Jak obliczać sumy potęg za pomocą rachunku różnicowego?
Jak wiadomo, pochodna opisuje zmiany danej wielkości (np. tak działa prędkościomierz w samochodzie). Z kolei całka opisuje sytuację odwrotną – odtwarza daną wielkość z jej zmienności (tak np. działa licznik energii elektrycznej).
Można sobie wyobrazić, że urządzenia obliczające pochodną czy całkę nie działają w sposób ciągły, lecz skokowo. Wówczas możemy odpowiednik pochodnej nazwać różnicą i zdefiniować jako

Bez trudu można przekonać się, że prawdziwe są następujące zależności

skąd – wobec oczywistego
dla dowolnej stałej
– mamy np.

Znający rachunek różniczkowy widzą, że wzory te są dokładnymi odpowiednikami wzorów dla pochodnej.
Z kolei odpowiednik całki będziemy nazywali antyróżnicą lub sumowaniem
i oznaczali
Zatem

I tutaj można wypisać wiele wzorów analogicznych do występujących w rachunku całkowym. Np. odpowiednik wynikającej ze wzorów wypisanych wyżej zależności

nazywany jest całkowaniem przez części – tu nazwiemy go sumowaniem przez
części. Podobnie też, jak w rachunku całkowym, wprowadzimy sumowanie
oznaczone
określone przez warunek:

Poza zaciekawiającą analogią do pochodnych i całek wprowadzone pojęcia mają
szereg interesujących zastosowań. Tu zajmiemy się jednym z nich –
wykorzystamy je do obliczenia dla danego
sumy dowolnie wielu
-tych potęg kolejnych liczb naturalnych, poczynając od 1.
Do tego celu potrzebne nam będą tzw. liczby Stirlinga II rodzaju, które
będziemy oznaczali
Liczby te mówią, na ile sposobów
można podzielić
-elementowy zbiór na
niepustych,
rozłącznych podzbiorów. Liczby Stirlinga spełniają następującą zależność
rekurencyjną:

Potrzebne nam też będą jeszcze pewne modyfikacje pojęcia potęgi. Potęgę kroczącą zdefiniujemy w następujący sposób:

Zauważmy, że

Okazuje się, że zróżnicowana potęga krocząca zachowuje się analogicznie do zróżniczkowanej zwykłej potęgi.
Warto odnotować, że

czego wygodniej nam będzie używać, gdy
zastąpimy przez

Wykorzystując definicję antyróżnicy, otrzymujemy wzór na sumowanie:

Musimy jeszcze zastanowić się, czy istnieje taka funkcja
że

Łatwo można się zorientować, że jest nią

Zatem łącznie mamy (z dokładnością do stałej)

Wprowadziliśmy pojęcia potęgi kroczącej i liczb Stirlinga II rodzaju, ale jak to
połączyć z obliczaniem sumy
? Okazuje się, że przydatne jest
następujące twierdzenie

Dowód tego twierdzenia można przeprowadzić indukcyjnie, opierając się na
wzorze rekurencyjnym na
Teraz już obliczanie sumy potęg przebiega sprawnie. Oto przykład: kolejno obliczamy

I ostatecznie
