Фаулхаберова формула

Извор: testwiki
Пређи на навигацију Пређи на претрагу

Фаулхаберова формула представља суму:

k=1nkp=1p+2p+3p++np

Добила је име по немачком математичару Јохану Фаулхаберу. Формула се може представити преко Бернулијевих бројева као:

k=1nkm=1m+1k=0m(m+1k)Bknm+1k

Примери

1+2+3++n=n(n+1)2=n2+n2
12+22+32++n2=n(n+1)(2n+1)6=2n3+3n2+n6
13+23+33++n3=(n2+n2)2=n4+2n3+n24
14+24+34++n4=6n5+15n4+10n3n30
15+25+35++n5=2n6+6n5+5n4n212
16+26+36++n6=6n7+21n6+21n57n3+n42

Доказ

Дефинишемо ли суму

Sp(n)=k=1nkp.

Тада је:

Sp(1)=1
Sp(n+1)=Sp(n)+(n+1)p.

Покушајмо сада да Sp(n) изразимо у облику полинома:

k=0ap,knk+1

Уврстимо ли то у други израз у овом поглављу добијамо:

k=0ap,k(n+1)k+1=k=0ap,knk+1+(n+1)p

Користимо биномну теорему, па следи:

k=0ap,k[(j=0k+1(k+1j)nj)nk+1]=(n+1)p
k=0ap,kj=0k(k+1j)nj=j=0(pj)nj.

Двоструку суму на левој страни преуредимо узимајући у обзир Шаблон:Math:

j=0njk=j(k+1j)ap,k=j=0(pj)nj.

и коначно се добија:

k=j(k+1j)ap,k=(pj).

Десна страна је једнака нули за Шаблон:Math, па је онда ap,k=0 за Шаблон:Math. Обе стране једначине множимо са Шаблон:Math, па уз коришћење Поххамеровога симбола вреди:

k=jp(k+1)jap,k=(p)j
k=jp(k+1)t(k+1t)jtap,k=(p)t(pt)jt

Супституцијом Шаблон:Math и преуређењем добија се:

k=jtpt(k+1)jt[(k+t+1)t(p)tap,k+t]=(pt)jt.

односно:

(k+t+1)t(p)tap,k+t=apt,k.

За Шаблон:Math је:

ap,t=(p)t(t+1)tapt,0=(pt)apt,0t+1.

а то управо одговара Бернулијевим бројевима, тако да коначно добијамо:

k=1nkp=j=0p(pj)Bpjj+1nj+1

Веза са Бернулијевим полиномима

k=1nkp=Bp+1(n+1)Bp+1(0)p+1,

а ту су Bp(x) Бернулијеви полиноми.

Фаулхаберови полиноми

Фаулхабер је уочио да у случају непарнога p сума

1p+2p+3p++np

представља полином од

a=1+2+3++n=n(n+1)2.

Тако је нпр:

13+23+33++n3=a2;
15+25+35++n5=4a3a23;
17+27+37++n7=12a48a3+2a26;
19+29+39++n9=16a520a4+12a33a25;
111+211+311++n11=32a664a5+68a440a3+10a26.

Литература

Шаблон:Нормативна контрола