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¿Hay una forma cerrada para la suma de los cubos de los coeficientes binomiales?

Sabemos que $$ \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} = 2^n\;\; \text{ y }\;\; \sum_{k=0}^n \binom{n}{k}^2 = \binom{2n}{n} $$ mantenga pulsado para todos los $n\in \mathbb{N}_0$. Ahora he tratado de encontrar una expresión similar para $$ \sum_{k=0}^n \binom{n}{k}^3 $$ pero no llegará a ninguna parte en absoluto. Lo que encontré fueron sólo asintótico de las estimaciones (véase la Suma de los cubos de los coeficientes binomiales o Asymptotics de $\sum_{k=0}^{n} {\binom n k}^a$).

Ahora hay una forma cerrada para esta suma o, lo que sería aún mejor, para $\sum_{k=0}^n \binom{n}{k}^\alpha$ con cualquier $\alpha \in \mathbb{N}_0$?

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Eul Can Puntos 1353

Estos números se denominan el Franel Números. Se ha demostrado en (Petkovšek, M., Wilf, H. y Zeilberger, D. (1996). A=B. Wellesley, MA: a K Peters. p. 160) que no hay forma cerrada para estos números, en términos de la suma de un número fijo de hipergeométrica términos.

Sin embargo, como @Robert_Israel señala que la expresión podría ser representados por diferentes tipos de forma cerrada.

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user153012 Puntos 4406

El coeficiente binomial para un determinado par de $n \geq k \geq 0$ enteros puede ser expresado en términos de un símbolo de Pochhammer como la siguiente.

$$ \binom n k = \frac{(-1)^k (n)_k} {k!}. $$

La expresión es válida incluso si $n$ es un número real arbitrario.

Aquí observamos dos cosas.

  1. El símbolo de Pochhammer $(-n)_k$ es cero, si $n \geq 0$ e $k > -n$.
  2. El factorial de $k!$ puede ser escrito como $(1)_k$.

El uso de estas observaciones, podemos expresar tu sumas de dinero en términos de una función hipergeométrica generalizada $_pF_q$ el siguiente. Para la suma de los coeficientes binomiales, tenemos

$$ \sum_{k=0}^n \binom n k = \sum_{k=0}^n \frac{(-1)^k (n)_k}{k!} = \sum_{k=0}^\infty (-n)_k{\frac{(-1)^k}{k!}} = {_1F_0}\left({{-n}\cima{-}}\medio|\,-1\right). $$ Para la suma de los cuadrados de los coeficientes binomiales, tenemos $$ \sum_{k=0}^n {\binom n k}^2 = \sum_{k=0}^n \left(\frac{(-1)^k (n)_k}{k!}\right)^2 = \sum_{k=0}^\infty \frac{\left((-n)_k\right)^2}{k!} \cdot \frac{1}{k!} = {_2F_1}\left({{-n, -n}\cima{1}}\medio|\,1\right). $$ Y para la suma de los cubos de los coeficientes binomiales $-$ también conocido como Franel números de $-$, tenemos $$ \sum_{k=0}^n {\binom n k}^3 = \sum_{k=0}^n \left(\frac{(-1)^k (n)_k}{k!}\right)^3 = \sum_{k=0}^\infty \frac{\left((-n)_k\right)^3}{(k!)^2} \cdot \frac{(-1)^k}{k!} = {_3F_2}\left({{-n, -n, -n}\cima de{1, 1}}\medio|\,-1\right). $$ En general, para un entero positivo $r$, tenemos el binomio suma

$$ \begin{align*} \sum_{k=0}^n {\binom n k}^r &= \sum_{k=0}^n \left(\frac{(-1)^k(-n)_k}{k!}\right)^r = \sum_{k=0}^\infty \frac{\left((-n)_k\right)^r}{(k!)^{r-1}} \cdot \frac{(-1)^{rk}}{k!} \\ &= {_rF_{r-1}}\left({{-n, -n, \dots, -n}\atop{1, \dots, 1}}\middle|\,(-1)^r\right). \end{align*} $$

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