. end {zarovnáno}}} Toto je celá funkce v z { displaystyle z} aby z { displaystyle z} lze považovat za jakékoli komplexní číslo.
Dále si připomínáme exponenciální generující funkci pro Bernoulliho polynomy B j ( X ) { displaystyle B_ {j} (x)}
z E z X E z − 1 = ∑ j = 0 ∞ B j ( X ) z j j ! , { displaystyle { frac {ze ^ {zx}} {e ^ {z} -1}} = součet _ {j = 0} ^ { infty} B_ {j} (x) { frac {z ^ {j}} {j!}},} kde B j = B j ( 0 ) { displaystyle B_ {j} = B_ {j} (0)} označuje Bernoulliho číslo (s konvencí B 1 = − 1 2 { displaystyle B_ {1} = - { frac {1} {2}}} Faulhaberův vzorec získáme rozšířením funkce generování následujícím způsobem:
G ( z , n ) = ∑ j = 0 ∞ B j ( − z ) j − 1 j ! ( − ∑ l = 1 ∞ ( n z ) l l ! ) = ∑ p = 0 ∞ z p ∑ j = 0 p ( − 1 ) j 1 j ! ( p + 1 − j ) ! B j n p + 1 − j = ∑ p = 0 ∞ z p p ! 1 p + 1 ∑ j = 0 p ( − 1 ) j ( p + 1 j ) B j n p + 1 − j , tj. ∑ k = 1 n k p = 1 p + 1 ∑ j = 0 p ( − 1 ) j ( p + 1 j ) B j n p + 1 − j . { displaystyle { begin {aligned} G (z, n) = & sum _ {j = 0} ^ { infty} B_ {j} { frac {(-z) ^ {j-1}} { j!}} left (- sum _ {l = 1} ^ { infty} { frac {(nz) ^ {l}} {l!}} right) = & sum _ {p = 0} ^ { infty} z ^ {p} sum _ {j = 0} ^ {p} (- 1) ^ {j} { frac {1} {j! (P + 1-j)! }} B_ {j} n ^ {p + 1-j} = & sum _ {p = 0} ^ { infty} { frac {z ^ {p}} {p!}} {1 přes p + 1} součet _ {j = 0} ^ {p} (- 1) ^ {j} {p + 1 vyberte j} B_ {j} n ^ {p + 1-j}, { mbox {ie}} quad sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = & {1 over p + 1} sum _ {j = 0} ^ {p} (- 1 ) ^ {j} {p + 1 vyberte j} B_ {j} n ^ {p + 1-j}. end {zarovnáno}}} Všimněte si, že B j = 0 { displaystyle B_ {j} = 0} pro všechny liché j > 1 { displaystyle j> 1} . Proto někteří autoři definují B 1 = 1 2 { displaystyle B_ {1} = { frac {1} {2}}} takže střídavý faktor ( − 1 ) j { displaystyle (-1) ^ {j}} není přítomen.
Alternativní výrazy Přeznačením najdeme alternativní výraz
∑ k = 1 n k p = ∑ k = 0 p ( − 1 ) p − k k + 1 ( p k ) B p − k n k + 1 . { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = sum _ {k = 0} ^ {p} {(- 1) ^ {pk} nad k + 1} {p zvolte k} B_ {pk} n ^ {k + 1}.} Můžeme se také rozšířit G ( z , n ) { displaystyle G (z, n)} z hlediska Bernoulliho polynomů k nalezení
G ( z , n ) = E ( n + 1 ) z E z − 1 − E z E z − 1 = ∑ j = 0 ∞ ( B j ( n + 1 ) − ( − 1 ) j B j ) z j − 1 j ! , { displaystyle { begin {aligned} G (z, n) = & { frac {e ^ {(n + 1) z}} {e ^ {z} -1}} - { frac {e ^ { z}} {e ^ {z} -1}} = & sum _ {j = 0} ^ { infty} left (B_ {j} (n + 1) - (- 1) ^ {j } B_ {j} right) { frac {z ^ {j-1}} {j!}}, End {zarovnáno}}} z čehož vyplývá
∑ k = 1 n k p = 1 p + 1 ( B p + 1 ( n + 1 ) − ( − 1 ) p + 1 B p + 1 ) = 1 p + 1 ( B p + 1 ( n + 1 ) − B p + 1 ( 1 ) ) . { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = { frac {1} {p + 1}} left (B_ {p + 1} (n + 1) - (- 1) ^ {p + 1} B_ {p + 1} right) = { frac {1} {p + 1}} left (B_ {p + 1} (n + 1) -B_ {p + 1 } (1) vpravo).} Od té doby B n = 0 { displaystyle B_ {n} = 0} kdykoli n > 1 { displaystyle n> 1} je lichý faktor ( − 1 ) p + 1 { displaystyle (-1) ^ {p + 1}} mohou být odstraněny, když p > 0 { displaystyle p> 0} .
Vztah k funkci Riemanna zeta Použitím B k = − k ζ ( 1 − k ) { displaystyle B_ {k} = - k zeta (1-k)} , lze psát
∑ k = 1 n k p = n p + 1 p + 1 − ∑ j = 0 p − 1 ( p j ) ζ ( − j ) n p − j . { displaystyle sum limity _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = { frac {n ^ {p + 1}} {p + 1}} - sum limity _ {j = 0} ^ {p-1} {p zvolte j} zeta (-j) n ^ {pj}.} Pokud vezmeme v úvahu generující funkci G ( z , n ) { displaystyle G (z, n)} ve velkém n { displaystyle n} limit pro ℜ ( z ) < 0 { displaystyle Re (z) <0} , pak najdeme
lim n → ∞ G ( z , n ) = 1 E − z − 1 = ∑ j = 0 ∞ ( − 1 ) j − 1 B j z j − 1 j ! { displaystyle lim _ {n rightarrow infty} G (z, n) = { frac {1} {e ^ {- z} -1}} = součet _ {j = 0} ^ { infty } (- 1) ^ {j-1} B_ {j} { frac {z ^ {j-1}} {j!}}} Heuristicky to naznačuje
∑ k = 1 ∞ k p = ( − 1 ) p B p + 1 p + 1 . { displaystyle sum _ {k = 1} ^ { infty} k ^ {p} = { frac {(-1) ^ {p} B_ {p + 1}} {p + 1}}.} Tento výsledek souhlasí s hodnotou Funkce Riemann zeta ζ ( s ) = ∑ n = 1 ∞ 1 n s { displaystyle zeta (s) = součet _ {n = 1} ^ { infty} { frac {1} {n ^ {s}}}} pro záporná celá čísla s = − p < 0 { displaystyle s = -p <0} na vhodně analyticky pokračující ζ ( s ) { displaystyle zeta (s)} .
Umbral forma V klasice pupeční kalkul jeden formálně zachází s indexy j v pořadí B j jako by to byli exponenti, takže v tomto případě můžeme použít binomická věta a řekni
∑ k = 1 n k p = 1 p + 1 ∑ j = 0 p ( p + 1 j ) B j n p + 1 − j = 1 p + 1 ∑ j = 0 p ( p + 1 j ) B j n p + 1 − j { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = {1 nad p + 1} součet _ {j = 0} ^ {p} {p + 1 zvolte j} B_ {j} n ^ {p + 1-j} = {1 nad p + 1} součet _ {j = 0} ^ {p} {p + 1 vyberte j} B ^ {j} n ^ {p + 1-j}}
= ( B + n ) p + 1 − B p + 1 p + 1 . { displaystyle = {(B + n) ^ {p + 1} -B ^ {p + 1} přes p + 1}.} V moderní umbral kalkul, jeden zvažuje lineární funkční T na vektorový prostor polynomů v proměnné b dána
T ( b j ) = B j . { displaystyle T (b ^ {j}) = B_ {j}. ,} Pak lze říci
∑ k = 1 n k p = 1 p + 1 ∑ j = 0 p ( p + 1 j ) B j n p + 1 − j = 1 p + 1 ∑ j = 0 p ( p + 1 j ) T ( b j ) n p + 1 − j { displaystyle sum _ {k = 1} ^ {n} k ^ {p} = {1 nad p + 1} součet _ {j = 0} ^ {p} {p + 1 zvolit j} B_ {j} n ^ {p + 1-j} = {1 nad p + 1} součet _ {j = 0} ^ {p} {p + 1 vyberte j} T (b ^ {j}) n ^ {p + 1-j}}
= 1 p + 1 T ( ∑ j = 0 p ( p + 1 j ) b j n p + 1 − j ) = T ( ( b + n ) p + 1 − b p + 1 p + 1 ) . { displaystyle = {1 nad p + 1} T vlevo ( součet _ {j = 0} ^ {p} {p + 1 zvolit j} b ^ {j} n ^ {p + 1-j} right) = T left ({(b + n) ^ {p + 1} -b ^ {p + 1} over p + 1} right).} Poznámky ^ Donald E. Knuth (1993). „Johann Faulhaber a součty sil“. Matematika výpočtu . 61 (203): 277–294. arXiv :math.CA/9207222 . doi :10.2307/2152953 . JSTOR 2152953 .CS1 maint: ref = harv (odkaz) Papír arxiv.org obsahuje chybný tisk ve vzorci pro součet 11. mocností, který byl opraven v tištěné verzi. Správná verze. ^ John H. Conway , Richard Guy (1996). Kniha čísel . Springer. str.107 . ISBN 0-387-97993-X .^ Kieren MacMillan, Jonathan Sondow (2011). Msgstr "Důkazy součtu výkonů a shody binomických koeficientů prostřednictvím Pascalovy identity". Americký matematický měsíčník . 118 (6): 549–551. arXiv :1011.0076 . doi :10,4169 / amer.math.monthly.118.06.549 . ^ Pietrocola, Giorgio (2017), Na polynomech pro výpočet součtů mocnin postupných celých čísel a Bernoulliho čísel odvozených z Pascalova trojúhelníku (PDF) .^ Derby, Nigel (2015), „Hledání součtů sil“ , Matematický věstník , 99 (546): 416–421, doi :10.1017 / mag.2015.77 .externí odkazy