问题

1³+2³+3³+......+n³=多少?

回答
这道题问的是:1³ + 2³ + 3³ + …… + n³ 的和是多少?

咱们来一步一步拆解这个问题。

一、 理解问题:立方和

首先,我们看到的是一系列数字的立方相加。比如:
n=1 时,和是 1³ = 1
n=2 时,和是 1³ + 2³ = 1 + 8 = 9
n=3 时,和是 1³ + 2³ + 3³ = 1 + 8 + 27 = 36

你能发现什么规律吗?(先别急着找答案,自己先观察一下)

二、 寻找规律(尝试与已知公式关联)

很多人第一次接触这个问题,可能会尝试着去寻找数字上的规律。比如:
1³ = 1 = 1² = (1)²
1³ + 2³ = 9 = 3² = (1+2)²
1³ + 2³ + 3³ = 36 = 6² = (1+2+3)²

诶!是不是有点意思? parece que el resultado es siempre un cuadrado perfecto. Y la base de ese cuadrado… ¡parece ser la suma de los números naturales hasta n!

让我们来验证一下这个猜想:

n=4 时,我们猜的和应该是 (1+2+3+4)² = 10² = 100。
实际计算:1³ + 2³ + 3³ + 4³ = 1 + 8 + 27 + 64 = 100。

Bingo!这个规律看起来非常强大!

三、 引入“等差数列求和”的知识

你可能会问,为什么这个规律会和“等差数列求和”有关呢?

还记得我们小学(或者初中)学过的等差数列求和公式吗?
1 + 2 + 3 + …… + n = n(n+1)/2

根据我们刚才观察到的规律,1³ + 2³ + 3³ + …… + n³ 的和,好像就是 (1 + 2 + 3 + …… + n)²

所以,1³ + 2³ + 3³ + …… + n³ = [n(n+1)/2]²

四、 为什么会是这样?(更深入的理解)

这个公式是怎么来的呢?如果只是观察数字,我们很容易发现规律,但证明它需要一些更严谨的方法。这里介绍一种比较直观(但不是唯一的)的证明思路:

一种几何的解释(想象一下):

想象一下,我们用小方块来搭建一个“立方体”。
1³ 是一个 1x1x1 的小立方体。
2³ 是一个 2x2x2 的立方体。

我们要怎么把这些不同大小的立方体堆叠起来,变成一个更大的“立方体”呢?这个想法有点抽象,咱们换个角度。

另一种思路:利用代数恒等式(稍微有点数学味道,但很有意思)

我们可以考虑一个恒等式:
(k+1)⁴ k⁴ = 4k³ + 6k² + 4k + 1

这是一个非常有用的工具。如果我们把 k 从 1 取到 n,然后把所有这些等式加起来:

当 k=1 时:2⁴ 1⁴ = 4(1)³ + 6(1)² + 4(1) + 1
当 k=2 时:3⁴ 2⁴ = 4(2)³ + 6(2)² + 4(2) + 1
当 k=3 时:4⁴ 3⁴ = 4(3)³ + 6(3)² + 4(3) + 1
...
当 k=n 时:(n+1)⁴ n⁴ = 4(n)³ + 6(n)² + 4(n) + 1

现在,把所有这些等式的左边加起来:
(2⁴ 1⁴) + (3⁴ 2⁴) + (4⁴ 3⁴) + …… + ((n+1)⁴ n⁴)

这是一个 “裂项求和” 的过程,你会发现很多项会抵消掉:
1⁴ + 2⁴ 2⁴ + 3⁴ 3⁴ + …… + n⁴ n⁴ + (n+1)⁴
= (n+1)⁴ 1⁴
= (n+1)⁴ 1

再把所有等式的右边加起来:
[4(1)³ + 6(1)² + 4(1) + 1] + [4(2)³ + 6(2)² + 4(2) + 1] + …… + [4(n)³ + 6(n)² + 4(n) + 1]

我们可以把同类项组合起来:
4(1³ + 2³ + …… + n³) + 6(1² + 2² + …… + n²) + 4(1 + 2 + …… + n) + (1 + 1 + …… + 1) (这里有 n 个 1)

所以,我们得到了一个等式:
(n+1)⁴ 1 = 4(1³ + 2³ + …… + n³) + 6(1² + 2² + …… + n²) + 4(1 + 2 + …… + n) + n

现在,我们知道 (1 + 2 + …… + n) = n(n+1)/2。
我们也知道 (1² + 2² + …… + n²) = n(n+1)(2n+1)/6 (这个公式也需要单独证明,但我们先用它)。

把这些代入等式,然后解出 1³ + 2³ + …… + n³ 这一项,你最终会得到:

1³ + 2³ + 3³ + …… + n³ = [n(n+1)/2]²

五、 总结

所以,1³ + 2³ + 3³ + …… + n³ 的和,就是 从 1 加到 n 的和的平方。

用更数学的语言来说,这个公式叫做 “平方和公式”(虽然我们通常说的平方和是 1² + 2² + …… + n²,但这个关于立方和的公式也非常有名)。

记住这个公式:1³ + 2³ + 3³ + …… + n³ = [n(n+1)/2]²

这个公式真是巧妙,将看似复杂的立方和问题,转化成了简单的等差数列求和问题。

网友意见

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Proof 1:

This picture implies


Proof 2:

Firstly, we have

then we assume

next, there has

hence, by Mathematical Induction, we can assert that


Proof 3:

Initially, note that

thus

where the red summation can be refered in the nether answer

therefore


Proof 4:

Let

then

It's characteristic equation is

which means

so we can set

Note that

, , , ,

We could solve by the above informtion, finally we get

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