自然数等幂求和问题与 Bernoulli 数
摘 要 本文主要介绍以下的自然数等幂求和问题
i=1∑nik=1k+2k+⋯+nk
我们已经知道
S0S1S2S3=∑i0=∑i1=∑i2=∑i3=n=2n(n+1)=6n(n+1)(2n+1)=(2n(n+1))2=n=21n2+21n=31n3+21n2+61n=41n4+21n3+41n2
1 Sn 的递推公式
据 Newton 二项式展开定理有
(m−1)ℓ=mℓ−Cℓ1mℓ−1+Cℓ2mℓ−2−⋯+(−1)ℓ−1Cℓℓ−1m+(−1)ℓ
移项, 得
mℓ−(m−1)ℓ=Cℓ1mℓ−1−Cℓ2mℓ−2+⋯−(−1)ℓ−1Cℓℓ−1m−(−1)ℓ
m 取遍 1,2,⋯,n 得到 n 条等式, 所有等式两边相加, 得到式(*)
nℓ=Cℓ1Sℓ−1−Cℓ2Sℓ−2+⋯−(−1)ℓ−1Cℓℓ−1S1−(−1)ℓS0
移项,得
Sℓ−1=ℓ1(nℓ+Cℓ2Sℓ−2−⋯+(−1)ℓ−1Cℓℓ−1S1+(−1)ℓS0)
2 递推公式的矩阵写法
在式(*)中将 n 取遍 1,2,⋯,k, 得到一个由 k 条方程组成的方程组
n1n2n3n4⋯nk=====−−∗S0S0S0S0S0+2−3+4+∗S1S1S1S1+3−6+∗S2S2S2+4+∗S3S3+⋯+kSk−1
写成矩阵形式
n1n2n3n4⋮nk=1−11−1⋮∗2−34⋮∗3−6⋮∗4⋮∗⋱⋯kS0S1S2S3⋮Sk−1
不妨简写为
n=AS
其中矩阵 A=(aij)n×n 中隐藏了一个杨辉三角
P=1111⋮1234⋮k36⋮Ck24⋮Ck3⋱⋯k=(pij)n×n
即
aij=(−1)i−jpij,pij={Cij−1,0,i≥ji<j
这里直接给出 A 的逆
A−1=11/21/60−1/30⋮∗1/21/21/40⋮∗1/31/21/3⋮∗1/41/2⋮∗1/5⋮∗⋱⋯1/k
而 S=A−1n, 即是说根据 A−1 的元素可以得到一系列等幂求和公式
S0S1S2S3S4⋯Sk−1======2161−301∗nnn0nn+21+21+41++∗n2n2n20n2++++31n321n331n3∗n3+++41n421n4∗n4++51n5∗n5+⋯+k1nk
3 对 A−1 的观察
现将上述求和式降幂排列
S0S1S2S3S4⋯Sk−1======21314151k1nn2n3n4n5nk+21+21+21+21+∗nn2n4n4nk−1++++∗61n41n231n3nk−2+++∗00nk−3−301+∗nnk−4+⋯+∗n
现抽离出系数, 记作矩阵 U=(uij)n×n. 记 T=(tij)n×n:=A−1, 则有 uij=ti,i−j+1. U 矩阵即
U=11/21/31/41/51/61/7⋮1/k1/21/21/21/21/21/2⋮∗1/61/41/35/121/2⋮∗0000⋮0−1/30−1/12−1/6⋮∗00⋮01/42⋮∗⋱⋯∗
注意到 U 的各元素可以分解成三数之积
U=1⋅1⋅121⋅1⋅131⋅1⋅141⋅1⋅151⋅1⋅161⋅1⋅171⋅1⋅1⋮k1⋅1⋅121⋅2⋅2131⋅3⋅2141⋅4⋅2151⋅5⋅2161⋅6⋅2171⋅7⋅21⋮∗31⋅3⋅6141⋅6⋅6151⋅10⋅6161⋅15⋅6171⋅21⋅61⋮∗41⋅4⋅051⋅10⋅061⋅20⋅071⋅35⋅0⋮∗51⋅5⋅−30161⋅15⋅−30171⋅35⋅−301⋮∗61⋅6⋅071⋅21⋅0⋮∗71⋅7⋅421⋮∗⋱⋯∗
对于 uij, 第一个数是 1/i, 第二个数是前述杨辉三角矩阵的元素 pij, 第三个数是仅与列号 j 有关的数. 记 Bernoulli 数
B0=1, B1=21, B2=61, B3=0, B4=−301, B5=0, B6=421, ⋯
则 uij=i1×pij×Bj−1. 注意到 Si−1 中 ℓ 次项的系数是 ui,i−ℓ+1. 所以
Sk−1=ℓ=1∑iuk,k−ℓ+1nℓ=ℓ=1∑ik1pk,k−ℓ+1Bk−ℓnℓ=k1(ℓ=1∑kCkk−ℓBk−ℓnℓ)=k1(ℓ=0∑kCkℓBk−ℓnℓ−Bk)
上述使用了一个形式上的幂记号 Bn:=Bn. 容易发现上式其实是 Newton 二项式定理的形式, 于是有
i=1∑nik−1=k(B+n)k−Bk
例如取 k=3 时有
∑i2=3B0n3+3B1n2+3B2n+B3−B3=3n3+3n2/2+n/2=31n3+21n2+61n
4 Bernoulli 数的分析学定义
(未完成)
附录 A 部分 Bernoulli 数
B0B6B14=1=421=67B1B8B16=21=−301=−5103617B2B10B18=61=665=79843867B4B12B20=−301=−2730691=−330174611
B2k+1=0, k=1,2,⋯