Przeskocz do treści

Delta mi!

Jak obliczać sumy potęg za pomocą rachunku różnicowego?

Hubert Wójtowicz

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: marzec 2011
  • Publikacja elektroniczna: 02-03-2011
  • Autor: Hubert Wójtowicz
    Afiliacja: Autor jest finalistą XXVII Ogólnopolskiego Sejmiku Matematyków, Bystra 2010.

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

display-math

Bez trudu można przekonać się, że prawdziwe są następujące zależności

display-math

skąd – wobec oczywistego math dla dowolnej stałej  math – mamy np.

display-math

Znający rachunek różniczkowy widzą, że wzory te są dokładnymi odpowiednikami wzorów dla pochodnej.

Z kolei odpowiednik całki będziemy nazywali antyróżnicą lub sumowaniem i oznaczali  math Zatem

display-math

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

display-math

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

display-math

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  math sumy dowolnie wielu math-tych potęg kolejnych liczb naturalnych, poczynając od 1.

Do tego celu potrzebne nam będą tzw. liczby Stirlinga II rodzaju, które będziemy oznaczali math Liczby te mówią, na ile sposobów można podzielić math-elementowy zbiór na math niepustych, rozłącznych podzbiorów. Liczby Stirlinga spełniają następującą zależność rekurencyjną:

display-math

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

display-math

Zauważmy, że

display-math

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

Warto odnotować, że

display-math

czego wygodniej nam będzie używać, gdy math zastąpimy przez math

display-math

Wykorzystując definicję antyróżnicy, otrzymujemy wzór na sumowanie:

display-math

Musimy jeszcze zastanowić się, czy istnieje taka funkcja  math że

display-math

Łatwo można się zorientować, że jest nią

display-math

Zatem łącznie mamy (z dokładnością do stałej)

display-math

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

display-math

Dowód tego twierdzenia można przeprowadzić indukcyjnie, opierając się na wzorze rekurencyjnym na  math

Teraz już obliczanie sumy potęg przebiega sprawnie. Oto przykład: kolejno obliczamy

display-math

I ostatecznie

pict