A. Formule notevoli#
Teorema 54 (Somma dei primi \(n\) interi)
La somma dei primi \(n \in \mathbb N\) numeri interi è
Dimostrazione.
Sia \(S = \sum_{i=1}^n i\): lo schema seguente elenca nella prima riga tutti gli addendi della somma in \(S\) dal primo all'ultimo, e nella seconda gli stessi addendi nell'ordine inverso. In fondo a ognuna di queste due righe è indicata la somma di tutti i relativi elementi, che per definizione è in entrambi i casi \(S\). Ogni elemento della terza riga è ottenuto sommando i due elementi che stanno al di sopra di lui nella medesima colonna, e si vede facilmente come il risultato di questa somma sia sempre uguale a \(n+1\).
| \( 1 \) | \( 2 \) | \( 3 \) | \( \dots \) | \( n-2 \) | \( n-1 \) | \( n \) | \( S \) |
| \( n \) | \( n-1 \) | \( n-2 \) | \( \dots \) | \( 3 \) | \( 2 \) | \( 1 \) | \( S \) |
| \( n+1 \) | \( n+1 \) | \( n+1 \) | \( \dots \) | \( n+1 \) | \( n+1 \) | \( n+1 \) | \( 2S \) |
Pertanto, \(2 S\) è uguale alla somma di tutti gli altri elementi sull'ultima riga, ma questi sono sempre uguali a \(n + 1\), e sono \(n\) in tutto. Il che ci permette di concludere che \(2 S = n (n + 1)\), da cui segue la tesi.
Teorema 55 (Somma dei quadrati dei primi \(n\) interi)
La somma dei quadrati dei primi \(n \in \mathbb N\) numeri interi è
Dimostrazione.
Applicando la tecnica di dimostrazione per induzione su \(n\), il caso base \(n=1\) si verifica banalmente per ispezione: il membro sinistro dell'uguaglianza vale \(1\) e il suo membro destro vale \(\frac{1 \cdot 2 \cdot 3}{6} = 1\). Per quanto riguarda il passo dell'induzione,
Teorema 56 (Somma dei cubi dei primi \(n\) interi)
La somma dei cubi dei primi \(n \in \mathbb N\) numeri interi è
Dimostrazione.
Applicando la tecnica di dimostrazione per induzione su \(n\), il caso base \(n=1\) si verifica banalmente per ispezione: il membro sinistro dell'uguaglianza vale \(1\) e il suo membro destro vale \(\frac{1^2 \cdot 2^2}{4} = 1\). Per quanto riguarda il passo dell'induzione,
Teorema 57 (Somma delle quarte potenze dei primi \(n\) interi)
La somma delle quarte potenze dei primi \(n \in \mathbb N\) numeri interi è
Dimostrazione.
Applicando la tecnica di dimostrazione per induzione su \(n\), il caso base \(n=1\) si verifica banalmente per ispezione: il membro sinistro dell'uguaglianza vale \(1\) e il suo membro destro vale \(\frac{1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 5}{30} = 1\). Per quanto riguarda il passo dell'induzione, vale la pena scriverlo in questo modo: posto
dobbiamo dimostrare che
Ora, sfruttando l'ipotesi induttiva,
pertanto ci basta dimostrare che \(D(n) \triangleq P(n+1) - P(n) = 30 (n + 1)^4\). Questa uguaglianza si verifica procedendo nel modo seguente: innanzitutto, vale
Osservando ora che \((3n^2 + 9n + 5) = (3n^2 + 3n - 1) + 6(n + 1)\), si può ricavare
La serie geometrica è una serie numerica fondamentale, nota fin dall'antichità. Si chiama così perché originariamente era usata per risolvere problemi geometrici, come il calcolo della somma di aree o volumi in una progressione in cui ogni termine è una frazione costante di quello precedente. Oltre che al calcolo delle probabilità, viene applicata per esempio in fisica ed economia, ma anche per analizzare altre serie. I prossimi risultati mostrano come ricavare la formula della somma finita e della serie infinita, in due varianti.
Definizione 64 (Serie geometrica)
Dato \(q \in \mathbb R\), la somma
contata a partire da \(n = 0\), viene detta serie geometrica di ragione \(q\).
Teorema 58
Per ogni \(q \in \mathbb R\) e per ogni \(n \in \mathbb N\) si ha
Dimostrazione.
Se \(q = 1\), allora tutti gli addendi sono uguali a \(1\), quindi la somma vale immediatamente \(n+1\).
Supponiamo ora \(q \neq 1\) e poniamo
Moltiplicando entrambi i membri per \(q\), otteniamo
Sottraendo membro a membro la seconda uguaglianza dalla prima, tutti i termini intermedi si cancellano e rimane
Raccogliendo \(S_n\) al primo membro, si ricava quindi
Poiché \(q \neq 1\), possiamo dividere per \(1-q\) e ottenere
che conclude la dimostrazione.
Teorema 59
Se \(q \in \mathbb R\) soddisfa \(\lvert q \rvert < 1\), allora la serie geometrica infinita
converge e la sua somma è uguale a
Dimostrazione.
Per il Teorema 58, la somma parziale dei primi \(n+1\) termini è data da
Se \(|q| < 1\), allora \(q^{n+1} \to 0\) per \(n \to +\infty\). Passando quindi al limite nelle somme parziali, si ottiene
Corollario 11
Se \(q \in \mathbb R\) soddisfa \(|q| < 1\), allora
Dimostrazione.
Per il Teorema 59, si ha
quindi
Teorema 60
Per ogni \(x \in \mathbb R\) vale l'identità
Dimostrazione.
Sia \(f(x) \triangleq \mathrm e^n\). Questa funzione coincide con la sua derivata di un ordine qualsiasi, per cui \(f^{(n)}(0) = e^0 = 1\). Applicando lo sviluppo in serie di Maclaurin si ottiene pertanto
Inoltre, per ogni \(x \in \mathbb R\) si ha
Per il criterio del rapporto, la serie (A.9) ha un raggio di convergenza infinito.
Teorema 62 (Formula del binomio di Newton)
Dati \(a, b \in \mathbb R\) e \(n \in \mathbb N\), vale l'identità
detta formula del binomio di Newton[1].
Dimostrazione.
Fissando \(a\) e \(b\) e procedendo per induzione su \(n\), il caso base è banalmente vero:
Per quanto riguarda il passo induttivo, supponendo (A.10) vera per un dato \(n\), si ha
Estrando l'ultimo termine della prima sommatoria e il primo della seconda, è possibile raccogliere \(a^i b^{n+1-i}\) a fattore comune:
Siccome
è possibile riformulare (A.11) nel modo seguente:
La formula è quindi vera per \(n+1\) e, per il principio di induzione, per ogni intero \(n\geq 0\).
Teorema 62 (Formula del binomio di Newton)
Per ogni \(a, x \in \mathbb R\), con \(a > 0\), vale l'identità
Dimostrazione.
Quando \(x \geq 0\), l'identità assume la forma \(\mathrm e^{a x } \leq \mathrm e^{a x} + \mathrm e^{-a x}\), che equivale a \(\mathrm e^{-2ax} \geq 0\), che è banalmente vera. Analogamente, è facile verificare che per \(x < 0\) l'identità equivale a \(\mathrm e^{2ax} \geq 0\).