延续上一期的整数求和,本次我们将探讨如何计算平方和和立方和。
自然数列的立方和可以通过分块、拍扁、再重组的方法计算:
上图仅展示了3的立方,推广到3以上的自然数:
适用于任意自然数。
计算自然数列的平方和则相对复杂。
我们曾学习到奇数数列的和等同于一个平方数:
反之,一个平方数也可以分解成一个奇数数列。
将1到5的平方拆解成奇数数列的和,用不同颜色表示:
分解后,红色方块共有5组,黄色方块有4组,依此类推,绿色方块有2组,橙色方块有1组。
同理,将1到n的平方数拆解,长度为1的红色方块有n组,长度为3的黄色方块有n-1组,……,长度为2n-1的方块有1组。
接下来,将两个n的平方与红色方块组合,可形成一个长度为2n+1、高度为n的长方形:
再将两个n-1的平方与黄色方块组合,得到一个长度为2n+1、高度为n-1的长方形:
重复此过程,最终形成一个长度为2n+1、高度为1的长方形:
现在,我们有n个长度为2n+1的长方形,将其堆叠起来:
这个大长方形的水平边长为2n+1,垂直边长等于1+2+…+n。内部彩色的方块等于1到n的平方和,两个外侧的白色方块也分别等于1到n的平方和,因此整个长方形等于1到n的平方和的三倍:
此方法由Martin Gardner和Dan Kalman独立发现。
向这两位数学家致敬。
给大家一道习题:
像1,1,2,3,5,8,13,…这样的数列,从第三项开始,每项都等于前两项之和,称为斐波那契数列。那么,斐波那契数列的平方和该如何计算?