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🧱 游乐场 1.3

数正方形:平方和、立方和与四次方

一张 n×n 的方格纸里,藏着多少个正方形?把它们按大小分类数一遍,你就在做平方和。再往上一层,边框会变成立方。

平方和 立方和 望远镜求和 严格推导
边长为 1 的小正方形有 64 个。

为什么数正方形就是算平方和?

想一想

🔍分类数数

数正方形不能乱数。按边长分类:边长为 1 的有 n² 个,边长为 2 的有 (n−1)² 个……边长为 n 的有 1² 个。

所以总数 = n^2+(n-1)^2+\cdots+1^2,倒过来写就是 1²+2²+⋯+n²。

🧮公式怎么来的?

可以用“三点确定”的想法猜测它是一个三次多项式,再用几个 n 值待定系数;更漂亮的是用恒等式:

把所有 k 加起来,左边望远镜式抵消,就能解出平方和。

🐈欧拉的小提示

平方和公式是 n(n+1)(2n+1)/6。看看它为什么一定被 6 整除:n、n+1、2n+1 中必有一个是 3 的倍数,也有一个偶数。

所以除出来一定是整数,不会出现“半个正方形”。

🎯小挑战

① 10×10 的网格里一共有多少个正方形?

② 1^2+2^2+\cdots+20^2 等于多少?

看答案

① 1²+⋯+10² = 10×11×21/6 = 385;② 20×21×41/6 = 2870。

边长从 T(3)=6 长到 T(4)=10,镶上的边框正好有 4³=64 块。

边框为什么正好是 k³?

想一想

🖼️两张正方形照片

边长 T_k 的正方形面积是 T_k^2,边长 T_{k-1} 的面积是 T_{k-1}^2,差就是新镶上的一圈边框。

这里用了 T_k-T_{k-1}=k 和 T_k+T_{k-1}=k^2 两个小事实。

🪜把 1³+2³+… 加起来

每层边框都对应一个立方数,而所有边框拼起来正好是边长 T_n 的大正方形。

所以 立方和 = 三角形数的平方。这个结论叫尼科马库斯定理,两千年前就有人知道了。

🔢用数字检查

kTkTk²新增
1111 = 1³
2398 = 2³
363627 = 3³
41010064 = 4³
515225125 = 5³

🎯小挑战

① 1^3+2^3+\cdots+10^3 等于多少?

② 如果 1^3+\cdots+n^3=3025,n 是多少?

看答案

① T₁₀=55,55²=3025;② √3025=55=T₁₀,所以 n=10。

第一步:造一个差分。用二项式定理展开 (k+1)^5,再减去 k^5:
第二步:把所有 k 加起来。左边像伸缩望远镜一样抵消,只剩两头:
第三步:代入已知的幂和。右边是 5Σk⁴+10Σk³+10Σk²+5Σk+n,其中 Σk³、Σk²、Σk 我们都知道了。
第四步:解出 Σk⁴。把已知的代入、移项、除以 5,整理得:
公式不是猜出来的,是一步一步“挤”出来的。

这套“锻造法”还能造更多公式

想一想

🔭为什么叫望远镜求和?

把 (k+1)^5-k^5 从 k=1 加到 n:第二项的 −2⁵ 和下一项的 +3⁵ 抵消,最后只剩 (n+1)^5-1^5。

就像把望远镜一节节收起来。这个技巧对任何幂都管用。

🔺帕斯卡三角形来帮忙

展开 (k+1)⁵ 用到的系数,就在帕斯卡三角形第 5 行:

1
11
121
1331
14641
15101051

这就是为什么式子里会出现 5、10、10、5、1。

🏭公式流水线

想要 Σk⁵?把 (k+1)^6-k^6 展开、求和、移项,就得到五次方和。

代价是:越往后公式越长。数学家后来发明了伯努利数,把这一长串公式打包成一个漂亮的统一写法。

🎯小挑战

① 用公式算 1^4+2^4+\cdots+10^4。

② 用 (k+1)³−k³ 推出平方和公式,动手写一遍。

看答案

① n=10:10×11×21×(3×100+30−1)/30 = 10×11×21×329/30 = 25333。② (k+1)³−k³=3k²+3k+1,求和得 (n+1)³−1=3Σk²+3Σk+n,代入 Σk 后解出 Σk²。