Bilangan segitiga kuadrat

Dalam teorema bilangan, jumlah $n$ kubik pertama adalah kuadrat dari bilangan segitiga ke- $n$ . Jumlah tersebut dirumuskan sebagai

1^{3}+2^{3}+3^{3}+\cdots +n^{3}=\left(1+2+3+\cdots +n\right)^{2}.

Dengan menggunakan notasi Sigma, persamaan tersebut dapat ditulis:

\sum _{k=1}^{n}k^{3}={\bigg (}\sum _{k=1}^{n}k{\bigg )}^{2}.

Identitas tersebut terkadang disebut juga teorema Nicomachus, yang dinamai dari Nicomachus dari Geresa.

Sejarah

Dalam bagian akhir Bab 20, di buku Introduction to Arithmetic, Nicomachus menunjukkan bahwa jika ditulis daftar bilangan ganjil, yang pertama adalah $1^{3}$ , maka jumlah kedua berikutnya adalah $2^{3}$ , jumlah ketiga berikutnya adalah $3^{3}$ , dan begitupula seterusnya. Nichomacus tidak menjelaskannya lebih lanjut, tetapi pernyataan tersebut dapat disimpulkan bahwa jumlah dari $n^{3}$ pertama sama dengan jumlah dari bilangan ganjil ${\textstyle n(n+1)/2}$ yang pertama, dalam artian bahwa bilangan ganjil yang berawal dari 1 sampai $n(n+1)-1$ . Rata-rata dari bilangan tersebut adalah ${\textstyle n(n+1)/2}$ . dan terdapat ${\textstyle n(n+1)/2}$ bilangan tersebut, sehingga jumlahnya adalah ${\textstyle \left(n(n+1)/2\right)^{2}}$ .

Banyak matematikawan pada awalnya telah mempelajari dan memberikan bukti teorema Nicomachus. (Stroeker 1995) mengatakan bahwa "setiap siswa yang mempelajari teori bilangan ini, tentunya akan kagum dengan fakta ajaib ini". (Pengelley 2002) menemukan sumber untuk identitas yang tidak hanya dalam karya Nicomachus di Jordan pada abad pertama M. Sumber identitas tersebut juga ditemukan dalam karya Aryabhata di India pada abad kelima, dan karya Al-Karaji sekitar 1000 di Persia. (Bressoud 2004) menyebutkan beberapa karya matematika pada rumus ini ditambahkan oleh Al-Qabisi di Arab pada abad kesepuluh, Gersonides di Prancis sekitar tahun 1300, dan Nilakantha Somayaji di India sekitar 1500; ia menyalin kembali bukti visual Nilakantha.

Nilai numerik; pandangan geometris dan probabilistik

Semua 36 (= (1 + 2 + 3)² = 1³ + 2³ + 3³) persegi panjang, berisi 14 (= 1² + 2² + 3²) persegi (merah), dalam persegi 3×3, di kisi (4×4).

Barisan bilangan segitiga kuadrat adalah:

0,1, 9, 36, 100, 225, 441, 784, 1296, 225, 3025, 4356, 084, 8281, .... (barisan A000537 pada OEIS).

Bilangan segitiga kuadrat tersebut dapat dipandang sebagai bilangan figurasi, suatu perumuman hiperpiramidal empat dimensi dari bilangan segitiga dan bilangan piramidal persegi.

(Stein 1971) mengamati bahwa bilangan segitiga kuadrat juga menghitung jumlah persegi panjang dengan sisi horizontal dan vertikal dibentuk dalam sebuah $n\times n$ kisi. Sebagai contoh, titik-titik dari $4\times 4$ kisi (atau persegi yang terdiri dari tiga persegi kecil di samping) dapat membentuk 36 persegi panjang yang berbeda. Dengan cara yang serupa, jumlah bilangan kuadrat dalam kisi persegi tersebut dihitung dengan bilangan piramidal kuadrat.

Identitas tersebut juga mengatakan pandangan probabilistik sebagai berikut: Misalkan $W,X,Y,Z$ menyatakan bilangan bulat yang dipilih secara independen dan seragam di sebarang bilangan di antara $1$ dan $n$ . Maka, probabilitas mengatakan bahwa $W$ adalah bilangan bulat terbesar dari keempat bilangan yang sama dengan probabilitas yang mengatakan $Y$ setidaknya sebesar $X$ , dan $W$ setidaknya sebesar $Z$ $\mathbf {P} ({\max(X,Y,Z)\leq W})=\mathbf {P} (\{X\leq Y\}\cap \{Z\leq W\}).$ Probabilitas masing-masing adalah ruas kiri dan ruas kanan pada identitas Nichomacus, yang dinormalisasi untuk membuat probabilitas dengan membagi kedua ruas oleh $n^{4}$ .^{[butuh rujukan]}

Bukti

Charles Wheatstone (1854) memberikan bentukan yang sangat sederhana, dengan memperluas setiap kubus dalam jumlah menjadi satu himpunan bilangan ganjil berturut-turut. Dia mulai dengan memberikan identitas

n^{3}=\underbrace {\left(n^{2}-n+1\right)+\left(n^{2}-n+1+2\right)+\left(n^{2}-n+1+4\right)+\cdots +\left(n^{2}+n-1\right)} _{{\text{bilangan ganjil berurutan }}n}.

Identitas itu terkait dengan bilangan segitiga $T_{n}$ dengan cara berikut:

n^{3}=\sum _{k=T_{n-1}+1}^{T_{n}}(2k-1),

dan demikian penjumlahan membentuk $n^{3}$ mulai setelah mereka membentuk semua nilai sebelumnya $1^{3}$ hingga $(n-1)^{3}$ . Dengan menerapkan sifat tersebut, bersama dengan identitas terkenal lainnya:

n^{2}=\sum _{k=1}^{n}(2k-1),

kita mendapatkan bentukan berikut:

{\begin{aligned}\sum _{k=1}^{n}k^{3}&=1+8+27+64+\cdots +n^{3}\\&=\underbrace {1} _{1^{3}}+\underbrace {3+5} _{2^{3}}+\underbrace {7+9+11} _{3^{3}}+\underbrace {13+15+17+19} _{4^{3}}+\cdots +\underbrace {\left(n^{2}-n+1\right)+\cdots +\left(n^{2}+n-1\right)} _{n^{3}}\\&=\underbrace {\underbrace {\underbrace {\underbrace {1} _{1^{2}}+3} _{2^{2}}+5} _{3^{2}}+\cdots +\left(n^{2}+n-1\right)} _{\left({\frac {n^{2}+n}{2}}\right)^{2}}\\&=(1+2+\cdots +n)^{2}\\&={\bigg (}\sum _{k=1}^{n}k{\bigg )}^{2}.\end{aligned}}

(Row 1893) mendapatkan bukti lain dengan menjumlahkan bilangan-bilangan dalam tabel perkalian persegi dengan dua cara berbeda. Jumlah dari

baris ke- $i$ adalah $i$ dikalikan dengan bilangan segitiga, yang jumlah dari semua baris adalah kuadrat dari bilangan segitiga. Sebagai alternatif, salah satunya dapat menguraikan tabel menjadi urutan gnomon, masing-masing terdiri dari hasil kali yang lebih besar dari dua suku adalah suatu nilai tetap. Jumlah dalam setiap gonmon adalah kubus, jadi jumlah seluruh tabel adalah jumlah kubus.

Secara visual menyatakan bahwa kuadrat dari bilangan segitiga sama dengan jumlah kubus.

Dalam literatur matematika yang lebih baru, (Edmonds 1957) memberikan sebuah bukti menggunakan penjumlahan oleh bagian-bagian . (Stein 1971) menggunakan interpretasi penghitungan persegi panjang pada bilangan-bilangan ini untuk membentuk bukti geometris pada identitas (lihat juga Benjamin, Quinn & Wurtz 2006 ); ia mengamati bahwa itu juga dapat dibuktikan dengan mudah (tetapi tidak informatif) dengan induksi, dan menyatakan bahwa (Toeplitz 1963) memberikan "bukti Arab kuno yang menarik". (Kanim 2004) memberikan bukti visual murni, (Benjamin & Orrison 2002) memberikan dua bukti tambahan, dan (Nelsen 1993) memberikan tujuh bukti geometris.

Generalisasi

Hasil yang mirip dengan teorema Nicomachus berlaku untuk semua jumlah bereksponen, yaitu bahwa jumlah bereksponen ganjil adalah polinomial dalam bilangan segitiga. Ini disebut polinomial Faulhaber, di mana jumlah kubik adalah contoh paling sederhana dan paling elegan. Namun, tidak ada kasus lain yang memiliki jumlah bereksponen satu kuadrat dari yang lain (Edmonds 1957). .

(Stroeker 1995) mempelajari kondisi yang lebih umum di mana jumlah urutan kubus berturut-turut membentuk kuadrat. (Garrett & Hummel 2004) dan (Warnaar 2004) mempelajari analog polinomial dari rumus bilangan segitiga triangular, di mana deret pada polinomial menambah kuadrat dari polinomial lain.

Referensi

Benjamin, Arthur T.; Orrison, M. E. (2002), "Two quick combinatorial proofs of $\textstyle \sum k^{3}={n+1 \choose 2}^{2}$ " (PDF), College Mathematics Journal, 33 (5): 406–408, doi:10.2307/1559017, JSTOR 1559017 .
Benjamin, Arthur T.; Quinn, Jennifer J.; Wurtz, Calyssa (2006), "Summing cubes by counting rectangles" (PDF), College Mathematics Journal, 37 (5): 387–389, doi:10.2307/27646391, JSTOR 27646391 .
Bressoud, David (2004), Calculus before Newton and Leibniz, Part III (PDF), AP Central .
Edmonds, Sheila M. (1957), "Sums of powers of the natural numbers", The Mathematical Gazette, 41: 187–188, doi:10.2307/3609189, JSTOR 3609189, MR 0096615
Garrett, Kristina C.; Hummel, Kristen (2004), "A combinatorial proof of the sum of $q$ -cubes", Electronic Journal of Combinatorics, 11 (1), Research Paper 9, MR 2034423 .
Gulley, Ned (March 4, 2010), Shure, Loren, ed., Nicomachus's Theorem, Matlab Central .
Kanim, Katherine (2004), "Proofs without words: The sum of cubes—An extension of Archimedes' sum of squares", Mathematics Magazine, 77 (4): 298–299, doi:10.2307/3219288, JSTOR 3219288 .
Nelsen, Roger B. (1993), Proofs without Words, Cambridge University Press, ISBN 978-0-88385-700-7 .
Pengelley, David (2002), "The bridge between continuous and discrete via original sources", Study the Masters: The Abel-Fauvel Conference (PDF), National Center for Mathematics Education, Univ. of Gothenburg, Sweden .
Row, T. Sundara (1893), Geometric Exercises in Paper Folding, Madras: Addison, pp. 47–48 .
Stein, Robert G. (1971), "A combinatorial proof that $\textstyle \sum k^{3}=(\sum k)^{2}$ ", Mathematics Magazine, 44 (3): 161–162, doi:10.2307/2688231, JSTOR 2688231 .
Stroeker, R. J. (1995), "On the sum of consecutive cubes being a perfect square", Compositio Mathematica, 97 (1–2): 295–307, MR 1355130 .
Toeplitz, Otto (1963), The Calculus, a Genetic Approach, University of Chicago Press, ISBN 978-0-226-80667-9 .
Warnaar, S. Ole (2004), "On the $q$ -analogue of the sum of cubes", Electronic Journal of Combinatorics, 11 (1), Note 13, MR 2114194 .
Wheatstone, C. (1854), "On the formation of powers from arithmetical progressions" (PDF), Proceedings of the Royal Society of London, 7: 145–151, doi:10.1098/rspl.1854.0036 .

Pranala luar

Weisstein, Eric W. "Nicomachus's theorem". MathWorld.
A visual proof of Nicomachus's theorem Diarsipkan 2017-01-29 di Wayback Machine.