22 votos

Cómo mostrar $\sum_{k=0}^{n}\binom{n+k}{k}\frac{1}{2^k}=2^{n}$

Cómo hace uno para mostrar $$\sum_{k=0}^{n}\binom{n+k}{k}\frac{1}{2^k}=2^{n}$$ I tried using the Snake oil technique but I guess I am applying it incorrectly. With the snake oil technique we have $$F(x)= \sum_{n=0}^{\infty}\left\{\sum_{k=0}^{n}\binom{n+k}{k}\frac{1}{2^k}\right\}x^{n}$$ I think I have to interchage the summation and do something. But I am not quite comfortable in interchanging the summation. Like after interchaging the summation will $$F(x)=\sum_{k=0}^{n}\sum_{n=0}^{\infty}\binom{n+k}{k}\frac{1}{2^k}x^{n}$$ Incluso si puedo continuar con esto soy incapaz de obtener la respuesta correcta.

  • Cómo no uno probar esta usando el aceite de la Serpiente técnica?

  • Una combinatoria de la prueba también es bienvenido.

11voto

wujj123456 Puntos 171

Deje $S_n:=\sum\limits_{k=0}^n\,\binom{n+k}{k}\,\frac{1}{2^k}$ por cada $n=0,1,2,\ldots$. A continuación, $$S_{n+1}=\sum_{k=0}^{n+1}\,\binom{(n+1)+k}{k}\,\frac{1}{2^k}=\sum_{k=0}^{n+1}\,\Biggl(\binom{n+k}{k}+\binom{n+k}{k-1}\Biggr)\,\frac{1}{2^k}\,.$$ Por lo tanto, $$S_{n+1}=\left(S_n+\binom{2n+1}{n+1}\frac{1}{2^{n+1}}\right)+\sum_{k=0}^n\,\binom{(n+1)+k}{k}\,\frac{1}{2^{k+1}}\,.$$ Es decir, $$S_{n+1}=S_n+\frac{S_{n+1}}{2}+\frac{1}{2^{n+2}}\,\Biggl(2\,\binom{2n+1}{n+1}-\binom{2n+2}{n+1}\Biggr)\,.$$ Como $$\binom{2n+2}{n+1}=\frac{2n+2}{n+1}\,\binom{2n+1}{n}=2\,\binom{2n+1}{n+1}\,,$$ podemos deducir que $S_{n+1}=S_n+\frac{S_{n+1}}{2}$, o $$S_{n+1}=2\,S_{n}$$ para todos los $n=0,1,2,\ldots$. Debido a $S_0=1$, la demanda de la siguiente manera.


Combinatoria Argumento

El número de cadenas binarias de longitud $2n+1$, con al menos $n+1$ es claramente $2^{2n}$. Para $k=0,1,2,\ldots,n$, el número de cadenas de este tipo, cuyas $(n+1)$-st es a las $(n+k+1)$-st posición es $\binom{n+k}{k}\,2^{n-k}$. El reclamo es ahora evidente.

9voto

Markus Scheuer Puntos 16133

Aquí es una variante basada en el coeficiente de operador $[x^k]$ para denotar el coeficiente de $x^k$ de una serie. Podemos escribir por ejemplo \begin{align*} [x^k](1+x)^n=\binom{n}{k} \end{align*}

Obtenemos \begin{align*} \sum_{k=0}^n\binom{n+k}{k}\frac{1}{2^k}&=\sum_{k=0}^n[x^k](1+x)^{n+k}\frac{1}{2^k}\tag{1}\\ &=[x^0](1+x)^n\sum_{k=0}^n\left(\frac{1+x}{2x}\right)^k\tag{2}\\ &=[x^0](1+x)^n\frac{1-\left(\frac{1+x}{2x}\right)^{n+1}}{1-\frac{1+x}{2x}}\tag{3}\\ &=[x^0](1+x)^n\frac{1}{(2x)^n}\frac{(2x)^{n+1}-(1+x)^{n+1}}{x-1}\tag{4}\\ &=\frac{1}{2^n}[x^n]\frac{(1+x)^{2n+1}}{1-x}\tag{5}\\ &=\frac{1}{2^n}[x^n]\sum_{k=0}^{2n+1}\binom{2n+1}{k}x^k\frac{1}{1-x}\tag{6}\\ &=\frac{1}{2^n}\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{k}[x^{n-k}]\frac{1}{1-x}\tag{7}\\ &=\frac{1}{2^n}\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{k}\tag{8}\\ &=\frac{1}{2^n}\cdot\frac{1}{2}2^{2n+1}\tag{9}\\ &=2^n \end{align*} y el reclamo de la siguiente manera.

Comentario:

  • En (1) se aplica el coeficiente de operador.

  • En (2) utilizamos la linealidad del coeficiente de operador y el estado $$[x^{p+q}]A(x)=[x^p]x^{-q}A(x)$$

  • En (3) se utiliza la serie geométrica finita fórmula.

  • En (4) vamos a hacer algunas simplificaciones.

  • En (5) utilizamos de nuevo la norma establecida en el comentario (2) y tenga en cuenta que el plazo $(2x)^{n+1}$ puede ser ignorado, ya que no contribuyen a que el coeficiente de $x^n$.

  • En (6) podemos aplicar el binomio de la suma de la fórmula.

  • En (7) observamos que sólo el índice de la a a $k=n$ contribuye a que el coeficiente de $x^n$.

  • En (8) recordemos que la serie geométricaes $$\frac{1}{1-x}=1+x+x^2+\cdots$$ para que la contribución para el coeficiente es siempre $1$.

  • En (9), usamos la simetría de la binomial fórmula de la suma.

2voto

Felix Marin Puntos 32763

$\newcommand{\ángulos}[1]{\left\langle\,{#1}\,\right\rangle} \newcommand{\llaves}[1]{\left\lbrace\,{#1}\,\right\rbrace} \newcommand{\bracks}[1]{\left\lbrack\,{#1}\,\right\rbrack} \newcommand{\dd}{\mathrm{d}} \newcommand{\ds}[1]{\displaystyle{#1}} \newcommand{\expo}[1]{\,\mathrm{e}^{#1}\,} \newcommand{\mitad}{{1 \over 2}} \newcommand{\ic}{\mathrm{i}} \newcommand{\iff}{\Longleftrightarrow} \newcommand{\imp}{\Longrightarrow} \newcommand{\Li}[1]{\,\mathrm{Li}_{#1}} \newcommand{\mrm}[1]{\,\mathrm{#1}} \newcommand{\ol}[1]{\overline{#1}} \newcommand{\pars}[1]{\left(\,{#1}\,\right)} \newcommand{\partiald}[3][]{\frac{\partial^{#1} #2}{\parcial #3^{#1}}} \newcommand{\raíz}[2][]{\,\sqrt[#1]{\,{#2}\,}\,} \newcommand{\totald}[3][]{\frac{\mathrm{d}^{#1} #2}{\mathrm{d} #3^{#1}}} \newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}} \newcommand{\verts}[1]{\left\vert\,{#1}\,\right\vert}$ \begin{align} \mrm{f}_{n}\pars{x} & \equiv \sum_{k = 0}^{n}{n + k \choose k}x^{k} = \color{#f00}{{1 \over n!}\sum_{k = 0}^{n}{\pars{n + k}! \over k!}x^{k}} = \pars{n + 1} + {1 \over n!}\sum_{k = 1}^{n} {n + k \over k}{\pars{n + k - 1}! \over \pars{k - 1}!}x^{k} \\[5mm] & = n + 1 + {1 \over n!}\sum_{k = 0}^{n - 1} {n + k + 1 \over k + 1}{\pars{n + k}! \over k!}x^{k + 1} \\[5mm] & = 1 - {2n + 1 \over n + 1}{2n \choose n}x^{n + 1} + {n \over n!}\,x\sum_{k = 0}^{n} {1 \over k + 1}{\pars{n + k}! \over k!}x^{k} + x\color{#f00}{{1 \over n!}\sum_{k = 0}^{n} {\pars{n + k}! \over k!}x^{k}} \\[5mm] & = 1 - {2n + 1 \over n + 1}{2n \choose n}x^{n + 1} + {n \over n!}\,x\sum_{k = 0}^{n}x^{k} {\pars{n + k}! \over k!}\int_{0}^{1}y^{k}\,\dd y + x\mrm{f}_{n}\pars{x} \\[5mm] & = 1 - {2n + 1 \over n + 1}{2n \choose n}x^{n + 1} + nx\int_{0}^{1}\color{#f00}{{1 \over n!}\sum_{k = 0}^{n} {\pars{n + k}! \over k!}\pars{xy}^{k}}\,\dd y + x\mrm{f}_{n}\pars{x} \\[5mm] & = 1 - {2n + 1 \over n + 1}{2n \choose n}x^{n + 1} + n\int_{0}^{1}\mrm{f}_{n}\pars{xy}\,x\,\dd y + x\mrm{f}_{n}\pars{x} \end{align}


$$ \imp\quad \begin{array}{|c|}\hline\mbox{}\\ \ds{\quad\mrm{f}_{n}\pars{x} = 1 - {2n + 1 \over n + 1}{2n \choose n}x^{n + 1} + n\int_{0}^{x}\mrm{f}_{n}\pars{y}\,\dd y + x\mrm{f}_{n}\pars{x} \quad} \\ \mbox{}\\ \hline \end{array} $$
A continuación, \begin{align} \mrm{f}_{n}'\pars{x} & = -\pars{2n + 1}{2n \choose n}x^{n} + n\mrm{f}_{n}\pars{x} + \mrm{f}_{n}\pars{x} + x\mrm{f}_{n}'\pars{x} \,,\quad\mrm{f}_{n}\pars{0} = 1 \end{align}
$$ \mrm{f}_{n}'\pars{x} - {n + 1 \over 1 - x}\,\mrm{f}_{n}\pars{x} = -\pars{2n + 1}{2n \elegir n}{x^{n} \over 1 - x} $$
$$ \totald{\bracks{\pars{1 - x}^{n + 1}\mrm{f}_{n}\pars{x}}}{x} = -\pars{2n + 1}{2n \elegir n}x^{n}\pars{1 - x}^{n} $$
$$ 2^{n - 1}\,\,\mrm{f}_{n}\pars{\mitad} - 1 = -\pars{2n + 1}{2n \elegir n}\int_{0}^{1/2}x^{n}\pars{1 - x}^{n}\,\dd x $$
\begin{align} \color{#f00}{\sum_{k = 0}^{n}{n + k \choose k}x^{k}} & = \mrm{f}_{n}\pars{\half} = 2^{n + 1}\ -\ \overbrace{% 2^{n + 1}\pars{2n + 1}{2n \choose n} \int_{0}^{1/2}\bracks{{1 \over 4} - \pars{x - \half}^{2}}^{n}\,\dd x} ^{\ds{2^{n}}} \\[5mm] & = \color{#f00}{2^{n}} \end{align}

Tenga en cuenta que $$ \int_{0}^{1/2}\bracks{{1 \over 4} - \pars{x - \mitad}^{2}}^{n}\,\dd x = \media\,\ \overbrace{{\Gamma\pars{n + 1}\Gamma\pars{n + 1} \\Gamma\pars{2n + 2}}} ^{\ds{\mrm{B}\pars{n + 1,n + 1}}}\ =\ {1 \over 2\pars{2n + 1}{2n \elegir n}} $$ $\ds{\Gamma}$: Función Gamma. B: Beta De La Función.

0voto

Marko Riedel Puntos 19255

Supongamos que buscamos para comprobar que

$$\sum_{k=0}^n {n+k\choose k} \frac{1}{2^k} = 2^n.$$

A continuación vamos a hacer un esfuerzo para utilizar un conjunto diferente de las integrales a partir de la respuesta por @MarkusScheuer, por la variedad de la causa, incluso si se trata de no, la respuesta más simple.

La dificultad aquí radica en el hecho de que los coeficientes binomiales en la LHS, no tiene un límite superior para la suma de cable en ellos. Utilizamos una Iverson soporte de conseguir alrededor de esto:

$$[[0\le k\le n]] = \frac{1}{2\pi i} \int_{|w|=\gamma} \frac{w^k}{w^{n+1}} \frac{1}{1-w} \; ps.$$

Introducir además

$${n+k\elegir k} = \frac{1}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{1}{z^{n+1}} \frac{1}{(1-z)^{k+1}} \; dz.$$

Con la Iverson soporte en su lugar podemos dejar que la suma de rango a el infinito, la obtención de

$$\frac{1}{2\pi i} \int_{|w|=\gamma} \frac{1}{w^{n+1}} \frac{1}{1-w} \frac{1}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{1}{z^{n+1}} \frac{1}{1-z} \sum_{k\ge 0} \frac{w^k}{(1-z)^k} \frac{1}{2^k} \; dz\; ps.$$

Esto converge al $|w| < |2(1-z)|.$ Simplificando tenemos

$$\frac{1}{2\pi i} \int_{|w|=\gamma} \frac{1}{w^{n+1}} \frac{1}{1-w} \frac{1}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{1}{z^{n+1}} \frac{1}{1-z} \frac{1}{1-w/(1-z)/2} \; dz\; dw \\ = \frac{1}{2\pi i} \int_{|w|=\gamma} \frac{1}{w^{n+1}} \frac{1}{1-w} \frac{1}{2\pi i} \int_{|z|=\epsilon} \frac{1}{z^{n+1}} \frac{1}{1-z-w/2} \; dz\; ps.$$

El polo en $z=1-w/2$ está fuera del contorno debido a los requisitos en convergencia, así que podemos usar los negativos de los residuos allí, llegar

$$\frac{1}{2\pi i} \int_{|w|=\gamma} \frac{1}{w^{n+1}} \frac{1}{1-w} \frac{1}{(1-w/2)^{n+1}} \; ps.$$

Esto podría haber sido obtenida por la inspección, sin pasar por la Iverson soporte. Ahora pon $w (1-w/2) = v$, de modo que $w = 1-\sqrt{1-2v}$ (este rama de mapas de $w=0$$v=0$) para obtener

$$\frac{1}{2\pi i} \int_{|v|=\gamma'} \frac{1}{v^{n+1}} \frac{1}{\sqrt{1-2v}} \frac{1}{\sqrt{1-2v}} \; dv \\ = \frac{1}{2\pi i} \int_{|v|=\gamma'} \frac{1}{v^{n+1}} \frac{1}{1-2v} \; dv = 2^n.$$

Este es el reclamo.

Observar que

$$\mathrm{Res}_{z=\infty} \frac{1}{z^{n+1}} \frac{1}{1-z-w/2} = - \mathrm{Res}_{z=0} \frac{1}{z^2} z^{n+1} \frac{1}{1-w/2-1/z} \\ = - \mathrm{Res}_{z=0} z^{n} \frac{1}{z(1-w/2)-1} = 0.$$

Este fue un ejercicio interesante que muestra cómo la elección de contorno para la convergencia influye en el cálculo. La rama de $\sqrt{1-2v}$ que se ha utilizado la rama cortada en $(1/2, \infty).$

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