TAOCP 1 2 1 8 習題8的證明

2022-08-30 04:39:12 字數 2078 閱讀 2876

(a):

首先要把要證明的東西泛化,記$n^3$ = f(n)。通過觀察n=3時的取值,1,3,5,7,9,11,13,f(3)是前6個奇數的和減去前3個奇數的和。

f(n)就是前n(n+1)/2個奇數的和,減去前(n-1)n/2個奇數的和。求前k個奇數的和比較簡單,(1 + 2k - 1) k / 2 = $k^2$,這也是本節eq(2)的結論。於是:

$f(n) = [n(n + 1) / 2]^2 - [(n - 1)n / 2]^2 = ((n^2) / 4) ((n + 1)^2 - (n - 1)^2) = ((n^2) / 4) 4n = n^3$

暈,這不轉一圈又轉回來,直接推導證明了嗎。怎麼用數學歸納法證明呢?沒想出來,只好看答案。 

(b):

計算f(1) + f(2) + $\cdots$ + f(n - 1) + f(n)更簡單了,有前後項抵消:

$1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = [n(n + 1) / 2]^2 - [(1 - 1)1 / 2]^2 = (n(n + 1) / 2)^2$

括號裡是前n項求和公式,也得證。

(a):

第一步仍是泛化,不過不是使用兩列相減的方法,而試圖找出f(n)中的第一項,進而寫出f(n)的所有項。 f(n)的第一項是第(n - 1)n / 2 + 1個奇數,第k個奇數的值是2k - 1,所以f(n)中第一項是$(n - 1)n + 2 - 1 = n(n - 1) + 1 = n^2 - n + 1$ 。進而可得f(n)的最後一項是 $(n + 1)^2 - (n + 1) + 1 - 2 = n^2 + 2n + 1 - n - 2 = n^2 + n - 1$ 。所以f(n)就是這n個數的和:

$f(n) = (n^2 - n + 1) + \cdots + (n^2 + n - 1) = (n^2 - n + 1 + n^2 + n - 1) n / 2 = n^3$

又推導出來了。不過答案就是答案,又用了數學歸納法證明,其實就是只寫出第一步的等式,不繼續推導嘛。

n = 1時,f(1) = 1,成立。

n > 1時,f(n + 1) = $((n + 1)^2 - (n + 1) + 1) + \cdots + ((n + 1)^2 + (n + 1) - 1)$,注意這裡是n + 1項了。

f(n + 1)中的每一項:$(n + 1)^2 - (n + 1) = n^2 + n$,都比f(n)中的對應項:$n^2 - n$,大2n,由此建立了f(n + 1)與f(n)的關係。

$f(n + 1) = f(n) + 2n * n + ((n + 1)^2 + (n + 1) - 1) = n^3 + 2n^2 + (n^2 + 3n + 1) = (n + 1)^3$

得證。(b):

$f(1) + \cdots + f(n)$ = 前n(n + 1) / 2個奇數的和 = $(n(n + 1) / 2)^2$ = $(1 + \cdots + n)^2$

再次使用了eq.(2):前k個奇數的和是$k^2$。

令最小的正方形的邊長為1,那麼從中心向外,正方形的邊長依次是:1,2,3,4,5。邊長為n的那一圈,每邊有n + 1個正方形。整個正方形的邊長有兩種表示方法:

(1) 以最外層計算,side = n(n + 1)

(2) 從最外層開始,每層取乙個正方形,依次向內計算,side = 2(n + (n - 1) + $\cdots$ + 1)

整個正方形的面積不能使用邊長平方的表示,因為那是最終等式的條件。面積採用累加所以小正方形面積的方法:

area = $4 * n * n^2 + 4(n - 1)(n - 1)^2 + \cdots + 4*1 = 4(1^3 + 2^3 + \cdots + n^3)$

綜上,我們等到了等價的兩個等式:

$(n(n + 1))^2 = 4(1^3 + \cdots + n^3) \quad \rightarrow \quad  1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = (n(n + 1) / 2)^2$

$(2(1 + 2 + \cdots + n))^2 = 4(1^3 + \cdots + n^3) \quad \rightarrow \quad 1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = (1 + 2 + \cdots + n)^2$

TAOCP 1 2 2 25 習題25的證明

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