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U290226 公式推导

时间:2023-04-14 14:11:27浏览次数:50  
标签:begin frac 推导 0a 公式 cdots U290226 bmatrix printf

U290226

求 \(\sum_{x=1}^{n} x^m\) 的公式, \(n \leq 20\) 。

先看如下柿子:

\[1 + 2 + 3 + \cdots + n = \frac{n \times (n+1)}{2} = \frac{n^2}{2} + \frac{n}{2} \]

\[1^2 + 2^2 + 3^2 + \cdots + n^2 = \frac{n \times (n+1) \times (2n + 1)}{6} = \frac{n^3}{3} + \frac{n^2}{2} + \frac{n}{6} \]

\[1^3 + 2^3 + 3^3 + \cdots + n^3 = \frac{[n(n+1)]^2}{4} = \frac{n^4}{4} + \frac{n^3}{2} + \frac{n^2}{4} \]

通过这三个柿子可以大概发现规律:

\(F(n,m) = \sum\limits_{x=1}^{n} x^m\) 的最高次为 \(m+1\) ,且每一项都可以表示为 \(n^t \times p\) 的形式。

所以设 \(F(n,m) = a_1n^{m+1} + a_2n^{m} + \cdots + a_{m+1}n\) 。

向上式的两边同时加上 \((n+1)^m\) ,得

\(F(n+1,m) = a_1n^{m+1} + a_2n^{m} + \cdots + a_{m+1}n + (n+1)^m\) 。

用二项式定理展开末项,得

\(\color{CornFlowerBlue}F(n+1,m) = a_1n^{m+1} + (C_m^m + a_2)n^m + (C_m^{m-1}+a_3)n^{m-1} + \cdots + (C_m^1 + a_{m+1})n + C_m^0\)

而 \(F(n+1,m)\) 又等于 \(a_1(n+1)^{m+1} + a_2(n+1)^m + \cdots + a_{m+1}(n+1)\)

每一项都用二项式定理展开,得

\(\color{Salmon}F(n+1,m) = C_{m+1}^{m+1}a_1n^{m+1} + (C_{m+1}^{m}a_1 + C_{m}^{m}a_2)n^m + (C_{m+1}^{m-1}a_1 + C_m^{m-1}a_2 + C_{m-1}^{m-1}a_3)n^{m-1} + \cdots + (C_{m+1}^0a_1 + C_m^0a_2 + \cdots + C_1^0a_{m+1})\)

上面两个带颜色的柿子都等于 \(F(n+1,m)\) ,比较系数可以得到如下方程组:

\[ \begin{cases} a_1 = C_{m+1}^{m+1}a_1 \\ C_m^m + a_2 = C_{m+1}^ma_1 + C_m^ma_2 \\ C_m^{m-1} + a_3 = C_{m+1}^{m-1}a_1 + C_m^{m-1}a_2 + C_{m-1}^{m-1}a_3 \\ \dots \\ C_m^0 = C_{m+1}^0a_1 + C_m^0a_2 + \cdots + C_1^0a_{m+1} \end{cases} \]

化简得

\[\begin{cases} C_{m+1}^ma_1 = C_m^m \\ C_{m+1}^{m-1}a_1 + C_m^{m-1}a_2 = C_m^{m-1} \\ C_{m+1}^{m-2}a_1 + C_{m}^{m-2}a_2 + C_{m-1}^{m-2}a_3 = C_m^{m-2} \\ \dots \\C_{m+1}^0a_1 + C_m^0a_2 + C_{m-1}^0a_3 + \cdots + C_1^0a_{m+1} = C_m^0\end{cases} \]

转化为矩阵乘法的形式:

\[\begin{bmatrix} C_{m+1}^m \\ C_{m+1}^{m-1} & C_m^{m-1} \\ C_{m+1}^{m-2} & C_m^{m-2} & C_{m-1}^{m-2} \\ \vdots & & & \ddots \\ C_{m+1}^0 & C_m^0 & C_{m-1}^0 & \cdots & C_1^0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \\ \vdots \\a_{m+1} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} C_m^m \\ C_m^{m-1} \\ C_m^{m-2} \\ \vdots \\ C_m^0 \end{bmatrix} \]

高斯消元求解即可。时间复杂度 \(O(n^3)\) 。

#include<cmath>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int M=310;
typedef __int128 LL;

void write(__int128 x){
    if(!x) return ;
    if(x<0) putchar('-'),x=-x;
    write(x/10);
    putchar(x%10+'0');
}

int m;
LL fra[M];
void calc(){
	fra[0]=1;
	for(int i=1;i<=20;i++) fra[i]=fra[i-1]*i;
}
int C(int i,int j){
	return fra[i]/fra[j]/fra[i-j];
}

LL gcd(LL A,LL B){
	if(!B) return A;
	return gcd(B,A%B);
}
struct Frac{
	LL A,B; // A / B
	Frac(){A=0,B=1;}
	Frac(LL _A,LL _B):A(_A),B(_B){}
	friend Frac operator+(Frac a,Frac b){
		LL m=a.B*b.B,z=a.A*b.B+b.A*a.B;
		LL qwq=gcd(m,z);
		return Frac(z/qwq,m/qwq); 
	}
	friend Frac operator-(Frac a,Frac b){
		LL m=a.B*b.B,z=a.A*b.B-b.A*a.B;
		LL qwq=gcd(m,z);
		return Frac(z/qwq,m/qwq);
	}
	friend Frac operator*(Frac a,Frac b){
		LL m=a.B*b.B,z=a.A*b.A;
		LL qwq=gcd(m,z);
		return Frac(z/qwq,m/qwq);
	}
	friend Frac operator/(Frac a,Frac b){
		LL m=a.B*b.A,z=a.A*b.B;
		LL qwq=gcd(m,z);
		return Frac(z/qwq,m/qwq);
	}
	void print(){
		bool negative=false;
		if((A<0)^(B<0)) negative=true;
		if(negative) printf("-");
		write(A<0?-A:A);
		printf("/");
		write(B<0?-B:B);
	}
	double val(){
		return 1.*A/B;
	}
}a[M][M];

void Gauss(){
	for(int i=1;i<=m+1;i++){
		int cur=i;
		for(int j=i+1;j<=m+1;j++)
			if(fabs(a[cur][i].val())<fabs(a[j][i].val())) cur=j;
		swap(a[i],a[cur]);
		if(a[i][i].val()==0) return printf("No Way\n"),void();
		for(int j=1;j<=m+1;j++){
			if(i==j) continue;
			Frac p=a[j][i]/a[i][i];
			for(int k=1;k<=m+2;k++) a[j][k]=a[j][k]-(a[i][k]*p);
		}
	}
}

int main(){
	calc();
	scanf("%d",&m);
	for(int i=1;i<=m+1;i++){
		for(int j=1;j<=i;j++) a[i][j]=Frac(C((m+1)-j+1,m-i+1),1);
		a[i][m+2]=Frac(C(m,m-i+1),1);
	}
	Gauss();
	bool flag=false;
	for(int i=m+1;i>=1;i--){
		if(a[i][m+2].val()==0) continue;
		if(flag) printf("+");
		flag=true;
		printf("(");
		a[i][m+2]=a[i][m+2]/a[i][i];
		a[i][m+2].print();
		printf("*(n");
		if((m+1)-i+1!=1) printf("^%d",(m+1)-i+1);
		printf("))");
	}
	return 0;
}

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From: https://www.cnblogs.com/zzxLLL/p/17318126.html

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