【附】为方便有需要者编辑,特附纯文本如后。另外,文末提供有PPT照片版。
【代数6-5】对整数n≥2,令F(n)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_(n-1)^(2k-2) 〖-nC_(n-2)^(2k-1)-C〗_(n-2)^2k]〗,试证:F(n)=1。(原创题)
【题感】由于和式中代表项非常复杂,想到对之适当变形,以发掘其中隐藏的某种规律。
注意到C_(n-2)^(2k-1)、C_(n-2)^2k下标相同,想到将其上标变为相同,观察其是否有新的特点。
注意,如果是计算题,则可研究特例,猜出结果,然后转化为恒等式的证明。
F(2)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_1^(2k-2) 〖-2C〗_0^(2k-1) 〖-C〗_0^2k]〗=(C10-0-0)=1。
F(3)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_2^(2k-2) 〖-3C〗_1^(2k-1) 〖-C〗_1^2k]〗
=(C20-3C11-0)+3(C22-0-0)=1-3+3=1。
F(4)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_3^(2k-2) 〖-4C〗_2^(2k-1) 〖-C〗_2^2k]〗
=(C30-4C21- C22)+3(C32-0-0)=(1-8-1)+9=1。
F(5)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_4^(2k-2) 〖-5C〗_3^(2k-1) 〖-C〗_3^2k]〗
=(C40-5C31- C32)+3(C42-5C33-0)+15(C44-0-0)
=(1-15-3)+3(6-5)+15=1。
F(6)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_5^(2k-2) 〖-6C〗_4^(2k-1) 〖-C〗_4^2k]〗
=(C50-6C41- C42)+3(C52-6C43- C44)+15(C54-0-0)
=(1-24-6)+3(10-24-1)+75=1。
【构造相同】因为C_(n-2)^(2k-1)+C_(n-2)^2k(同底相加)=C_(n-1)^2k,所以
(如果选用C_(n-2)^(2k-1)+C_(n-2)^(2k-2)=C_(n-1)^(2k-1),则上标并没有变成相同)
C_(n-1)^(2k-2)-nC_(n-2)^(2k-1)-C_(n-2)^2k=C_(n-1)^(2k-2)-n(C_(n-1)^2k-C_(n-2)^2k)-C_(n-2)^2k=C_(n-1)^(2k-2)-nC_(n-1)^2k+(n-1)C_(n-2)^2k。
【发掘规律】其中-nC_(n-1)^2k+(n-1)C_(n-2)^2k具有“差分”形式:-(△nC_(n-1)^2k)。
由此想到,将代表项中的另一部分“C_(n-1)^(2k-2)”也表成差分形式,这利用组合数性质即可。
因为C_(n-1)^(2k-2)+C_(n-1)^(2k-1)=C_n^(2k-1),所以C_(n-1)^(2k-2)=C_n^(2k-1)-C_(n-1)^(2k-1),所以
C_(n-1)^(2k-2) 〖-nC_(n-2)^(2k-1)-C〗_(n-2)^2k=(C_n^(2k-1)-C_(n-1)^(2k-1))-(nC_(n-1)^2k-(n-1)C_(n-2)^2k)
=〖[C〗_n^(2k-1) 〖-nC〗_(n-2)^2k]- 〖[C〗_(n-1)^(2k-1) 〖-(n-1)C〗_(n-2)^2k]=p(n)- p(n-1)(因式差分),
其中p(n)=C_n^(2k-1) 〖-nC〗_(n-2)^2k。
这样,∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_(n-1)^(2k-2) 〖-nC_(n-2)^(2k-1)-C〗_(n-2)^2k]〗
=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!![p(n)- p(n-1)]〗= G(n)- G(n-1)(代表项差分),
其中G(n)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!p(n)〗=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_n^(2k-1) 〖-nC〗_(n-1)^2k]〗。
【问题转换】至此,问题转化为证明G(n)- G(n-1)=1,即{ G(n)}是公差为1的等差数列。
容易想到,转求G(n)的通项,这可研究特例。
对G(n)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_n^(2k-1) 〖-nC〗_(n-1)^2k]〗,我们有
G(1)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_1^(2k-1) 〖-C〗_0^2k]〗=C11-0=1。
G(2)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_2^(2k-1) 〖-2C〗_1^2k]〗=C21-0=2。
G(3)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_3^(2k-1) 〖-3C〗_2^2k]〗=(C31-3C22)+3[C33-0]=3。
G(4)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_4^(2k-1) 〖-4C〗_3^2k]〗=(C41-4C32)+3[C43-0]=4。
G(5)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_5^(2k-1) 〖-5C〗_4^2k]〗=(C51-5C42)+3(C53-5C44)+5×3[C55-0]=5。
【猜想】对任何正整数n,有G(n)=n,即∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_n^(2k-1) 〖-nC〗_(n-1)^2k]〗=n。
为证明此猜想,仿上对和式中代表项进行变形。
【构造相同】将C_n^(2k-1)、C_(n-1)^2k的上标变为相同。
因为C_n^(2k-1)+C_n^2k(同底相加)=C_(n+1)^2k,所以C_n^(2k-1)-nC_(n-1)^2k=C_(n+1)^2k-C_n^2k-nC_(n-1)^2k。
G(n)= ∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!〖[C〗_n^(2k-1) 〖-nC〗_(n-1)^2k]〗=∑_(k=1)^∞(2k-1)!![C_(n+1)^2k-C_n^2k-nC_(n-1)^2k]
=H(n+1)- H(n)-n H(n-1),其中H(n)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!C_n^2k 〗。
至此,问题转化为H(n)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!C_n^2k 〗满足以下递归关系:
H(n+1)= H(n)+n H(n-1)+n。
注意,H(n)=∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!C_n^2k 〗具有明显的组合意义:其中C_n^2k是n个数中取2k个数的组合数;而(2k-1)!!则是2k个数平均分成k组的方法数。由此想到构造如下的组合模型。
【组合模型】考虑如下问题:将n个人分成若干个组,每组1或2人。求所有不同的分组方法数J(n)。
由目标和式中代表项的组合意义,想到采用两种方式计算J(n)(捆绑计算与分散计算)。
【捆绑计算】称两个人的组为对子,从对子出发计算J(n)。
如果不含对子,则有唯一方法。
下设含有k个对子(k≥1)。选取k个对子中的2k个元素有Cn2k种方法,将2k个元素分为k个对子有(C2k2C2k-22…C22)/k! =(2k)!/(2kk!)=(2k-1)!!种方法。所以含有k个对子的分组方法数为(2k-1)!!C_n^2k(n≥2)。
所以,J(n)=1+∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!C_n^2k 〗=:1+H(n)。
【分散计算】从元素出发计算J(n)。
当n=2时,不组建对子,有唯一方法;组建对子也有唯一方法,所以J(2)=1+1=2。
当n≥3时,考察某人a所在组的情况,有两种可能。
(1)a所在组有2人,则该组有n-1种取法,剩下n-2人的分组方法数为J(n-2),此时共有(n-1)J(n-2)种方法。
(2)a所在组只有1人,则除a外的n-1人的分组方法数为J(n-2)。
所J(n)= J(n-1)+(n-1)J(n-2)。
【还原】又J(n)= H(n)+1,则
由此得H(n)+1= H(n-1)+1+(n-1)H(n-2)+n-1。
即H(n)= H(n-1)+(n-1)H(n-2)+n-1。
所以H(n+1)= H(n)+nH(n-1)+n,命题获证。
【新写】考虑如下问题:将n个人分成若干个组,每组1或2人。求所有不同的分组方法数J(n)。
如果每个组都是1人,则有唯一方法。下设含有k(k≥1)个组为2人组。选取2k个人有Cn2k种方法,将2k个人平均分为k个组有(C2k2C2k-22…C22)/k! =(2k)!/(2kk!)=(2k-1)!!种方法。所以含有k个2人组的分组方法数为(2k-1)!!C_n^2k(n≥2)。所以,J(n)=1+∑_(k=1)^∞〖(2k-1)!!C_n^2k 〗=:1+H(n)。
另一方面,显然J(2)=1+1=2。当n≥3时,考察某人a所在组的情况。若a所在组有2人,则该组有n-1种取法,剩下n-2人的分组方法数为J(n-2),此时共有(n-1)J(n-2)种方法;若a所在组只有1人,则分组方法数为J(n-1)。所以J(n)= J(n-1)+(n-1)J(n-2)。
又J(n)=1+ H(n),代入得H(n)= H(n-1)+(n-1)H(n-2)+n-1。
所以H(n+1)= H(n)+nH(n-1)+n,这样,
n=H(n+1)- H(n)-nH(n-1)=∑_(k=1)^∞(2k-1)!![C_(n+1)^2k-C_n^2k-nC_(n-1)^2k]
=∑_(k=1)^∞(2k-1)!![C_n^(2k-1)-nC_(n-1)^2k]。
令G(n)=∑_(k=1)^∞(2k-1)!![C_n^(2k-1)-nC_(n-1)^2k],则G(n)- G(n-1)=n-(n-1)=1,化简即F(n)=1,证毕。
(实际上,1=G(n)- G(n-1)
=∑_(k=1)^∞(2k-1)!![C_n^(2k-1)-nC_(n-1)^2k-C_(n-1)^(2k-1)+(n-1)C_(n-2)^2k]
=∑_(k=1)^∞(2k-1)!![C_(n-1)^(2k-2)-n(C_(n-1)^2k-C_(n-2)^2k)-C_(n-2)^2k]
=∑_(k=1)^∞(2k-1)!![C_(n-1)^(2k-2)-nC_(n-2)^(2k-1)-C_(n-2)^2k]。)