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三角形数


TriangularNumber

三角形数 T_n 是一个 图形数,可以用三角形点阵的形式表示,其中第一行包含一个元素,随后的每一行都比前一行多一个元素。上面以 T_1=1T_2=3、... 为例进行了说明。因此,三角形数是 1、 1+21+2+31+2+3+4、...,因此对于 n=1、2、...,前几个是 1, 3, 6, 10, 15, 21, ... (OEIS A000217)。

更正式地说,三角形数是通过将所有小于或等于给定正整数 n 的正整数相加而获得的数,即,

T_n=sum_(k=1)^(n)k
(1)
=1/2n(n+1)
(2)
=(n+1; 2),
(3)

其中 (n; k) 是一个 二项式系数。因此,一群 n 人之间可以发出的不同碰杯声的数量(这仅仅是 (n; 2))由三角形数 T_(n-1) 给出。

因此,三角形数 T_n=n+(n-1)+...+2+1阶乘 n!=n·(n-1)...2·1 的加法模拟。

Binary representation of the triangular numbers

上面显示了表示为二进制位的序列的前几个三角形数的图。顶部部分显示了 T_1T_(255),底部显示了接下来的 510 个值。

奇数三角形数由 1, 3, 15, 21, 45, 55, ... (OEIS A014493) 给出,而偶数三角形数是 6, 10, 28, 36, 66, 78, ... (OEIS A014494)。

T_4=10 给出了 四面体数 的数量和排列(这也是 保龄球 瓶的排列),而 T_5=15 给出了 台球 中球的数量和排列。三角形数满足 递推关系

 T_(n+1)^2-T_n^2=(n+1)^3,
(4)

以及

T_n^2+T_(n-1)^2=T_(n^2)
(5)
3T_n+T_(n-1)=T_(2n)
(6)
3T_n+T_(n+1)=T_(2n+1)
(7)
1+3+5+...+(2n-1)=T_n+T_(n-1).
(8)
TriangleSquare

此外,三角形数可以通过以下方式与平方数关联:

(2n+1)^2=8T_n+1
(9)
=T_(n-1)+6T_n+T_(n+1)
(10)

(Conway 和 Guy 1996),如上图所示(Wells 1991,第 198 页)。

三角形数的普通 生成函数

f(x)=x/((1-x)^3)
(11)
=x+3x^2+6x^3+10x^4+15x^5+...
(12)

指数生成函数

g(x)=(1+2x+1/2x^2)e^x
(13)
=1+3x+3x^2+5/3x^3+5/8x^4+...
(14)
=1+3x/(1!)+6(x^2)/(2!)+10(x^3)/(3!)+15(x^4)/(4!)+...
(15)

(Sloane 和 Plouffe 1995,第 9 页)。

每隔一个三角形数 T_n 都是一个 六边形数,其中

 H_n=T_(2n-1).
(16)

此外,每个 五边形数 都是三角形数的 1/3,其中

 P_n=1/3T_(3n-1).
(17)

连续三角形数的和是一个 平方数,因为

T_r+T_(r-1)=1/2r(r+1)+1/2(r-1)r
(18)
=1/2r[(r+1)+(r-1)]
(19)
=r^2.
(20)

涉及三角形数、平方数立方数 的有趣恒等式有

sum_(k=1)^(2n-1)(-1)^(k+1)T_k=n^2
(21)
sum_(k=1)^(n)k^3=T_n^2
(22)
=1/4n^2(n+1)^2
(23)
sum_(k=1)^(n)(2k-1)^3=T_(2n^2-1)
(24)
=n^2(2n^2-1).
(25)

三角形数也意外地出现在涉及 绝对值 形式 的积分中

 int_0^1int_0^1|x-y|^ndxdy=2/((n+1)(n+2)).
(26)

所有 偶数 完全数 都是三角形数 T_p,其中 素数 p。此外,每个 偶数 完全数 P>6 都是 形式

 P=1+9T_n=T_(3n+1),
(27)

其中 T_n 是一个三角形数,其中 n=8j+2 (Eaton 1995, 1996)。因此,嵌套表达式

 9(9...(9(9(9(9T_n+1)+1)+1)+1)...+1)+1
(28)

为任何 T_n 生成三角形数。一个 整数 k 是一个三角形数 当且仅当 8k+1 是一个 平方数 >1

数字 1, 36, 1225, 41616, 1413721, 48024900, ... (OEIS A001110) 是 平方三角形数,即同时是三角形数和 平方数 的数字 (Pietenpol 1962)。相应的平方根是 1, 6, 35, 204, 1189, 6930, ... (OEIS A001109),并且相应的三角形数 T_n 的索引是 n=1、8、49、288、1681、... (OEIS A001108)。

同时是三角形数和 四面体数 的数字满足 二项式系数 方程

 T_n=(n+1; 2)=(m+2; 3)=Te_m,
(29)

其唯一的解是

Te_3=T_4=10
(30)
Te_8=T_(15)=120
(31)
Te_(20)=T_(55)=1540
(32)
Te_(34)=T_(119)=7140
(33)

(Guy 1994,第 147 页)。

下表给出了具有素数索引 p 的三角形数 T_p

类别Sloane序列
具有素数索引的 T_nA0349533, 6, 15, 28, 66, 91, 153, 190, 276, 435, 496, ...
具有素数索引的奇数 T_nA0349543, 15, 91, 153, 435, 703, 861, 1431, 1891, 2701, ...
具有素数索引的偶数 T_nA0349556, 28, 66, 190, 276, 496, 946, 1128, 1770, 2278, ...

根据 Cesàro 在 1886 年的确定 (Le Lionnais 1983, p. 56),使得 n^3-13 是三角形数四倍的两个 整数 中最小的是 5。唯一是三角形数的 斐波那契数 是 1、3、21 和 55 (Ming 1989),唯一是三角形数的 佩尔数 是 1 (McDaniel 1996)。野兽数 666 是三角形数,因为

 T_(6·6)=T_(36)=666.
(34)

事实上,它是最大的 重覆数字 三角形数 (Bellew 和 Weger 1975-76)。

4T(n)+1 的正除数都具有 4k+1 的形式,6T(n)+1 的正除数都具有 6k+1 的形式,而 10T(n)+1 的正除数都具有 10k+/-1 的形式;也就是说,它们的十进制数字以 1 或 9 结尾。

费马多边形数定理 指出,每个 正整数 都是至多三个三角形数、四个 平方数、五个 五边形数nn-多边形数 的和。高斯证明了三角形的情况 (Wells 1986, p. 47),并在 1796 年 7 月 10 日在他的日记中记录了这一事件,并带有符号

 **EUpsilonRHKA    num=Delta+Delta+Delta.
(35)

这种情况等同于每个 形式8m+3 的数都是三个 奇数 平方数 的和的陈述 (Duke 1997)。狄利克雷推导出了一个 整数 m 可以表示为三个三角形数之和的方式的数量 (Duke 1997)。对于 形式8m+3素数,结果特别简单,在这种情况下,它是平方模 8m+3 的数量减去从 1 到 4m+1区间 内的非平方模 8m+3 的数量 (Deligne 1973, Duke 1997)。

唯一是三个连续 整数乘积 的三角形数是 6, 120, 210, 990, 185136, 258474216 (OEIS A001219; Guy 1994, p. 148)。


另请参阅

保龄球, 立方三角形数, 图形数, 七边形三角形数, 八边形三角形数, 五边形三角形数, 普洛尼克数, 平方三角形数, 四面体数

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Ball, W. W. R. 和 Coxeter, H. S. M. Mathematical Recreations and Essays, 13th ed. New York: Dover, p. 59, 1987.Bellew, D. W. 和 Weger, R. C. "Repdigit Triangular Numbers." J. Recr. Math. 8, 96-97, 1975-76.Conway, J. H. 和 Guy, R. K. The Book of Numbers. New York: Springer-Verlag, pp. 33-38, 1996.Deligne, P. "La Conjecture de Weil." Inst. Hautes Études Sci. Pub. Math. 43, 273-308, 1973.Dudeney, H. E. Amusements in Mathematics. New York: Dover, pp. 67 和 167, 1970.Duke, W. "Some Old Problems and New Results about Quadratic Forms." Not. Amer. Math. Soc. 44, 190-196, 1997.Eaton, C. F. "Problem 1482." Math. Mag. 68, 307, 1995.Eaton, C. F. "Perfect Number in Terms of Triangular Numbers." Solution to Problem 1482. Math. Mag. 69, 308-309, 1996.Guy, R. K. "Sums of Squares" 和 "Figurate Numbers." §C20 和 §D3 in Unsolved Problems in Number Theory, 2nd ed. New York: Springer-Verlag, pp. 136-138 和 147-150, 1994.Hindin, H. "Stars, Hexes, Triangular Numbers and Pythagorean Triples." J. Recr. Math. 16, 191-193, 1983-1984.Hobson, N. "Triangular Numbers." http://www.qbyte.org/puzzles/p149s.html#triangular.Le Lionnais, F. Les nombres remarquables. Paris: Hermann, p. 56, 1983.McDaniel, W. L. "Triangular Numbers in the Pell Sequence." Fib. Quart. 34, 105-107, 1996.Ming, L. "On Triangular Fibonacci Numbers." Fib. Quart. 27, 98-108, 1989.Pappas, T. "Triangular, Square & Pentagonal Numbers." The Joy of Mathematics. San Carlos, CA: Wide World Publ./Tetra, p. 214, 1989.Pietenpol, J. L. "Square Triangular Numbers." Amer. Math. Monthly 169, 168-169, 1962.Ram, R. "Triangle Numbers that are Perfect Squares." http://users.tellurian.net/hsejar/maths/triangle/.Satyanarayana, U. V. "On the Representation of Numbers as the Sum of Triangular Numbers." Math. Gaz. 45, 40-43, 1961.Sloane, N. J. A. Sequences A000217/M2535, A001108/M4536, A001109/M4217, A001110/M5259, A001219, A014493, A014494, A034953, A034955, and A034955 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Sloane, N. J. A. 和 Plouffe, S. The Encyclopedia of Integer Sequences. San Diego, CA: Academic Press, 1995.Trotter, T. Jr. "Some Identities for the Triangular Numbers." J. Recr. Math. 6, 128-135, 1973.Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Numbers. Middlesex, England: Penguin Books, pp. 47-48, 1986.Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Geometry. London: Penguin, p. 199, 1991.

在 Wolfram|Alpha 上引用

三角形数

请引用为

Weisstein, Eric W. "三角形数。" 来自 MathWorld--一个 Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/TriangularNumber.html

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