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费尔哈伯公式


在 1631 年出版的稀有著作《代数学院》(Academiae Algebrae) 中,J. 费尔哈伯发表了关于前 n正整数幂和的若干公式。关于费尔哈伯著作的详细分析可以在 Knuth (1993) 以及经过少量修订的 Knuth (2001) 中找到。

在费尔哈伯提出的结果中(没有说明这些结果是如何推导出来的),有奇次幂的和

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。虽然费尔哈伯认为对于所有幂 p,以 N 为变量且符号交替的类似多项式将继续存在,但雅可比 (Jacobi) (1834; Knuth 1993) 首次发表了严格的证明。

求和公式 sum_(k=1)^(n)k^3=N^2 有时被称为尼科马科斯定理

n 直接表示幂为 p=1, ..., 10 的这些和,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)

虽然费尔哈伯没有意识到(也没有发现)伯努利数调和数,但 k 从 1 到 nk^p 次幂和的一般公式可以用闭合形式给出,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) 是广义调和数delta_(ip)克罗内克 delta(n; i)二项式系数,B_i 是第 i伯努利数

在他的著作中,费尔哈伯还考虑并(正确地)声称,当 p=1 3, 5, ... 时,1^p, 2^p, ..., n^pr 重求和是 n(n+r) 的多项式。更多细节由 Knuth (1993, 2001) 给出。

这些幂和中的任何一个都可以称为“费尔哈伯和”。


另请参阅

调和数, 尼科马科斯定理, , 幂和, 平方三角数,

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参考文献

Conway, J. H. and Guy, R. K. The Book of Numbers. 纽约: 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. 普林斯顿,新泽西州: 普林斯顿大学出版社, 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. 剑桥,英格兰: 剑桥大学出版社, 2001.Schneider, I. Johannes Faulhaber 1580-1635: Rechenmeister in einer Welt des Umbruchs. 巴塞尔,瑞士: 伯克豪瑟出版社, 1993.Sloane, N. J. A. 序列 A000537 in "整数序列在线百科全书."

在 Wolfram|Alpha 中被引用

费尔哈伯公式

请这样引用

Weisstein, Eric W. "费尔哈伯公式。" 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/FaulhabersFormula.html

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