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費爾哈伯公式


在 1631 年出版的稀有著作《代數學院》(Academiae Algebrae) 中,J. 費爾哈伯發表了關於前 n正整數冪和的若干公式。關於費爾哈伯著作的詳細分析可以在 Knuth (1993) 以及經過少量修訂的 Knuth (2001) 中找到。

在費爾哈伯提出的結果中(沒有說明這些結果是如何推匯出來的),有奇次冪的和

sum_(k=1)^(n)k=N
(1)
sum_(k=1)^(n)k^3=N^2
(2)
sum_(k=1)^(n)k^5=1/3(4N^3-N^2)
(3)
sum_(k=1)^(n)k^7=1/3(6N^4-4N^3+N^2)
(4)
sum_(k=1)^(n)k^9=1/5(16N^5-20N^4+12N^3-3N^2)
(5)
sum_(k=1)^(n)k^(11)=1/3(16N^6-32N^5+34N^4-20N^3+5N^2)
(6)
sum_(k=1)^(n)k^(13)=1/(105)(960N^7-2800N^6+4592N^5-4720N^4+2764N^3-691N^2)
(7)
sum_(k=1)^(n)k^(15)=1/3(48N^8-192N^7+448N^6-704N^5+718N^4-420N^3+105N^2)
(8)
sum_(k=1)^(n)k^(17)=1/(45)(1280N^9-6720N^8+21120N^7-46880N^6+72912N^5-74220N^4+43404N^3-10851N^2)
(9)

其中 N=(n^2+n)/2。雖然費爾哈伯認為對於所有冪 p,以 N 為變數且符號交替的類似多項式將繼續存在,但雅可比 (Jacobi) (1834; Knuth 1993) 首次發表了嚴格的證明。

求和公式 sum_(k=1)^(n)k^3=N^2 有時被稱為尼科馬科斯定理

n 直接表示冪為 p=1, ..., 10 的這些和,得到

sum_(k=1)^(n)k=1/2(n^2+n)
(10)
sum_(k=1)^(n)k^2=1/6(2n^3+3n^2+n)
(11)
sum_(k=1)^(n)k^3=1/4(n^4+2n^3+n^2)
(12)
sum_(k=1)^(n)k^4=1/(30)(6n^5+15n^4+10n^3-n)
(13)
sum_(k=1)^(n)k^5=1/(12)(2n^6+6n^5+5n^4-n^2)
(14)
sum_(k=1)^(n)k^6=1/(42)(6n^7+21n^6+21n^5-7n^3+n)
(15)
sum_(k=1)^(n)k^7=1/(24)(3n^8+12n^7+14n^6-7n^4+2n^2)
(16)
sum_(k=1)^(n)k^8=1/(90)(10n^9+45n^8+60n^7-42n^5+20n^3-3n)
(17)
sum_(k=1)^(n)k^9=1/(20)(2n^(10)+10n^9+15n^8-14n^6+10n^4-3n^2)
(18)
sum_(k=1)^(n)k^(10)=1/(66)(6n^(11)+33n^(10)+55n^9-66n^7+66n^5-33n^3+5n).
(19)

雖然費爾哈伯沒有意識到(也沒有發現)伯努利數調和數,但 k 從 1 到 nk^p 次冪和的一般公式可以用閉合形式給出,如下所示

sum_(k=1)^(n)k^p=H_(n,-p)
(20)
=1/(p+1)sum_(i=1)^(p+1)(-1)^(delta_(ip))(p+1; i)B_(p+1-i)n^i,
(21)

其中 H_(n,r) 是廣義調和數delta_(ip)克羅內克 delta(n; i)二項式係數,B_i 是第 i伯努利數

在他的著作中,費爾哈伯還考慮並(正確地)聲稱,當 p=1 3, 5, ... 時,1^p, 2^p, ..., n^pr 重求和是 n(n+r) 的多項式。更多細節由 Knuth (1993, 2001) 給出。

這些冪和中的任何一個都可以稱為“費爾哈伯和”。


另請參閱

調和數, 尼科馬科斯定理, , 冪和, 平方三角數,

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參考文獻

Conway, J. H. and Guy, R. K. The Book of Numbers. 紐約: 施普林格出版社, p. 106, 1996.Edwards, A. W. F. "A Quick Route to Sums of Powers." Amer. Math. Monthly 93, 451-455, 1986.Faulhaber, J. Academia Algebræ, Darinnen die miraculosische Inventiones zu den höchsten Cossen weiters continuirt und profitiert werden. Augspurg [sic], Germany: Johann Ulrich Schönigs, 1631.Havil, J. Gamma: Exploring Euler's Constant. 普林斯頓,新澤西州: 普林斯頓大學出版社, p. 82, 2003.Jacobi, C. G. J. "De usu legitimo formulae summatoriae Maclaurinianae." J. reine angew. Math. 12, 263-272, 1834.Knuth, D. E. "Johann Faulhaber and Sums of Powers." Math. Comput. 61, 277-294, 1993.Knuth, D. E. 第 4 章 in Selected Papers on Discrete Mathematics. 劍橋,英格蘭: 劍橋大學出版社, 2001.Schneider, I. Johannes Faulhaber 1580-1635: Rechenmeister in einer Welt des Umbruchs. 巴塞爾,瑞士: 伯克豪瑟出版社, 1993.Sloane, N. J. A. 序列 A000537 in "整數序列線上百科全書."

在 中被引用

費爾哈伯公式

請這樣引用

Weisstein, Eric W. "費爾哈伯公式。" 來自 —— 資源。 https://mathworld.tw/FaulhabersFormula.html

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