一些数学小公式/定理的证明

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定理

①:类欧几里得算法

f(a,b,c,n)=∑i=0n⌊a×i+bc⌋f(a,b,c,n)=\sum_{i=0}^n\bigg\lfloor\frac{a\times i+b}{c}\bigg\rfloorf(a,b,c,n)=i=0nca×i+b

分类讨论
①:a≥c∣∣b≥ca\ge c||b\ge cacbc
∑i=0n⌊a×i+bc⌋=∑i=0n(⌊(a%c)i+(b%c)c⌋+i⌊ac⌋+⌊bc⌋)\sum_{i=0}^n\bigg\lfloor\frac{a\times i+b}{c}\bigg\rfloor=\sum_{i=0}^n\bigg(\bigg\lfloor\frac{(a\%c)i+(b\%c)}{c}\bigg\rfloor+i\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor+\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor\bigg)i=0nca×i+b=i=0n(c(a%c)i+(b%c)+ica+cb)
=f(a%c,b%c,c,n)+n×(n+1)2⌊ac⌋+n⌊bc⌋=f(a\%c,b\%c,c,n)+\frac{n\times(n+1)}{2}\bigg\lfloor\frac{a}{c}\bigg\rfloor+n\bigg\lfloor\frac{b}{c}\bigg\rfloor=f(a%c,b%c,c,n)+2n×(n+1)ca+ncb
②:a<c&&b<ca<c\&\&b<ca<c&&b<c

a=0⇒f(a,b,c,n)=0a=0\Rightarrow f(a,b,c,n)=0a=0f(a,b,c,n)=0
a≠0a≠0a=0
∑i=0n⌊a×i+bc⌋=∑i=0n∑j=0⌊a×i+bc⌋−11\sum_{i=0}^n\bigg\lfloor\frac{a\times i+b}{c}\bigg\rfloor=\sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^{\bigg\lfloor\frac{a\times i+b}{c}\bigg\rfloor-1}1i=0nca×i+b=i=0nj=0ca×i+b11=∑j=0⌊a∗n+bc⌋−1∑i=0n[j<⌊a×i+bc⌋]=\sum_{j=0}^{\bigg\lfloor\frac{a*n+b}{c}\bigg\rfloor-1}\sum_{i=0}^n\bigg[j<\big\lfloor\frac{a\times i+b}{c}\big\rfloor\bigg]=j=0can+b1i=0n[j<ca×i+b]=∑j=0⌊a∗ni+bc⌋−1∑i=0n[j<⌈ai+b−c+1c⌉]=\sum_{j=0}^{\bigg\lfloor\frac{a*ni+b}{c}\bigg\rfloor-1}\sum_{i=0}^n\bigg[j<\big\lceil\frac{ai+b-c+1}{c}\big\rceil\bigg]=j=0cani+b1i=0n[j<cai+bc+1]=∑j=0⌊a×i+bc⌋−1∑i=0n[cj<ai+b−c+1]=\sum_{j=0}^{\bigg\lfloor\frac{a\times i+b}{c}\bigg\rfloor-1}\sum_{i=0}^n\bigg[cj< ai+b-c+1\bigg]=j=0ca×i+b1i=0n[cj<ai+bc+1]=∑j=0⌊a×i+bc⌋−1∑i=0n[cj−b+c−1<ai]=\sum_{j=0}^{\bigg\lfloor\frac{a\times i+b}{c}\bigg\rfloor-1}\sum_{i=0}^n\bigg[cj-b+c-1< ai\bigg]=j=0ca×i+b1i=0n[cjb+c1<ai]=∑j=0⌊a∗n+bc⌋−1∑i=0n[⌊cj−b+c−1a⌋<i]=\sum_{j=0}^{\bigg\lfloor\frac{a*n+b}{c}\bigg\rfloor-1}\sum_{i=0}^n\bigg[\big\lfloor\frac{cj-b+c-1}{a}\big\rfloor<i\bigg]=j=0can+b1i=0n[acjb+c1<i]=∑j=0⌊a∗n+bc⌋−1n−⌊cj−b+c−1a⌋=\sum_{j=0}^{\bigg\lfloor\frac{a*n+b}{c}\bigg\rfloor-1}n-\big\lfloor\frac{cj-b+c-1}{a}\big\rfloor=j=0can+b1nacjb+c1=n⌊a∗i+bc⌋−f(c,−b+c−1,a,⌊a∗n+bc⌋−1)=n\bigg\lfloor\frac{a*i+b}{c}\bigg\rfloor-f(c,-b+c-1,a,\bigg\lfloor\frac{a*n+b}{c}\bigg\rfloor-1)=ncai+bf(c,b+c1,a,can+b1)
又套用①情况求解

公式

①:等比数列求和

∑k=1nxk=x−xn+11−x\sum_{k=1}^nx^k=\frac{x -x^{n+1}}{1-x}k=1nxk=1xxxn+1

Sn=∑k=1nxkS_n=\sum_{k=1}^nx^kSn=k=1nxk
x×Sn=x∑k=1nxk=∑k=2n+1xkx\times S_n=x\sum_{k=1}^nx^k=\sum_{k=2}^{n+1}x^{k}x×Sn=xk=1nxk=k=2n+1xk
两式相减即可
Sn−x×Sn=x1−xn+1S_n-x\times S_n=x^1-x^{n+1}Snx×Sn=x1xn+1Sn=x−xn+11−xS_n=\frac{x-x^{n+1}}{1-x}Sn=1xxxn+1

②:等差数列一次方和

首项为aaa,公差为ddd,求前nnn项等差数的和
∑i=1n(a+(i−1)d)\sum_{i=1}^n\bigg(a+(i-1)d\bigg)i=1n(a+(i1)d)

a+(a+d)+(a+2d)+...+(a+(n−1)d)⏟n=a⋅n+d+2d+...(n−1)d⏟n−1\underbrace{a+(a+d)+(a+2d)+...+(a+(n-1)d)}_{n}=a·n+\underbrace{d+2d+...(n-1)d}_{n-1}na+(a+d)+(a+2d)+...+(a+(n1)d)=an+n1d+2d+...(n1)d
=a⋅n+(1+2+...+n−1)d=a⋅n+n(n−1)2d=a·n+(1+2+...+n-1)d=a·n+\frac{n(n-1)}{2}d=an+(1+2+...+n1)d=an+2n(n1)d

③:等差数列二次方和

首项为aaa,公差为ddd,求前nnn项等差数的平方的和
∑i=1n(a+(i−1)d)2\sum_{i=1}^n\bigg(a+(i-1)d\bigg)^2i=1n(a+(i1)d)2

a2+(a+d)2+(a+2d)2+...+(a+(n−1)d)2⏟n\underbrace{a^2+(a+d)^2+(a+2d)^2+...+(a+(n-1)d)^2}_{n}na2+(a+d)2+(a+2d)2+...+(a+(n1)d)2
=a2+(a2+2ad+12d2)+(a2+4ad+22d2)+...+(a2+2(n−1)ad+(n−1)2d2)⏟n=\underbrace{a^2+(a^2+2ad+1^2d^2)+(a^2+4ad+2^2d^2)+...+(a^2+2(n-1)ad+(n-1)^2d^2)}_{n}=na2+(a2+2ad+12d2)+(a2+4ad+22d2)+...+(a2+2(n1)ad+(n1)2d2)
=a2n+(2ad+4ad+...+2(n−1)ad)⏟n−1+(12+22+...+(n−1)2)d2⏟n−1=a^2n+\underbrace{(2ad+4ad+...+2(n-1)ad)}_{n-1}+\underbrace{(1^2+2^2+...+(n-1)^2)d^2}_{n-1}=a2n+n1(2ad+4ad+...+2(n1)ad)+n1(12+22+...+(n1)2)d2
=a2n+(1+2+...+(n−1))2ad+(n−1)n(2n−1)6d2=a^2n+(1+2+...+(n-1))2ad+\frac{(n-1)n(2n-1)}{6}d^2=a2n+(1+2+...+(n1))2ad+6(n1)n(2n1)d2
=a2n+n(n−1)ad+(n−1)n(2n−1)6d2=a^2n+n(n-1)ad+\frac{(n-1)n(2n-1)}{6}d^2=a2n+n(n1)ad+6(n1)n(2n1)d2

结论

①:n&1=1⇒3∣(2n−2)n\&1=1\Rightarrow 3|(2^n-2)n&1=13(2n2)

如果nnn奇数,有2n−22^n-22n2则为333的倍数

将减法转化为加法,如果2n+1=3k2^n+1=3k2n+1=3k成立,那么结论成立,现在来证明“如果”
分享两种方法

法1
n=2m+1n=2m+1n=2m+1
2n+1=22m+1+1=(22m+1−22m−1)+(22m−1−22m−3)+...+(23−21)+(2−1)2^n+1=2^{2m+1}+1=(2^{2m+1}-2^{2m-1})+(2^{2m-1}-2^{2m-3})+...+(2^3-2^1)+(2-1)2n+1=22m+1+1=(22m+122m1)+(22m122m3)+...+(2321)+(21)
每个括号里面的数都是333的倍数,得证

  • 简单举例第一个括号
    22m+1−22m−1=22m−1∗(22−1)=22m−1∗32^{2m+1}-2^{2m-1}=2^{2m-1}*(2^2-1)=2^{2m-1}*322m+122m1=22m1(221)=22m13

法2:数学归纳法
n=1n=1n=1时,有2n+1=32^n+1=32n+1=3,满足条件
n=kn=kn=k时,kkk为奇,假设有2k+1=3t2^k+1=3t2k+1=3t
n=k+2n=k+2n=k+2时,则有2n+1=2k+2+1=4∗2k+1=4∗(3t−1)+1=12t−3=3∗(4t−1)2^n+1=2^{k+2}+1=4*2^k+1=4*(3t-1)+1=12t-3=3*(4t-1)2n+1=2k+2+1=42k+1=4(3t1)+1=12t3=3(4t1)
证毕

②:12+22+...+n2=n(n+1)(2n+1)61^2+2^2+...+n^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}12+22+...+n2=6n(n+1)(2n+1)

(n+1)3=n3+3n2+3n+1(n+1)^3=n^3+3n^2+3n+1(n+1)3=n3+3n2+3n+1
{23=13+3∗12+3∗1+133=23+3∗22+3∗2+1...n3=(n−1)3+3∗(n−1)2+3(n−1)+1(n+1)3=n3+3∗n2+3∗n+1\begin{cases} 2^3=1^3+3*1^2+3*1+1\\ 3^3=2^3+3*2^2+3*2+1\\ ...\\ n^3=(n-1)^3+3*(n-1)^2+3(n-1)+1\\ (n+1)^3=n^3+3*n^2+3*n+1\\ \end{cases} 23=13+312+31+133=23+322+32+1...n3=(n1)3+3(n1)2+3(n1)+1(n+1)3=n3+3n2+3n+1
等式左右两边nnn项全加起来
(n+1)3=13+3∗(12+22+...+n2)+3∗(1+2+...+n)+1+1+...+1⏟n(n+1)^3=1^3+3*(1^2+2^2+...+n^2)+3*(1+2+...+n)+\underbrace{1+1+...+1}_{n}(n+1)3=13+3(12+22+...+n2)+3(1+2+...+n)+n1+1+...+1
⇔(12+22+...+n2)=(n+1)3−13−3∗(1+2+...+n)−1+1+...+1⏟n3\Leftrightarrow (1^2+2^2+...+n^2)=\frac{(n+1)^3-1^3-3*(1+2+...+n)-\underbrace{1+1+...+1}_{n}}{3}(12+22+...+n2)=3(n+1)3133(1+2+...+n)n1+1+...+1
⇔(12+22+...+n2)=n3+3∗n2+3∗n+1−1−3∗n(n+1)2−n3\Leftrightarrow (1^2+2^2+...+n^2)=\frac{n^3+3*n^2+3*n+1-1-3*\frac{n(n+1)}{2}-n}{3}(12+22+...+n2)=3n3+3n2+3n+1132n(n+1)n
⇔(12+22+...+n2)=2n3+6n2+6n+2−2−3n2−3n−2n6\Leftrightarrow (1^2+2^2+...+n^2)=\frac{2n^3+6n^2+6n+2-2-3n^2-3n-2n}{6}(12+22+...+n2)=62n3+6n2+6n+223n23n2n
⇔(12+22+...+n2)=2n3+3n2+n6=n(2n2+3n+1)6=n(n+1)(2n+1)6\Leftrightarrow (1^2+2^2+...+n^2)=\frac{2n^3+3n^2+n}{6}=\frac{n(2n^2+3n+1)}{6}=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}(12+22+...+n2)=62n3+3n2+n=6n(2n2+3n+1)=6n(n+1)(2n+1)

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