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代数/本书课文/求和/组合数求和

维基教科书,自由的教学读本

利用组合数的性质可以构造出求和公式。

二项式定理

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∑k=0nCknxn−kyk=(x+y)n

Example
Example
例子:

∑k=0nCkn=2n

朱世杰恒等式

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∑k=mnCmk=Cm+1n+1

证明朱世杰恒等式

∑k=mnCmk=Cmm+Cmm+1+Cmm+2+…+Cmn=Cm+1m+1+Cmm+1+Cmm+2+…+Cmn=Cm+1m+2+Cmm+2+…+Cmn=Cm+1m+3+…+Cmn=Cm+1n+1

在方幂和上的应用

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把多项式转化为组合数,再用朱世杰恒等式求和。[1]

例子:∑k=1nk2

∑k=1nk2=∑k=1n(k2−k+k)
=∑k=1n(2C2k+C1k)=2C3n+1+C2n+1

求多项式的和

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将多项式转化为组合数的过程一般化,对一个多项式求和有如下公式:

证明:∑k=1np(k)=(C1nC2n⋯Cm+1n)(C000⋯0−C01C11⋯0⋮⋮⋱⋮(−1)mC0m(−1)m−1C1m⋯Cmm)(p(1)p(2)⋮p(m+1))[2][3][4]
m=deg⁡(p)

p(k)为m阶多项式,待定成组合数:

p(k)=(C0k−1C1k−1⋯Cmk−1)(a1a2⋮am+1)

代入k=1,2,…,m+1,得到:

(p(1)p(2)⋮p(m+1))=(C000⋯0C01C11⋯0⋮⋮⋱⋮C0mC1m⋯Cmm)(a1a2⋮am+1)

帕斯卡矩阵的逆等于自身交错地加上负号,于是可直接求出待定系数:

(a1a2⋮am+1)=(C000⋯0−C01C11⋯0⋮⋮⋱⋮(−1)mC0m(−1)m−1C1m⋯Cmm)(p(1)p(2)⋮p(m+1))

p(k)=(C0k−1C1k−1⋯Cmk−1)(C000⋯0−C01C11⋯0⋮⋮⋱⋮(−1)mC0m(−1)m−1C1m⋯Cmm)(p(1)p(2)⋮p(m+1))
∑k=1np(k)=(C1nC2n⋯Cm+1n)(C000⋯0−C01C11⋯0⋮⋮⋱⋮(−1)mC0m(−1)m−1C1m⋯Cmm)(p(1)p(2)⋮p(m+1))

乘出来的结果也刚好是多项式各阶差分在点1的值。

证明:∑k=1np(k)=∑j=1m+1CjnΔj−1p(1)[5]
m=deg⁡(p),Δp(n)=p(n+1)−p(n)

设p(k)=∑j=0majCjk−1=a0+a1C1k−1+a2C2k−1+…+amCmk−1

p(1)=a0

ΔClk=Clk+1−Clk=Cl−1k

Δjp(k)=aj+aj+1C1k−1+aj+2C2k−1+…+amCm−jk−1

Δjp(1)=aj

p(k)=∑j=0mCjk−1Δjp(1)

∑k=1np(k)=∑j=0mCj+1nΔjp(1)=∑j=1m+1CjnΔj−1p(1)

Example
Example
例子:

∑i=1ni1=(C1nC2n)(10−11)(12)=C1n+C2n

p(k)=k,Δp(k)=1
p(1)=1,Δp(1)=1,∑k=1nk=C1n+C2n

∑i=1n[a+d(i−1)]=(C1nC2n)(10−11)(aa+d)=aC1n+dC2n(等差数列求和)

p(k)=a+d(k−1),Δp(k)=d
p(1)=a,Δp(1)=d,∑k=1n[a+d(k−1)]=aC1n+dC2n

∑i=1ni2=(C1nC2nC3n)(100−1101−21)(122232)=C1n+3C2n+2C3n

p(k)=k2,Δp(k)=2k+1,Δ2p(k)=2
p(1)=1,Δp(1)=3,Δ2p(1)=2,∑k=1nk2=C1n+3C2n+2C3n

∑i=1ni3=(C1nC2nC3nC4n)(1000−11001−210−13−31)(13233343)=C1n+7C2n+12C3n+6C4n

p(k)=k3,Δp(k)=3k2+3k+1,Δ2p(k)=3(2k+1)+3=6k+6,Δ3p(k)=6,∑k=1nk3=C1n+7C2n+12C3n+6C4n

∑i=1ni4=(C1nC2nC3nC4nC5n)(10000−110001−2100−13−3101−46−41)(1424344454)=C1n+15C2n+50C3n+60C4n+24C5n

∑i=1ni5=(C1nC2nC3nC4nC5nC6n)(100000−1100001−21000−13−31001−46−410−15−1010−51)(152535455565)=C1n+31C2n+180C3n+390C4n+360C5n+120C6n

∑i=1n(2i−1)2=(C1nC2nC3n)(100−1101−21)(123252)=C1n+8C2n+8C3n

∑i=1n(3i−2)3=(C1nC2nC3nC4n)(1000−11001−210−13−31)(134373103)=C1n+63C2n+216C3n+162C4n

∑i=1n(i3+2i+1)=(C1nC2nC3nC4n)(1000−11001−210−13−31)(4133473)=4C1n+9C2n+12C3n+6C4n

范德蒙恒等式

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∑k=0nCkaCn−kb=Cna+b

证明范德蒙恒等式

甲班有a个同学,乙班有b个同学,从两个班中选出n名有Cna+b种方法。
从甲班选k名,从乙班选n-k名有CkaCn−kb种方法,考虑所有情况k=0,1,...,n,从两个班中选出n名有∑k=0nCkaCn−kb种方法。[6]

参考资料

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  1. ↑ 田达武. 朱世杰恒等式及其应用. 数学教学通讯. 2009, (36). 
  2. ↑ 陶家元. 高阶等差数列的前n项求和. 成都大学学报(自然科学版). 1999, (1). 
  3. ↑ 黄婷 车茂林 彭杰 张莉. 自然数幂和通项公式证明的新方法. 内江师范学院学报. 2011, (8). 
  4. ↑ 黄嘉威. 方幂和及其推广和式. 数学学习与研究. 2016, (7). 
  5. ↑ Károly Jordán. Calculus of Finite Differences (PDF). 1950. 
  6. ↑ 李松槐 杨伏香. 用数学模型证明范得蒙(Vandermonde)恒等式. 河南教育学院学报(自然科学版). 1999, (2).