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Cómo resolver la siguiente identidad?

$$ \sum_{i=2}^{n-k+1} \frac{{{n-i}\, seleccione{k-1}}}{{n} \elegir k} \frac{1}{i -1} = \frac{k}{n}\sum_{i=k +1}^{n} \frac{1}{i - 1}. $$ Me encontré con esta identidad, mientras que yo era resolver un problema de probabilidad. Yo era capaz de mostrar lo que es cierto para$k=1$$k=2$. Pero todavía no he rajado cómo resolver todos los $k>1$.

Para k = 1, es obviamente cierto. $$ LHS = \frac{1}{n} \sum_{i=2}^{n} \frac{1}{i-1} = RHS $$

Para k=2, las ecuaciones son correctas. \begin{eqnarray} LHS &=& \frac{2}{n(n-1)}\sum_{i=2}^{n-1}\frac{n-i}{i-1}\\ &=& \frac{2}{n(n-1)}\sum_{i=2}^{n-1}\left(\frac{n-1}{i-1} - 1\right)\\ &=& \frac{2}{n}\left(\sum_{i=2}^{n-1}\frac{1}{i-1} - 1 + \frac{1}{n -1} \right)\\ &=&\frac{2}{n}\sum_{i=3}^{n}\frac{1}{i-1}\\ &=&RHS \end{eqnarray}

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Markus Scheuer Puntos 16133

Multiplicación con $\binom{n}{k}$ da \begin{align*} \sum_{i=2}^{n-k+1}\binom{n-i}{k-1}\frac{1}{i-1}&=\binom{n}{k}\frac{k}{n}\sum_{i=k+1}^n\frac{1}{i-1}\tag{1}\\ &=\binom{n-1}{k-1}\left(H_{n-1}-H_{k-1}\right) \end{align*}

En (1) se aplica el binomio identidad $\binom{n}{k}=\frac{n}{k}\binom{n-1}{k-1}$ y la definición de la Armónica de los números de $H_n=1+\frac{1}{2}+\cdots+\frac{1}{n}$.

Cambiando el índice de $i$ por que se da \begin{align*} \sum_{i=1}^{n-k}\binom{n-i-1}{k-1}\frac{1}{i}=\binom{n-1}{k-1}\left(H_{n-1}-H_{k-1}\right) \end{align*}

Sustituyendo $n \rightarrow n+1$ $k \rightarrow k+1$ da algo más representación conveniente \begin{align*} \sum_{i=1}^{n-k}\binom{n-i}{k}\frac{1}{i}=\binom{n}{k}\left(H_n-H_k\right)\tag{2} \end{align*}

Transformamos el lado izquierdo y obtener \begin{align*} \sum_{i=1}^{n-k}\binom{n-i}{k}\frac{1}{i}&=\sum_{i=0}^{n-k-1}\binom{n-i-1}{k}\frac{1}{i+1}&\qquad(i\rightarrow i-1)\\ &=\sum_{i=0}^{n-k-1}\binom{k+i}{k}\frac{1}{n-k-i}&\qquad(i\rightarrow n-k-1-i)\\ &=\sum_{i=k}^{n-1}\binom{i}{k}\frac{1}{n-i}&\qquad(i\rightarrow i+k) \end{align*}

La identidad (2) ahora puede ser escrito como \begin{align*} \color{blue}{\sum_{i=k}^{n-1}\binom{i}{k}\frac{1}{n-i}=\binom{n}{k}\left(H_n-H_k\right)}\tag{3} \end{align*}

Se demuestra la validez de (3) por $1\leq k\leq n$ con la ayuda de funciones de generación.

La expansión de \begin{align*} \color{blue}{-\frac{\log(1-z)}{(1-z)^{k+1}}}&=\left(\sum_{i=0}^\infty\binom{-k-1}{i}(-z)^i\right)\left(\sum_{l=1}^\infty\frac{1}{l}z^l\right)\tag{4}\\ &=\left(\sum_{i=0}^\infty\binom{k+i}{k}z^i\right)\left(\sum_{l=1}^\infty\frac{1}{l}z^l\right)\tag{5}\\ &=\sum_{n=1}^\infty\left(\sum_{{i+l=n}\atop{i\geq 0,l\geq1}}\binom{k+i}{k}\frac{1}{l}\right)z^n\\ &=\sum_{n=1}^\infty\left(\sum_{i=0}^{n-1}\binom{k+i}{k}\frac{1}{n-i}\right)z^n\\ &=\sum_{n=1}^\infty\left(\sum_{i=k}^{n+k-1}\binom{i}{k}\frac{1}{n-i+k}\right)z^n\tag{6}\\ &\color{blue}{=\sum_{n=k+1}^\infty\left(\sum_{i=k}^{n-1}\binom{i}{k}\frac{1}{n-i}\right)z^{n-k}}\tag{7}\\ \end{align*} muestra $-\frac{\log(1-z)}{(1-z)^{k+1}}$ es una generación de la función de la mano izquierda (3).

Comentario:

  • En (4) se aplica el binomio de la serie de expansión y la logarítmica de la serie de expansión.

  • En (5) utilizamos el binomio identidad \begin{align*} \binom{-p}{q}=\binom{p+q-1}{p-1}(-1)^{q} \end{align*}

  • En (6) cambio en el índice de $i$ a inicio de $i=k$.

  • En (7) se cambio el índice de $n$ a inicio de $n=k+1$.

Por otro lado, según la fórmula (1.2) en Riordan matrices y armónico número de identidades por W. Wang también es la generación de la función del lado derecho de (3) \begin{align*} \color{blue}{-\frac{\log(1-z)}{(1-z)^{k+1}}}&=\sum_{n=1}^\infty\binom{n+k}{k}(H_{n+k}-H_k)z^n\\ &=\color{blue}{\sum_{n={k+1}}^\infty\binom{n}{k}(H_n-H_k)z^{n-k}} \end{align*}

y el reclamo de la siguiente manera.

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