平方数列、立方数列求和公式与推导

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平方数列、立方数列求和公式与推导

2024-07-12 02:02:56| 来源: 网络整理| 查看: 265

平方数列、立方数列之求和 平方和

1 2 + 2 2 + ⋯ + n 2 = n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 6 1^2+2^2+\cdots+n^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}6 12+22+⋯+n2=6n(n+1)(2n+1)​

推导:(利用立方差公式) n 3 − ( n − 1 ) 3 = 1 × [ n 2 + n ( n − 1 ) + ( n − 1 ) 2 ] = 2 n 2 + ( n − 1 ) 2 − n n^3-(n-1)^3=1\times[n^2+n(n-1)+(n-1)^2]=2n^2+(n-1)^2-n n3−(n−1)3=1×[n2+n(n−1)+(n−1)2]=2n2+(n−1)2−n 由此得到 2 3 − 1 3 = 2 × 2 2 + 1 2 − 2 3 3 − 2 3 = 2 × 3 2 + 2 2 − 3 ⋮ n 3 − ( n − 1 ) 3 = 2 n 2 + ( n − 1 ) 2 − n \begin{aligned} 2^3-1^3&=2\times2^2+1^2-2\\ 3^3-2^3&=2\times3^2+2^2-3\\ &\vdots\\ n^3-(n-1)^3&=2n^2+(n-1)^2-n\\ \end{aligned} 23−1333−23n3−(n−1)3​=2×22+12−2=2×32+22−3⋮=2n2+(n−1)2−n​ 上式两边分别相加得到:

(记 I = 1 2 + 2 2 + ⋯ + n 2 I=1^2+2^2+\cdots+n^2 I=12+22+⋯+n2) n 3 − 1 3 = 2 ( 2 2 + 3 2 + ⋯ + n 2 ) + [ 1 2 + 2 2 + ⋯ + ( n − 1 ) 2 ] − ( 2 + 3 + ⋯ + n ) = 2 I − 2 + I − n 2 − n ( 1 + n ) 2 + 1 = 3 I − 1 − 3 2 n 2 − n 2 = 3 I − 3 n 2 + n + 2 2 \begin{aligned} n^3-1^3 &=2(2^2+3^2+\cdots+n^2)+[1^2+2^2+\cdots+(n-1)^2]-(2+3+\cdots+n)\\ &=2I-2+I-n^2-\frac{n(1+n)}{2}+1\\ &=3I-1-\frac32n^2-\frac n2\\ &=3I-\frac{3n^2+n+2}{2} \end{aligned} n3−13​=2(22+32+⋯+n2)+[12+22+⋯+(n−1)2]−(2+3+⋯+n)=2I−2+I−n2−2n(1+n)​+1=3I−1−23​n2−2n​=3I−23n2+n+2​​ 于是 3 I = n 3 + 3 n 2 + n 2 ⟹ I = 2 n 3 + 3 n 2 + n 6 = n ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 6 . 3I=n^3+\frac{3n^2+n}2\Longrightarrow I=\frac{2n^3+3n^2+n}6=\frac{n(n+1)(2n+1)}6. 3I=n3+23n2+n​⟹I=62n3+3n2+n​=6n(n+1)(2n+1)​.

立方和

1 3 + 2 3 + ⋯ + n 3 = [ n ( n + 1 ) 2 ] 2 = n 4 + 2 n 3 + n 2 4 1^3+2^3+\cdots+n^3=\left[\frac{n(n+1)}{2}\right]^2=\frac{n^4+2n^3+n^2}4 13+23+⋯+n3=[2n(n+1)​]2=4n4+2n3+n2​

同样地,根据 n 4 − ( n − 1 ) 4 = [ n 2 + ( n − 1 ) 2 ] × [ n 2 − ( n − 1 ) 2 ] = 4 n 3 − 6 n 2 + 4 n − 1 n^4-(n-1)^4=[n^2+(n-1)^2]\times[n^2-(n-1)^2]=4n^3-6n^2+4n-1 n4−(n−1)4=[n2+(n−1)2]×[n2−(n−1)2]=4n3−6n2+4n−1 得到 2 4 − 1 4 = 4 ⋅ 2 3 − 6 ⋅ 2 2 + 4 ⋅ 2 − 1 3 4 − 2 4 = 4 ⋅ 3 3 − 6 ⋅ 3 2 + 4 ⋅ 3 − 1 ⋮ n 4 − ( n − 1 ) 4 = 4 n 3 − 6 n 2 + 4 n − 1 \begin{aligned} 2^4-1^4&=4\cdot2^3-6\cdot2^2+4\cdot2-1\\ 3^4-2^4&=4\cdot3^3-6\cdot3^2+4\cdot3-1\\ &\vdots\\ n^4-(n-1)^4&=4n^3-6n^2+4n-1 \end{aligned} 24−1434−24n4−(n−1)4​=4⋅23−6⋅22+4⋅2−1=4⋅33−6⋅32+4⋅3−1⋮=4n3−6n2+4n−1​ 上面各式左右两边分别相加,得到

(记 J = 1 3 + 2 3 + ⋯ + n 3 J=1^3+2^3+\cdots+n^3 J=13+23+⋯+n3) n 4 − 1 4 = 4 J − 4 − 6 I + 6 + 4 n ( n + 1 ) 2 − 4 − ( n − 1 ) = 4 J − 6 I − 1 + 2 n 2 + n = 4 J − 2 n 3 − n 2 − 1 \begin{aligned} n^4-1^4 &=4J-4-6I+6+\frac{4n(n+1)}2-4-(n-1)\\ &=4J-6I-1+2n^2+n\\ &=4J-2n^3-n^2-1 \end{aligned} n4−14​=4J−4−6I+6+24n(n+1)​−4−(n−1)=4J−6I−1+2n2+n=4J−2n3−n2−1​ 所以 J = n 4 + 2 n 3 + n 2 4 = [ n ( n + 1 ) 2 ] 2 . J=\frac{n^4+2n^3+n^2}4=\left[\frac{n(n+1)}{2}\right]^2. J=4n4+2n3+n2​=[2n(n+1)​]2.



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