上一篇文章《关于黎曼函数和等幂求和问题的一组有趣公式》中讨论了伯努利数与等幂和问题之间的关系。在查询有关资料的过程中,发现伯努利数和杨辉三角之间的有趣联系,在此分享给大家。

杨辉三角

我们中学都学过杨辉三角,杨辉三角是二项式系数在三角形中的一种几何排列,中国南宋数学家杨辉1261年所著的《详解九章算法》一书中出现。在欧洲杨辉三角又叫帕斯卡三角

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(1)

根据杨辉三角,我们可以直接进行二项式展开

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(2)

或统一写成

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(3)

其中组合数

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(4)

等于杨辉三角第n 1行的第k 1个数。

等幂求和问题

接下来,我们利用杨辉三角,继续推导上一篇文章研究过的等求幂和问题。

等幂求和,也就是计算连续自然数的等幂次之和。我们记前n个正整数的m次幂之和为

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(5)

对于后一个正整数n 1,其m次幂,我们根据杨辉三角,有如下二项式展开

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(6)

将n分别替换成n-1,n-2,...,2,1,我们得到以下一组展开式:

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(7)

等式左右两边同时求和,有

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(8)

(注:对方程左边求和是从1 1 = 2开始的,所以左边还要减去一个1^m,即减去1)

注意到Cm^m = 1,可将右边最后一项移到左边,于是有

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(9)

结合

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(10)

得到

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(11)

令m分别等于1,2,3,4,...,可得到一系列等式。

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(12)

接下来是最关键的一步:将上述等式写成矩阵形式

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(13)

这个矩阵大家熟悉吗?

只要把杨辉三角阵每一行最右边的“1”都拿掉,就是这个矩阵的系数!

由于杨辉三角在西方叫帕斯卡三角,所以数学家把这个矩阵叫做“第二帕斯卡矩阵”,而第一帕斯卡矩阵,或者就叫“帕斯卡矩阵”,就是完整的帕斯卡三角形组成的矩阵,对角线上都为1:

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(14)

帕斯卡矩阵

伯努利数

上一篇文章中,我们通过将等幂求和问题转化为计算函数导数的问题,推导了等幂求和公式:

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(15)

其中Bs是第s个伯努利数(s=0,1,2,...)。前10个伯努利数如下:

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(16)

接下来,我们从帕斯卡矩阵的角度研究等幂求和。

前面我们得到如下矩阵等式

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(17)

为了跟前面的文章一致,我们也研究前n-1项的等幂求和,即将上述矩阵中的n替换为n-1,并通过矩阵求逆,反解出Sm(n-1)。可得

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(18)

系数矩阵的第一列,正是伯努利数

1,-1/2, 1/6,0,-1/30...

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(19)

17世纪的数学家、哲学家、物理学家帕斯卡提出了帕斯卡三角形;

18世纪的数学家伯努利提出了伯努利数;

19世纪的数学家们逐渐提出了矩阵这一数学概念。

英国数学家A.W.F. Edwards(1935-)不无感慨地说:

How delighted Pascal must have been to learn that his own method for finding the sums of powers could be completed by inverting a matrix of coefficients of the Arithmetical Triangle!

杨辉三角概率计算公式:伯努利数和矩阵(20)

杨辉如果有知的话,大概也会如此开心吧!

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