Evaluación de la suma complicada

Question

Evaluar para un fijo $m\neq 1$ ( $m\in \mathbb{N}$ )

$$\sum _{k=1}^{n}\left[\left( \sum _{i=1}^{k}i^{2}\right) \left(\sum _{k_{1}+k_{2}+...+k_{m}=k}\dfrac {\left( k_{1}+k_{2}+\ldots +k_{m}\right) !} {k_{1}!k_{2}!...k_{m}!}\right)\right]$$

Answer 1

Tenga en cuenta que la última parte de su resumen:

$$\sum_{k_{1}+k_{2}+\cdots+k_{m}=k}{\frac{k!}{k_{1}!k_{2}!\cdots k_{m}!}}=\sum_{k_{1}+k_{2}+\cdots+k_{m}=k}{{k \choose k_{1},k_{2},\cdots,k_{m}}}$$

Donde ${k \choose k_{1},k_{2},\cdots,k_{m}}$ es el coeficiente multinomial .

Por lo tanto, podemos evaluar inmediatamente esto, debido a la siguiente teorema :

$$\sum_{k_{1}+k_{2}+\cdots+k_{m}=k}{{k \choose k_{1},k_{2},\cdots,k_{m}}}=m^{k}$$

Así que ahora tenemos:

$$\sum_{k=1}^{n}{\left[\left(\frac{k(k +1)(2k+1)}{6}\right)\left(m^{k}\right)\right]}=\sum_{k=1}^{n}{m^{k}\left(\frac{k}{6}+\frac{k^{2}}{2}+\frac{k^{3}}{3}\right)}=\sum_{k=1}^{n}{\frac{m^{k}k}{6}}+\sum_{k=1}^{n}{\frac{m^{k}k^{2}}{2}}+\sum_{k=1}^{n}{\frac{m^{k}k^{3}}{3}}$$

Que no tiene una buena expansión, pero la matemática da lo siguiente:

$$\frac{1}{6 (-1+m)^4}m (6+6 m-6 m^n-6 m^{1+n}-13 m^n n+15 m^{1+n} n-3 m^{2+n} n+m^{3+n} n-9 m^n n^2+21 m^{1+n} n^2-15 m^{2+n} n^2+3 m^{3+n} n^2-2 m^n n^3+6 m^{1+n} n^3-6 m^{2+n} n^3+2 m^{3+n} n^3)$$

Espero que esto ayude.

Answer 2

Como ha demostrado Shaktal anteriormente, queda por encontrar la forma cerrada para $$\sum\limits_{k=1}^n\frac{m^k k^3}{3}$$

Considere la siguiente igualdad $$\sum\limits_{k=1}^n x^k=\frac{x(x^n-1)}{x-1}$$ Tras la triple diferenciación obtenemos $$\sum\limits_{k=1}^n kx^{k-1}=\frac{d}{dx}\frac{x(x^n-1)}{x-1}\\ \sum\limits_{k=1}^n k(k-1)x^{k-2}=\frac{d^2}{dx^2}\frac{x(x^n-1)}{x-1}\\ \sum\limits_{k=1}^n k(k-1)(k-2)x^{k-3}=\frac{d^3}{dx^3}\frac{x(x^n-1)}{x-1}$$ Ahora vamos a hacer un pequeño truco $$\sum\limits_{k=1}^n\frac{k^3 x^k}{3}= \frac{1}{3}\sum\limits_{k=1}^n (k (k-1)(k-2)+3k(k-1)+k)x^k= \frac{1}{3}\left(x^3\sum\limits_{k=1}^n k (k-1)(k-2)x^{k-3} +3x^2\sum\limits_{k=1}^n k(k-1)x^{k-2} +x\sum\limits_{k=1}^n k x^{k-1} \right)= \frac{1}{3}\left(x^3\frac{d^3}{dx^3}\frac{x(x^n-1)}{x-1} +3x^2\frac{d^2}{dx^2}\frac{x(x^n-1)}{x-1} +x\frac{d}{dx}\frac{x(x^n-1)}{x-1} \right)$$ Queda simplificar esta expresión (es decir, diferenciante) y luego sustituir $x=m$