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阶乘数定理

王朝百科·作者佚名  2010-01-01
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猜想提出由fxccommercial 提出,系fxccommercial 本人发现并归纳整理成为一个新的数学定理猜想(2006.09.27)。这个公式描述的是,从大到小排列的n+1个等差数列,对每个数取n次方,用(-1)^n*C(n,k)做系数,实现奇偶项数的差项和,则这列数的和为n!,目前fxccommercial 已得到一个关于他的推论,经验证是正确的。历史上并没有人得到过类似的公式,可以认为它是人类对数学的又一个深刻的认识,但目前关于这个定理的证明尚无人能给出,笔者期待这个定理证明的解决。

约定∑_k=0_n 表示对从0到n的n+1项求和,则该定理表述为:

公式Ⅰ ∑_k=0_n (-1)^k*C(n,k)*(a-m*k)^n = m^n*n! (a,m属于R; n为正整数)

n^k:n的k 次方;

n!:n的阶乘;

C(n,k):组合数,表示n个元素里取k个元素的组合种类数。

定理证明我在几天前搜索阶乘数(完全的另外一个概念)时,看到了此词条,扫了一眼,和女友聊天时提到了该词条,第二天她告诉我原定理(a=0时)可以用等价概念的方法来证明,我整理了一下在此给出具体的证明过程。

首先,我们把原公式稍作修改:两边同时除以m^n,然后把因子(a/m-k)取相反数,使k的系数为正,最后令b=a/m,则公式Ⅰ等价化为:

公式Ⅱ ∑(-1)^(n-k)*C(n,k)*(k-b)^n = n! (n为正整数,∑是关于k从0到n求和,b是任意实数)

现在,我们来看另外一个问题:有n个数字,n个位置,则这n个数字可重复的排列在这n个位置上,其排列数为n^n,我们把所有的这些排列看成一个总的集合T。设Ai 表示不包含数字i 的所有排列组成的集合,则容易得Ai 的大小 |Ai | = (n-1)^n,1=< i <=n。设集合F是这n个Ai 补集的交集,即F=∩¬Ai,则在这里F正好表示的是n个数字全排列组成的集合(大小为n!)。利用摩根公式有:

公式Ⅲ F=∩¬Ai=¬(∪Ai)=T(∪Ai) ,∩、∪是关于i 从1到n求交、并。

我们来看集合∪Ai 的大小,根据集合的容斥原理有:

|∪Ai | = ∑ |Ai | - ∑ |Ai ∩Aj | + ∑ |Ai ∩Aj ∩Ak | - ... + (-1)^(n-1)* |A1 ∩A2 ∩...∩An |

∑ |Ai ∩Aj |,Ai ∩Aj 表示不包含i 和j 这两个数字的排列(大小为(n-2)^n),则∑ |Ai ∩Aj | = C(n,2)*(n-2)^n,同样的也可得出其他项的数值,所以:

|∪Ai | = C(n,1)*(n-1)^n - C(n,2)*(n-2)^n +...+ (-1)^(n-1)*C(n,n)*0^n = ∑(-1)^(n-1-k)*C(n,k)*k^n ,∑是关于k从0到n-1求和。

对公式Ⅲ两边求集合大小:

n! = |F | = |T(∪Ai) | = |T | - |∪Ai | = ∑(-1)^(n-k)*C(n,k)*k^n ,∑是关于k从0到n求和。

这就证明了公式Ⅱ b=0时的情形,下面证明一般情况。

设函数f(n,r)=∑(-1)^(n-k)*C(n,k)*k^r ,其中r 为非负整数,上面的证明已经得到当r =n时,f(n,r)=n!,下面我们来证明当0=< r <= n-1时,f(n,r)=0。方法和上面的方法相同,只是我们现在考虑的不是有n个位置,而是有r 个位置且r <= n-1,我们可以得到:

f(n,r) =∑(-1)^(n-k)*C(n,k)*k^r = |F |

那么,根据鸽笼原理:在r <=n-1个位置放这n个数字,则至少有两个数字相同,而集合F中的元素(排列)各个位置的数字是要互异的,也就是说集合F为空集,则|F | = 0,即f(n,r)=0。

现在我们将公式Ⅱ的(k-b)^n用二项式定理展开,第一项不含有b求和后等于n!,而k的次数r 小于等于n-1的那些项求和含有因子f(n,r)=0,因而和b的值无关,就此得到最终结果:∑(-1)^(n-k)*C(n,k)*(k-b)^n = n! (n为正整数,∑是关于k从0到n求和,b是任意实数)。

证毕

 
 
 
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