加算の順を工夫するの観察
ver 0.001 2022-10-3
更新履歴
ver 0.001 2022-10- 3 新規作成
まず、ガウスが、1〜nの和を加算の順序を工夫することによって、うまく処 理したのでそれを考えてみましょう。
1
1 1
-------
+ ----- + -----
(n-1)^2 n^2 (n+1)^2
を考えてみましょ
う。
(%i2) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
4
3 n + 1
(%o2)
--------------------
2 2 2
(n - 1) n (n + 1)
となりました。
nはn=3k-1なので、代入すると、
(%i38) n:3*k-1;
(%o38)
3 k - 1
(%i39) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
4
3 2
243 k - 324 k + 162 k - 36 k + 4
(%o39)
-----------------------------------
2
2 2
9 k (3 k - 2) (3 k - 1)
分母に着目すると、(3k-2)^2(3k-1)^2において、kが偶数な ら、k=2jなので、
(%i51) k:2*j;
(%o51)
2 j
(%i52) factor((3*k-2)^2*(3*k-1)^2);
2 2
(%o52)
4 (3 j - 1) (6 j - 1)
kが奇数なら、k=2j+1なので、
(%i53) k:2*j+1;
(%o53)
2 j + 1
(%i54) factor((3*k-2)^2*(3*k-1)^2);
2 2
(%o54)
4 (3 j + 1) (6 j + 1)
よって、分母は、2^2と3^2を共通に持つ。
したがって、kが偶数なら、
(%i65) k:2*j;
(%o65)
2 j
(%i66) n:3*k-1;
(%o66)
6 j - 1
(%i67) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
4
3 2
972 j - 648 j + 162 j - 18 j + 1
(%o67)
-----------------------------------
2
2 2
36 j (3 j - 1) (6 j - 1)
kが奇数なら、
(%i68) k:2*j+1;
(%o68)
2 j + 1
(%i69) n:3*k-1;
(%o69)
3 (2 j + 1) - 1
(%i70) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
4
3 2
3888 j + 5184 j + 2592 j + 576 j + 49
(%o70)
----------------------------------------
2
2 2
36 (2 j + 1) (3 j + 1) (6 j + 1)
では、計算してみましょう。
(%i72) j:0;
(%o72)
0
(%i73) k:2*j+1;
(%o73)
1
(%i74) n:3*k-1;
(%o74)
2
(%i75) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
2
7
(%o75)
-----
2 2
2 3
(%i76) j:1;
(%o76)
1
(%i77) k:2*j;
(%o77)
2
(%i78) n:3*k-1;
(%o78)
5
(%i79) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
7 67
(%o79)
--------
4 2 2
2 3 5
(%i80) k:2*j+1;
(%o80)
3
(%i81) n:3*k-1;
(%o81)
8
(%i82) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
12289
(%o82)
--------
6 4 2
2 3 7
(%i83) j:2;
(%o83)
2
(%i84) k:2*j;
(%o84)
4
(%i85) n:3*k-1;
(%o85)
11
(%i86) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
79 139
(%o86)
------------
4 2 2 2
2 3 5 11
(%i87) k:2*j+1;
(%o87)
5
(%i88) n:3*k-1;
(%o88)
14
(%i89) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
115249
(%o89)
---------------
2 2 2 2 2
2 3 5 7 13
(%i90) j:3;
(%o90)
3
(%i91) k:2*j;
(%o91)
6
(%i92) n:3*k-1;
(%o92)
17
(%i93) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
37 1693
(%o93)
---------
8 4 2
2 3 17
(%i94) k:2*j+1;
(%o94)
7
(%i95) n:3*k-1;
(%o95)
20
(%i96) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
37 12973
(%o96)
---------------
4 2 2 2 2
2 3 5 7 19
(%i97)
合計してみると、
(%i97) float(%o75+%o79+%o82+%o86+%o89+%o93+%o96);
(%o97)
1.598430817609168
さらに、計算を続けると、
(%i98) j:4;
(%o98)
4
(%i99) k:2*j;
(%o99)
8
(%i100) n:3*k-1;
(%o100)
23
(%i101) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
7 29983
(%o101)
-------------
6 2 2 2
2 3 11 23
(%i102) k:2*j+1;
(%o102)
9
(%i103) n:3*k-1;
(%o103)
26
(%i104) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
7 151 1297
(%o104)
------------
2 6 4 2
2 3 5 13
(%i105) j:5;
(%o105)
5
(%i106) k:2*j;
(%o106)
10
(%i107) n:3*k-1;
(%o107)
29
(%i108) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
19 27919
(%o108)
---------------
4 2 2 2 2
2 3 5 7 29
(%i109) k:2*j+1;
(%o109)
11
(%i110) n:3*k-1;
(%o110)
32
(%i111) factor(1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2);
727 4327
(%o111)
--------------
10 2 2 2
2 3 11 31
(%i112)
昔の数学者は、素因数分解は、容易でなかった。すると、素因数分解で、攻め
るという手があるかもしれない。
1
1
1
1 1
-------+-------
+ ----- + -------+-------
(n-2)^2
(n-1)^2 n^2 (n+1)^2 (n+2)^2
を考えてみましょ
う。
(%i1)
factor(1/(n-2)^2+1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2+1/(n+2)^2);
8
6 4
5 n - 20 n + 35 n + 16
(%o1)
--------------------------------------
2 2
2
2 2
(n - 2) (n - 1) n (n + 1) (n + 2)
1 1 1 1 1 1 1
-------+-------+-------
+ ----- + -------+-------+-------
(n-3)^2
(n-2)^2 (n-1)^2 n^2 (n+1)^2
(n+2)^2 (n+3)^2
を考えてみましょ
う。
(%i2)
factor(1/(n-3)^2+1/(n-2)^2+1/(n-1)^2+1/n^2+1/(n+1)^2+1/(n+2)^2+1/(n+3)^2);
12
10
8
6 4
7 n - 112 n + 686 n - 1736 n + 2163
n + 1296
(%o2)
--------------------------------------------------------
2
2 2
2
2
2 2
(n -
3) (n - 2) (n - 1) n (n + 1) (n + 2)
(n + 3)
さて、それでは、n=1から、2n+1の中心から折返しを考えてみましょ う。中心を n とすると、
(%i5) factor(1/(n-1)^2+1/(n+1)^2);
2
2 (n + 1)
(%o5)
-----------------
2 2
(n - 1) (n + 1)
(%i4)
factor(1/(n-2)^2+1/(n+2)^2);
2
2 (n + 4)
(%o4)
-----------------
2 2
(n - 2) (n + 2)
(%i3)
factor(1/(n-3)^2+1/(n+3)^2);
2
2 (n + 9)
(%o3)
-----------------
2 2
(n - 3) (n + 3)
(%i6) factor(1/(n-4)^2+1/(n+4)^2);
2
2 (n + 16)
(%o6)
-----------------
2 2
(n - 4) (n + 4)
(%i7) factor(1/(n-5)^2+1/(n+5)^2);
2
2 (n + 25)
(%o7)
-----------------
2 2
(n - 5) (n + 5)
(%i8)
(%i8) factor(1/(n-6)^2+1/(n+6)^2);
2
2 (n + 36)
(%o8)
-----------------
2 2
(n - 6) (n + 6)
(%i9) factor(1/(n-7)^2+1/(n+7)^2);
2
2 (n + 49)
(%o9)
-----------------
2 2
(n - 7) (n + 7)
(%i10) factor(1/(n-8)^2+1/(n+8)^2);
2
2 (n + 64)
(%o10)
-----------------
2 2
(n - 8) (n + 8)
(%i11) factor(1/(n-9)^2+1/(n+9)^2);
2
2 (n + 81)
(%o11)
-----------------
2 2
(n - 9) (n + 9)
(%i13) factor(1/(n-10)^2+1/(n+10)^2);
2
2 (n + 100)
(%o13)
-------------------
2 2
(n - 10) (n + 10)
極めて規則的ですね。合計を求めてみましょう。
(%i16)
factor(%o5+%o6+%o7+%o8+%o9+%o10+%o11+%o12+%o13+%o14);
38
36
34
32
30
(%o16) (2 (10 n - 6545 n + 1948485 n
- 349556680 n + 42208228832 n
28
26
24
- 3629088208830 n + 229250210636238 n -
10821039069848700 n
22
20
+ 384301849466796030 n - 10252784171127811225 n
18
16
+ 203306189906202064325 n - 2926798325861629476180 n
14
12
+ 29146338391530894867520 n - 178024988388235514261120
n
10
8
+ 363467130642469469054208 n +
3635885415245379411041280 n
6
4
- 35075509839165389516955648 n + 137467668390930878128128000
n
2
- 270063769784651873648640000 n +
268731604650484039680000000))
2
2
2
2
2
2
2 2
/((n - 10) (n - 9) (n - 8) (n - 7) (n - 6)
(n - 5) (n - 4) (n - 3)
2
2
2
2
2
2
2 2
(n - 2) (n - 1) (n + 1) (n + 2) (n +
3) (n + 4) (n + 5) (n + 6)
2
2
2 2
(n + 7) (n + 8) (n + 9) (n + 10) )
また、k番目は、
(%i14) factor(1/(n-k)^2+1/(n+k)^2);
2 2
2 (n + k )
(%o14)
-----------------
2 2
(n - k) (n + k)
ここで、(n^2+k^2)/(n+k)^2は、(n^2+k^2)/(n^2+k^2+2nk)<1。
また、最初と最後で折り返してみましょう。
(%i1) factor(1/1^2+1/((2*n+1)-0)^2);合計をとってみましょう。
(%i11) factor(%o1+%o2+%o3+%o4+%o5+%o6+%o7+%o8+%o9+%o10);
それでは、数値化してみましょう。n=20として、
(%i12) n:20;
(%o12) 20合計は
(%i23) factor(%o13+%o14+%o15+%o16+%o17+%o18+%o19+%o20+%o21+%o22);
小数化すると、
(%i24) float(%o23);
(%o24) 1.557415877843172