为前项平方和: 它的通项公式我们在中学阶段已经学习过,即 但是它的推导过程却不算简单。本文主要从组合数学的角度罗列一些此级数通项公式的推导方法。要理解本文的内容,读者应当学习过一些组合数学或离散数学的知识。

方法一:求解递推关系

考虑 上式为常系数非线性递推关系。若我们尝试直接求解,则需要先求通解,再求特解,然后将他们线性组合。显然,通解为,但是特解却并不好求。所以我们换个思路,尝试消去递推关系的非齐次项 上述两式相减,并利用替换,可得 WOW,我们成功让等式右边的降幂了!这暗示着我们可以使用这个方法,将右边的幂函数一直降至常数。当然,随之而来的就是左边的递推关系会越变越复杂。 化简之后,我们得到了一个相当复杂的递推关系,但庆幸的是它是齐次的,我们无需再考虑通解。 我们列出上式的特征方程: 先别急着解它,我断言,它一定只有这一个实数根。否则,就将会以指数级的速度增长了,这与我们的直觉不符。当然,不难发现, 所以的的确确是它的四重根。那么该递推关系的解应该是: 注意到,根据的定义: 将前四项代入,得到一个线性方程组: 容易解得: 也就是 回顾我们的求解过程,我们实际上是在一个滚动相消的过程中消去了等式右边的,从而将原来的递推关系化为了一个线性常系数递推关系。

上述过程也给了我们一个启发,我们实际上可以使用此方法求解任意幂函数的前项和,虽然可能最终得到的递推关系很复杂,但都会转化为解一个线性方程组的问题。

方法二:扰动法

扰动法是求解和式的一种技巧。它的思想是给和式加上一项,同时将和式中的某一项分离出去,然后将剩下部分尝试使用和式表示出来。

假设我们有一未知和式: 根据扰动法的思想,给它的左右两边加上一项,同时右边分离一项。 比如,使用扰动法求解一个几何级数的和: 方程两边同时加上 注意上面的最后一步,我们尝试将右边的和式用表示出来,即可得到 回到我们的问题中来。 尝试使用扰动法: 不幸的是,我们得到的等式中左右两边相互抵消了。仔细观察一下就不难发现,此前用扰动法求几何级数的过程中,的系数会随着和式的变化发生改变,然而对于的和却不是这样。

虽然没能得出结果,但是这个求解过程也并非完全无用,注意到,我们在求解的过程中出现了比低阶的的和式。这给我们一个启发,如果我们使用扰动法求的和式,是否会在过程中出现的和式呢?

再次尝试使用扰动法: 奇迹再次发生了!只需稍微移项整理,我们就得到了想要的 这是一个激动人心的结果。

方法三:离散微积分

离散微积分(又称有限微积分),是一种基于差分方程的对应与连续函数中微积分的方法。这里我们仅介绍使用它解决该问题,详细的关于离散微积分的介绍可以参考具体数学。

,其中读作“直降次”。

对应于微分算子,我们引入差分算子。差分算子作用于上时,类似于连续微积分,有 差分算子的逆算子为求和算子,类似于积分算子,有 其中表示的差分。根据的定义,我们有: 即: 于是解得: 注意,此处求出的是前项和,我们用替换结果中的,即得: 求解过程异常简洁!另外,离散微积分告诉我们这样一个事实:primary@从渐进分析的角度来说,所有幂方级数的和都要比它的末项高一阶。

方法四:生成函数

生成函数实际上是解递推关系的基础,过程比直接求解地推关系要稍麻烦些,但原理是一样的,在此不做赘述。