Faulhaber 公式的证明
Faulhaber 公式提供了一种计算前 n 个正整数 p 次方之和的方法。
设 n,p∈Z>0 为(严格)正整数。
则:
k=1∑nkp=p+11i=0∑p(−1)i(ip+1)Binp+1−i=p+1np+1−1!B1⋅np+2!B2⋅p⋅np−1+4!B4⋅p⋅(p−1)⋅(p−2)⋅np−3+⋯其中:
- Bi 表示第 i 个 Bernoulli 数(伯努利数)。
设 x≥0。
k=0∑n−1ekx=k=0∑n−1p=0∑∞p!(kx)p=p=0∑∞(k=0∑n−1kp)p!xp我们还有:
k=0∑n−1ekx=1−ex1−enx等比数列求和
=xenx−1ex−1x分子分母同乘 x
=x1(p=0∑∞p!(nx)p−1)p=0∑∞p!BpxpBernoulli 数的定义与指数函数的幂级数展开
=x1(p=1∑∞p!(nx)p)p=0∑∞p!Bpxp0 的阶乘与零次幂
=x1(p=0∑∞(p+1)!(nx)p+1)p=0∑∞p!Bpxp求和指标变量的平移
=p=0∑∞(p+1)!np+1xpp=0∑∞p!Bpxp乘积的幂
=p=0∑∞i=0∑p(p+1−i)!i!np+1−ixp−iBinp+1−ixpCauchy 乘积的定义
=p=0∑∞(p+11i=0∑p(ip+1)Binp+1−i)p!xp乘以 1 与幂的乘积
k=0∑n−1kp=p+11i=0∑p(ip+1)Binp+1−i二项式系数的定义
⟹k=1∑nkp=p+11i=0∑p(−1)i(ip+1)Binp+1−i比较系数:
k=0∑n−1kp=p+11i=0∑p(ip+1)Binp+1−i⟹k=0∑n−1kp+np=p+11i=0∑p(ip+1)Binp+1−i+(p+11(1p+1)np)两边加上 np,并利用二项式系数取一的恒等式
⟹k=1∑nkp=p+11i=0∑p(−1)i(ip+1)Binp+1−i因为 B1=−21 且奇数指标 Bernoulli 数均为零
证毕