Matematické Fórum

Nevíte-li si rady s jakýmkoliv matematickým problémem, toto místo je pro vás jako dělané.

Nástěnka
22. 8. 2021 (L) Přecházíme zpět na doménu forum.matweb.cz!
04.11.2016 (Jel.) Čtete, prosím, před vložení dotazu, děkuji!
23.10.2013 (Jel.) Zkuste před zadáním dotazu použít některý z online-nástrojů, konzultovat použití můžete v sekci CAS.

Nejste přihlášen(a). Přihlásit

#1 04. 10. 2010 11:58 — Editoval Pavel (09. 10. 2010 13:11)

Pavel
Místo: Ostrava/Rychvald
Příspěvky: 1828
Škola: OU
Pozice: EkF VŠB-TUO
Reputace:   135 
 

Binomická čísla III.

Inspirován úlohou Binomická čísla II. uvádím další:

Nechť $n\in\mathbb N$. Najděte součet

$\Large{4n\choose 0}-{4n\choose 4}+{4n\choose 8}-{4n\choose 12}+\dots+(-1)^n{4n\choose 4n-8}-(-1)^n{4n\choose 4n-4}+(-1)^n{4n\choose 4n}$.

HINT :


Backslash je v TeXu tak důležitý jako nekonečno při dělení nulou v tělesech charakteristiky 0.

Offline

  • (téma jako vyřešené označil(a) Pavel)

#2 29. 10. 2010 20:01 — Editoval andrew (29. 10. 2010 20:05)

andrew
Příspěvky: 98
Reputace:   
 

Re: Binomická čísla III.

Offline

 

#3 23. 12. 2010 19:22 — Editoval Pavel (23. 12. 2010 19:23)

Pavel
Místo: Ostrava/Rychvald
Příspěvky: 1828
Škola: OU
Pozice: EkF VŠB-TUO
Reputace:   135 
 

Re: Binomická čísla III.

↑ andrew:

Po drahné době se opět dostávám k tomuto problému.

Bohužel to není dobře. Neplatí totiž

$\Re\Big[(1+ \sqrt{\mathrm{i}})^{4n}\Big] = {4n \choose 0} - {4n \choose 4} + {4n \choose 8} - {4n \choose 12} + \cdots +(-1)^n {4n \choose 4n}$

Stačí vzít druhý člen binomického rozvoje $(1+ \sqrt{\mathrm{i}})^{4n}$

$ \binom {4n}{1}\sqrt i=\binom {4n}{1}\left(\frac{\sqrt 2}{2}+i\frac{\sqrt 2}{2}\right) $

a je zřejmé, že i v něm se objevuje nenulová reálná složka $\binom {4n}{1}\,\frac{\sqrt 2}{2}$, která ve výše uvedené identitě chybí.


Backslash je v TeXu tak důležitý jako nekonečno při dělení nulou v tělesech charakteristiky 0.

Offline

 

#4 23. 12. 2010 22:18 — Editoval Pavel (23. 12. 2010 22:24)

Pavel
Místo: Ostrava/Rychvald
Příspěvky: 1828
Škola: OU
Pozice: EkF VŠB-TUO
Reputace:   135 
 

Re: Binomická čísla III.

Řešení:

Nechť

$ \varepsilon=\cos\frac{\pi}{4}+i\sin\frac{\pi}{4} $

je kořenem rovnice $x^8=1$. Pak všechny kořeny této rovnice je možné vyjádřit ve tvaru $1,\varepsilon,\varepsilon^2,\varepsilon^3,\varepsilon^4,\varepsilon^5,\varepsilon^6,\varepsilon^7$.

Sečtěme binomické rozvoje

$ (1+\varepsilon)^{4n}=\binom{4n}{0}\varepsilon^0+\binom{4n}{1}\varepsilon+\binom{4n}{2}\varepsilon^2+\binom{4n}{3}\varepsilon^3+\dots+\binom{4n}{4n-3}\varepsilon^{4n-3}+\binom{4n}{4n-2}\varepsilon^{4n-2}+\binom{4n}{4n-1}\varepsilon^{4n-1}+\binom{4n}{4n}\varepsilon^{4n}\nl (1-\varepsilon)^{4n}=\binom{4n}{0}\varepsilon^0-\binom{4n}{1}\varepsilon+\binom{4n}{2}\varepsilon^2-\binom{4n}{3}\varepsilon^3+\dots-\binom{4n}{4n-3}\varepsilon^{4n-3}+\binom{4n}{4n-2}\varepsilon^{4n-2}-\binom{4n}{4n-1}\varepsilon^{4n-1}+\binom{4n}{4n}\varepsilon^{4n}\nl \nl (1+\varepsilon)^{4n}+(1-\varepsilon)^{4n}=2\left[\binom{4n}{0}\varepsilon^0+\binom{4n}{2}\varepsilon^2+\binom{4n}{4}\varepsilon^4+\binom{4n}{6}\varepsilon^6+\dots+\binom{4n}{4n-6}\varepsilon^{4n-6}+\binom{4n}{4n-4}\varepsilon^{4n-4}+\binom{4n}{4n-2}\varepsilon^{4n-2}+\binom{4n}{4n}\varepsilon^{4n}\right] $


$ (1+\varepsilon^3)^{4n}=\binom{4n}{0}\varepsilon^0+\binom{4n}{1}\varepsilon^3+\binom{4n}{2}\varepsilon^6+\binom{4n}{3}\varepsilon^9+\dots+\binom{4n}{4n-3}\varepsilon^{12n-9}+\binom{4n}{4n-2}\varepsilon^{12n-6}+\binom{4n}{4n-1}\varepsilon^{12n-3}+\binom{4n}{4n}\varepsilon^{12n}\nl (1-\varepsilon^3)^{4n}=\binom{4n}{0}\varepsilon^0-\binom{4n}{1}\varepsilon^3+\binom{4n}{2}\varepsilon^6-\binom{4n}{3}\varepsilon^9+\dots-\binom{4n}{4n-3}\varepsilon^{12n-9}+\binom{4n}{4n-2}\varepsilon^{12n-6}-\binom{4n}{4n-1}\varepsilon^{12n-3}+\binom{4n}{4n}\varepsilon^{12n}\nl \nl (1+\varepsilon^3)^{4n}+(1-\varepsilon^3)^{4n}=2\left[\binom{4n}{0}\varepsilon^0+\binom{4n}{2}\varepsilon^6+\binom{4n}{4}\varepsilon^{12}+\dots+\binom{4n}{4n-4}\varepsilon^{12n-12}+\binom{4n}{4n-2}\varepsilon^{12n-6}+\binom{4n}{4n}\varepsilon^{12n}\right] $

Oba součty sečtěme

$ (1+\varepsilon)^{4n}+(1-\varepsilon)^{4n}+(1+\varepsilon^3)^{4n}+(1-\varepsilon^3)^{4n}=2\left[\binom{4n}{0}(\varepsilon^0+\varepsilon^0)+\binom{4n}{2}(\varepsilon^2+\varepsilon^6)+\binom{4n}{4}(\varepsilon^4+\varepsilon^{12})+\binom{4n}{6}(\varepsilon^6+\varepsilon^{18})+\dots+\right.\nl\left.+\binom{4n}{4n-6}(\varepsilon^{4n-6}+\varepsilon^{12n-18})+\binom{4n}{4n-4}(\varepsilon^{4n-4}+\varepsilon^{12n-12})+\binom{4n}{4n-2}(\varepsilon^{4n-2}+\varepsilon^{12n-6})+\binom{4n}{4n}(\varepsilon^{4n}+\varepsilon^{12n})\right] $

Součty mocnin kořene $\varepsilon$ lze zjednodušit podle následujícího pravidla:

$ \varepsilon^{4n+2}+\varepsilon^{3(4n+2)}=\varepsilon^{4n+2}+\varepsilon^{12n+6}=\varepsilon^{4n+2}(1+\varepsilon^{8n+4})=\varepsilon^{4n+2}[1+(\varepsilon^4)^{2n+1}]=\varepsilon^{4n+2}[1+(-1)^{2n+1}]=0,\quad\forall n\in\mathbb{N},\nl \varepsilon^{4n}+\varepsilon^{3(4n)}=\varepsilon^{4n}+\varepsilon^{12n}=\varepsilon^{4n}(1+\varepsilon^{8n})=(\varepsilon^4)^n[1+(\varepsilon^8)^n]=(-1)^n(1+1^n)=2\cdot(-1)^n,\quad\forall n\in\mathbb{N}. $

Pak tedy platí

$ (1+\varepsilon)^{4n}+(1-\varepsilon)^{4n}+(1+\varepsilon^3)^{4n}+(1-\varepsilon^3)^{4n}=\ldots=2\biggl[2\binom{4n}{0}-2\binom{4n}{4}+2\binom{4n}{8}-2\binom{4n}{12}+\dots+\nl +2\cdot(-1)^{n-3}\binom{4n}{4n-12}+2\cdot(-1)^{n-2}\binom{4n}{4n-8}+2\cdot(-1)^{n-1}\binom{4n}{4n-4}+2\cdot(-1)^n\binom{4n}{4n}\biggr]=\nl =4\left[\binom{4n}{0}-\binom{4n}{4}+\binom{4n}{8}-\binom{4n}{12}+\dots+(-1)^{n-3}\binom{4n}{4n-12}+(-1)^{n-2}\binom{4n}{4n-8}+(-1)^{n-1}\binom{4n}{4n-4}+(-1)^n\binom{4n}{4n}\right] $

Odtud určíme hledaný součet

$ \binom{4n}{0}-\binom{4n}{4}+\binom{4n}{8}-\binom{4n}{12}+\dots+(-1)^{n-3}\binom{4n}{4n-12}+(-1)^{n-2}\binom{4n}{4n-8}+(-1)^{n-1}\binom{4n}{4n-4}+(-1)^n\binom{4n}{4n}=\nl=\frac 14\,\left[(1+\varepsilon)^{4n}+(1-\varepsilon)^{4n}+(1+\varepsilon^3)^{4n}+(1-\varepsilon^3)^{4n}\right]=\frac 14\left\{\left[\sqrt{2+\sqrt{2}}\,\left(\cos\frac{\pi}{8}+i\sin\frac{\pi}{8}\right)\right]^{4n}+\left[\sqrt{2-\sqrt{2}}\,\left(\cos\left(-\frac{3\pi}{8}\right)+i\sin\left(-\frac{3\pi}{8}\right)\right)\right]^{4n}+\right.\nl\left.+\left[\sqrt{2-\sqrt{2}}\,\left(\cos\frac{3\pi}{8}+i\sin\frac{3\pi}{8}\right)\right]^{4n}+\left[\sqrt{2+\sqrt{2}}\,\left(\cos\left(-\frac{\pi}{8}\right)+i\sin\left(-\frac{\pi}{8}\right)\right)\right]^{4n}\right\}=\nl \frac 14\left[(2+\sqrt{2})^{2n}\,\left(\cos\frac{\pi n}{2}+i\sin\frac{\pi n}{2}\right)+(2-\sqrt{2})^{2n}\,\left(\cos\frac{3\pi n}{2}-i\sin\frac{3\pi n}{2}\right)+(2-\sqrt{2})^{2n}\,\left(\cos\frac{3\pi n}{2}+i\sin\frac{3\pi n}{2}\right)+(2+\sqrt{2})^{2n}\,\left(\cos\frac{\pi n}{2}-i\sin\frac{\pi n}{2}\right)\right]=\nl \frac 14\left[2(2+\sqrt{2})^{2n}\,\cos\frac{\pi n}{2}+2(2-\sqrt{2})^{2n}\,\cos\frac{3\pi n}{2}\right]=\frac 12\left[(2+\sqrt{2})^{2n}\,\cos\frac{\pi n}{2}+(2-\sqrt{2})^{2n}\,\cos\frac{3\pi n}{2}\right]=\nl=\frac 12\left[2^n(\sqrt{2}+1)^{2n}\,\cos\frac{\pi n}{2}+2^n(\sqrt{2}-1)^{2n}\,\cos\frac{3\pi n}{2}\right]=2^{n-1}\left[(\sqrt{2}+1)^{2n}\,\cos\frac{\pi n}{2}+(\sqrt{2}-1)^{2n}\,\cos\frac{3\pi n}{2}\right]. $

Výsledek bude záviset na tom, zda je $n$ sudé nebo liché.

$ \binom{4n}{0}-\binom{4n}{4}+\dots+(-1)^{n-1}\binom{4n}{4n-4}+(-1)^n\binom{4n}{4n}= \begin{cases} 0,\qquad n=2k+1,\nl (-1)^{\frac n2}\,2^{n-1}\left[(\sqrt{2}+1)^{2n}+(\sqrt{2}-1)^{2n}\right],\quad n=2k,\ k\in\mathbb{N}. \end{cases} $


Backslash je v TeXu tak důležitý jako nekonečno při dělení nulou v tělesech charakteristiky 0.

Offline

 

Zápatí

Powered by PunBB
© Copyright 2002–2005 Rickard Andersson