Formule de Faulhaber

En mathématiques, la formule de Faulhaber, portant le nom du mathématicien allemand Johann Faulhaber, exprime la somme des puissances Modèle:Mvar-ième des Modèle:Mvar premiers entiers :

$\sum _{k=1}^n{k}^p=1^p+2^p+3^p+\cdots +n^p(\text{pour }n\in {\mathbb{N}}^{*}\text{ et }p\in \mathbb{N})$

par une fonction polynomiale de degré Modèle:Mvar + 1 en Modèle:Mvar, les coefficients impliquant les nombres de Bernoulli :

$B_2=\frac{1}{6},B_4=-\frac{1}{30},B_6=\frac{1}{42}\dots$

les nombres de Bernoulli d'indices impairs supérieurs ou égaux à trois étant nuls.

$\sum _{k=1}^n{k}^p=\frac{1}{p+1}(n^{p+1}+\frac{1}{2}(p+1)n^p+\frac{1}{6}(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{2})n^{p-1}-\frac{1}{30}(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{4})n^{p-3}+\frac{1}{42}(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{6})n^{p-5}+\dots +(p+1)B_{p}n)$.

Les coefficients

$(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{j})$

qui apparaissent sont les coefficients binomiaux (anciennement notés

${\mathrm{C}}_{p+1}^j$

).

Énoncé de la formule

Dans la convention la plus usuelle, les nombres de Bernoulli sont $B_0=1,B_1=-\frac{1}{2},B_2=\frac{1}{6},B_3=0,B_4=-\frac{1}{30}\dots$ mais ici, une convention moins courante est adoptée, à savoir que le nombre $B_1$ est changé en $+\frac{1}{2}$.

La formule de Faulhaber s'écrit (pour

$p\in \mathbb{N}$

et

$n\in {\mathbb{N}}^{*}$

) :

$\sum _{k=1}^n{k}^p=\frac{1}{p+1}\sum _{j=0}^p(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{j})B_j{n}^{p+1-j}$ (avec $B_1=\frac{1}{2}$ au lieu de $-\frac{1}{2}$).

Faulhaber ne connaissait pas la formule sous cette forme, qui a été découverte par Jacques Bernoulli, et qui est un cas particulier de la formule d’Euler-MacLaurin. Mais il a obtenu l'expression dans les 17 premiers cas, et le fait que lorsque l'exposant est impair, la somme s'exprime en fonction de la somme des

$n$

premiers entiers. Dans ses calculs, il a manipulé la factorielle n! jusqu'à 24!, ce qui illustre son remarquable talent de calculateur, qu'il partage avec son correspondant Ludolph van Ceulen. Il est remarquable surtout par son anticipation des Modèle:Quoi à une époque où l'analyse balbutie. Il utilise la k-symétrie, et donne aussi certaines généralisations remarquables.

Exemples

$1^0+2^0+3^0+\cdots +n^0=n$

$1+2+3+\cdots +n=\frac{1}{2}{n}^2+\frac{1}{2}n=\frac{n(n+1)}{2}$

$1^2+2^2+3^2+\cdots +n^2=\frac{1}{3}{n}^3+\frac{1}{2}{n}^2+\frac{1}{6}n=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}$

$1^3+2^3+3^3+\cdots +n^3=\frac{1}{4}{n}^4+\frac{1}{2}{n}^3+\frac{1}{4}{n}^2=\frac{n^2(n+1{)}^2}{4}=(1+2+3+\cdots +n{)}^2$ (Théorème de Nicomaque)

$1^4+2^4+3^4+\cdots +n^4=\frac{1}{5}{n}^5+\frac{1}{2}{n}^4+\frac{1}{3}{n}^3-\frac{1}{30}n=\frac{n(n+1)(2n+1)(3n^2+3n-1)}{30}$

$1^5+2^5+3^5+\cdots +n^5=\frac{1}{6}{n}^6+\frac{1}{2}{n}^5+\frac{5}{12}{n}^4-\frac{1}{12}{n}^2=\frac{n^2(n+1{)}^2(2n^2+2n-1)}{12}$

$1^6+2^6+3^6+\cdots +n^6=\frac{1}{7}{n}^7+\frac{1}{2}{n}^6+\frac{1}{2}{n}^5-\frac{1}{6}{n}^3+\frac{1}{42}n=\frac{n(n+1)(2n+1)(3n^4+6n^3-3n+1)}{42}$

Une autre forme

On peut voir la formule énoncée avec des termes allant de 0 à Modèle:Mvar – 1 plutôt que de 1 à Modèle:Mvar. Dans ce cas, la seule chose qui change est que l'on prend B₁ = −1/2 au lieu de +1/2, donc le terme de deuxième plus haut degré dans chaque cas possède un signe moins au lieu d'un signe plus.

$\sum _{k=0}^{n-1}{k}^p=\frac{1}{p+1}(n^{p+1}-\frac{1}{2}(p+1)n^p+\dots +(p+1)B_{p}n)=\frac{1}{p+1}\sum _{j=0}^p(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{j})B_j{n}^{p+1-j}$ (avec $B_1=-\frac{1}{2}$).

La formule est valide pour tous entiers $p⩾0$ et $n⩾1$ (donc y compris pour Modèle:Mvar = 0 , avec [[Zéro puissance zéro|0Modèle:Exp = 1]]) :

Modèle:Col-begin Modèle:Col-2 $0^0+1^0+2^0+3^0+\cdots +(n-1{)}^0=n$

$0+1+2+\cdots +(n-1)=\frac{1}{2}{n}^2-\frac{1}{2}n=\frac{n(n-1)}{2}$

$0+1+2^2+\cdots +(n-1{)}^2=\frac{1}{3}{n}^3-\frac{1}{2}{n}^2+\frac{1}{6}n=\frac{n(n-1)(2n-1)}{6}$

Modèle:Col-2 $0+1+2^3+\cdots +(n-1{)}^3=\frac{1}{4}{n}^4-\frac{1}{2}{n}^3+\frac{1}{4}{n}^2=\frac{n^2(n-1{)}^2}{4}$

$0+1+2^4+\cdots +(n-1{)}^4=\frac{1}{5}{n}^5-\frac{1}{2}{n}^4+\frac{1}{3}{n}^3-\frac{1}{30}n$

$0+1+2^5+\cdots +(n-1{)}^5=\frac{1}{6}{n}^6-\frac{1}{2}{n}^5+\frac{5}{12}{n}^4-\frac{1}{12}{n}^2$ Modèle:Col-end

Relation avec les polynômes de Bernoulli

Définissons pour Modèle:Mvar et Modèle:Mvar entiers naturels : $S_n^p=\sum _{k=0}^n{k}^p$, donc $S_n^0=n+1$ et $S_n^p=\sum _{k=1}^n{k}^p$ pour $n,p⩾1$.

On a alors pour tout

$n,p⩾0$

:

$S_n^p=\frac{B_{p+1}(n+1)-B_{p+1}(0)}{p+1}$,

où

$B_p(X)$

est le polynôme de Bernoulli de rang Modèle:Mvar.

$B_0(X)=1$

$B_1(X)=X-\frac{1}{2}$

$B_2(X)=X^2-X+\frac{1}{6}$

$B_3(X)=X^3-\frac{3}{2}{X}^2+\frac{1}{2}X$

On a $B_p(0)=B_p$, nombre de Bernoulli de rang Modèle:Mvar (avec $B_1(0)=-\frac{1}{2}$).

Forme symbolique

Dans le calcul ombral classique, on traite formellement les indices $j$ dans l'expression $B_j$ comme s'ils étaient des exposants, c’est-à-dire que, dans ce cas, on applique la formule du binôme de Newton, ce qui donne, pour $n,p⩾1$ :

$\sum _{k=1}^n{k}^p=\frac{1}{p+1}\sum _{j=0}^p(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{j})B_j{n}^{p+1-j}=\frac{1}{p+1}\sum _{j=0}^p(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{j})B^j{n}^{p+1-j}=\frac{(B+n{)}^{p+1}-B^{p+1}}{p+1}$.

Dans le calcul ombral « moderne », on considère la forme linéaire $T$ sur l'espace vectoriel des polynômes de variable $b$ donnée par

$T(b^j)=B_j$.

On peut alors écrire

$\sum _{k=1}^n{k}^p=\frac{1}{p+1}\sum _{j=0}^p(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{j})B_j{n}^{p+1-j}=\frac{1}{p+1}\sum _{j=0}^p(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{j})T(b^j)n^{p+1-j}$

$=\frac{1}{p+1}T\left(\sum _{j=0}^p(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{j})b^j{n}^{p+1-j}\right)=T\left(\frac{(b+n{)}^{p+1}-b^{p+1}}{p+1}\right).$

Polynômes de Faulhaber

Faulhaber a observé (sans en donner de preuve) que

• si Modèle:Math est impair, alors $1^p+2^p+3^p+\cdots +n^p$ est une fonction polynomiale de $y=1+2+3+\cdots +n=\frac{n^2+n}{2}$,
• si Modèle:Math est pair, alors $1^p+2^p+3^p+\cdots +n^p$ est le produit de $2n+1$ par une fonction polynomiale de Modèle:Math.

Ces propriétés se montrent en utilisant respectivement les relations de récurrence forte sur les sommes de degré impair et les relations de récurrence forte sur les sommes de degré pair.

Ainsi, pour Modèle:Math impair :

$1^3+2^3+3^3+\cdots +n^3=y^2$

$1^5+2^5+3^5+\cdots +n^5=\frac{4y^3-y^2}{3}$

$1^7+2^7+3^7+\cdots +n^7=\frac{6y^4-4y^3+y^2}{3}$

(et donc $1^5+2^5+3^5+\cdots +n^5+1^7+2^7+3^7+\cdots +n^7=2y^4$)

$1^9+2^9+3^9+\cdots +n^9=\frac{16y^5-20y^4+12y^3-3y^2}{5}$

$1^{11}+2^{11}+3^{11}+\cdots +n^{11}=\frac{16y^6-32y^5+34y^4-20y^3+5y^2}{3}$

et pour Modèle:Math pair :

$1^2+2^2+3^2+\cdots +n^2=(2n+1)\frac{y}{3}$

$1^4+2^4+3^4+\cdots +n^4=(2n+1)\frac{6y^2-y}{15}$

$1^6+2^6+3^6+\cdots +n^6=(2n+1)\frac{12y^3-6y^2+y}{15}$

$1^8+2^8+3^8+\cdots +n^8=(2n+1)\frac{40y^4-40y^3+18y^2-3y}{45}$

Quelques auteurs appellent ces polynômes $P(y)$, avec $y=\frac{n(n+1)}{2}$, « polynômes de Faulhaber » ; Donald Knuth a donné des démonstrations de ces résultats (et d'autres les généralisant encore) en n'utilisant que des méthodes que Faulhaber maîtrisait.

Expression utilisant les nombres de Stirling de seconde espèce

Pour tout $p⩾1$, on a la relation :

$\sum _{k=0}^n{k}^p=\sum _{i=1}^p\frac{S(p,i)}{i+1}(n+1{)}_{i+1}$

où les $S(p,i)$ sont les nombres de Stirling de seconde espèce (nombre de partitions en i parties d'un ensemble à Modèle:Mvar éléments) et $(n+1{)}_{i+1}=(n+1)(n)...(n+1-i)$ (symbole de Pochhammer).

Par exemple $\sum _{k=0}^{n}k=\frac{1}{2}(n+1)n$, et $\sum _{k=0}^n{k}^2=\frac{1}{2}(n+1)n+\frac{1}{3}(n+1)n(n-1)$.

Relations de récurrence liant ces sommes

Relation de récurrence forte (Pascal, 1655)

Pour $n,p⩾0$, les sommes $S_n^p=\sum _{k=0}^n{k}^p$ peuvent se calculer de proche en proche grâce à la relation:

$(p+1)S_n^p=(n+1{)}^{p+1}-\sum _{q=0}^{p-1}(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{q})S_n^q$.

Par exemple, on a $S_n^0=0^0+1^0+2^0+3^0+\cdots +n^0=n+1$ ;

donc, $2S_n^1=(n+1{)}^2-(n+1)=n(n+1)$,

puis $3S_n^2=(n+1{)}^3-(n+1)-\frac{3n(n+1)}{2}=\frac{n+1}{2}(2n^2+4n+2-2-3n)=\frac{n(n+1)(2n+1)}{2}$,

etc.

Relation de récurrence forte sur les sommes de degré impair

Elle s'écrit :

$2(p+1)S_n^{2p+1}=(n(n+1){)}^{p+1}-2\sum _{1⩽q⩽p/2}(\genfrac{}{}{0ex}{}{p+1}{2q+1})S_n^{2p+1-2q}$.

En faisant $p=1$, on obtient par exemple directement que $4S_n^3=(n(n+1){)}^2$.

Cette relation permet également de montrer par récurrence que $S_n^{2p+1}$ est un polynôme de degré $p+1$ en $n(n+1)$.

Relation de récurrence forte sur les sommes de degré pair

Elle s'écrit, pour Modèle:Math strictement positif :

$(4p+2)S_n^{2p}=n^p(n+1{)}^p(2n+1)-\sum _{1⩽q⩽p/2}(4(\genfrac{}{}{0ex}{}{p}{2q+1})+2(\genfrac{}{}{0ex}{}{p}{2q}))S_n^{2p-2q}$.

En faisant $p=1$, on obtient par exemple directement que $6S_n^2=n(n+1)(2n+1)$.

Cette relation permet également de montrer par récurrence que $S_n^{2p}$ est le produit de $(2n+1)$ par un polynôme de degré Modèle:Math en $n(n+1)$.

Expressions matricielles des formules de Faulhaber

Pour les sommes quelconques

Première forme

La relation de récurrence forte de Pascal vue plus haut peut s'écrire : Modèle:Centrer

Ces relations, pour Modèle:Mvar variant de 0 à Modèle:Mvar, constituent un système triangulaire dont les solutions sont $S_n^0,S_n^1,\cdots ,S_n^q$.

Si $A_{q+1}$ est la matrice carrée triangulaire inférieure d'ordre Modèle:Mvar+1 définie par $A_{q+1}(i,j)=(\genfrac{}{}{0ex}{}{i+1}{j})$ (les indices variant de 0 à Modèle:Mvar), le système s'écrit :

$A_{q+1}\left(\begin{array}{c}{S}_n^0\\ S_n^1\\ \cdots \\ S_n^q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}n+1\\ (n+1{)}^2\\ \cdots \\ (n+1{)}^{q+1}\end{array}\right)$

On en déduit :

$\left(\begin{array}{c}{S}_n^0\\ S_n^1\\ \cdots \\ S_n^q\end{array}\right)=A_{q+1}^{-1}\left(\begin{array}{c}n+1\\ (n+1{)}^2\\ \cdots \\ (n+1{)}^{q+1}\end{array}\right)$.

Par exemple, $A_7=\left(\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 2& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 3& 3& 0& 0& 0& 0\\ 1& 4& 6& 4& 0& 0& 0\\ 1& 5& 10& 10& 5& 0& 0\\ 1& 6& 15& 20& 15& 6& 0\\ 1& 7& 21& 35& 35& 21& 7\end{array}\right)$, et $A_7^{-1}=\left(\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{6}& -\frac{1}{2}& \frac{1}{3}& 0& 0& 0& 0\\ 0& \frac{1}{4}& -\frac{1}{2}& \frac{1}{4}& 0& 0& 0\\ -\frac{1}{30}& 0& \frac{1}{3}& -\frac{1}{2}& \frac{1}{5}& 0& 0\\ 0& -\frac{1}{12}& 0& \frac{5}{12}& -\frac{1}{2}& \frac{1}{6}& 0\\ \frac{1}{42}& 0& -\frac{1}{6}& 0& \frac{1}{2}& -\frac{1}{2}& \frac{1}{7}\end{array}\right)$.

On retrouve bien $S_n^0=n+1$, $S_n^1=\frac{(n+1)n}{2}$, etc.

La matrice $A_{q+1}$ est la matrice obtenue en tronquant la diagonale principale d'une matrice de Pascal et en enlevant la première ligne devenue nulle. La première colonne de la matrice inverse donne les nombres de Bernoulli.

Deuxième forme

La méthode précédente donne les $S_n^p$, comme polynômes en $n+1$ ; on peut obtenir directement les polynômes en $n$ grâce à la relation, valable pour $n⩾1$ : Modèle:Centrer

En utilisant la matrice $B_{q+1}$ obtenue à partir de $A_{q+1}$ en alternant les signes : $B_{q+1}(i,j)=(-1{)}^{i+j}(\genfrac{}{}{0ex}{}{i+1}{j})$, on obtient alors :

$\left(\begin{array}{c}{S}_n^0-1\\ S_n^1\\ \cdots \\ S_n^q\end{array}\right)=B_{q+1}^{-1}\left(\begin{array}{c}n\\ n^2\\ \cdots \\ n^{q+1}\end{array}\right)$

Par exemple, $B_7=\left(\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ -1& 2& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& -3& 3& 0& 0& 0& 0\\ -1& 4& -6& 4& 0& 0& 0\\ 1& -5& 10& -10& 5& 0& 0\\ -1& 6& -15& 20& -15& 6& 0\\ 1& -7& 21& -35& 35& -21& 7\end{array}\right)$, et $B_7^{-1}=\left(\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{6}& \frac{1}{2}& \frac{1}{3}& 0& 0& 0& 0\\ 0& \frac{1}{4}& \frac{1}{2}& \frac{1}{4}& 0& 0& 0\\ -\frac{1}{30}& 0& \frac{1}{3}& \frac{1}{2}& \frac{1}{5}& 0& 0\\ 0& -\frac{1}{12}& 0& \frac{5}{12}& \frac{1}{2}& \frac{1}{6}& 0\\ \frac{1}{42}& 0& -\frac{1}{6}& 0& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{7}\end{array}\right)$. d'où

$\left(\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0& 0& 0& 0\\ \frac{1}{6}& \frac{1}{2}& \frac{1}{3}& 0& 0& 0& 0\\ 0& \frac{1}{4}& \frac{1}{2}& \frac{1}{4}& 0& 0& 0\\ -\frac{1}{30}& 0& \frac{1}{3}& \frac{1}{2}& \frac{1}{5}& 0& 0\\ 0& -\frac{1}{12}& 0& \frac{5}{12}& \frac{1}{2}& \frac{1}{6}& 0\\ \frac{1}{42}& 0& -\frac{1}{6}& 0& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{7}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}n\\ n^2\\ n^3\\ n^4\\ n^5\\ n^6\\ n^7\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}n\\ \frac{1}{2}n+\frac{1}{2}{n}^2\\ \frac{1}{6}n+\frac{1}{2}{n}^2+\frac{1}{3}{n}^3\\ \frac{1}{4}{n}^2+\frac{1}{2}{n}^3+\frac{1}{4}{n}^4\\ -\frac{1}{30}n+\frac{1}{3}{n}^3+\frac{1}{2}{n}^4+\frac{1}{5}{n}^5\\ -\frac{1}{12}{n}^2+\frac{5}{12}{n}^4+\frac{1}{2}{n}^5+\frac{1}{6}{n}^6\\ \frac{1}{42}n-\frac{1}{6}{n}^3+\frac{1}{2}{n}^5+\frac{1}{2}{n}^6+\frac{1}{7}{n}^7\end{array}\right)$

Pour les sommes à exposants impairs

La relation ci-dessus sur les sommes à exposants impairs peut aussi s'écrire :Modèle:CentrerCes relations pour i de 1 à Modèle:Mvar constituent un système triangulaire dont sont solutions $S_n^1,S_n^3,\cdots ,S_n^{2p-1}$.

Si $B_p$ est la matrice carrée triangulaire inférieure d'ordre Modèle:Mvar définie par $B_p(i,j)=2(\genfrac{}{}{0ex}{}{i}{2j-i-1})$, le système s'écrit

$B_p\left(\begin{array}{c}{S}_n^1\\ S_n^3\\ \cdots \\ S_n^{2p-1}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}n(n+1)\\ n^2(n+1{)}^2\\ \cdots \\ n^p(n+1{)}^p\end{array}\right)$ ; on en déduit $\left(\begin{array}{c}{S}_n^1\\ S_n^3\\ \cdots \\ S_n^{2p-1}\end{array}\right)=B_p^{-1}\left(\begin{array}{c}n(n+1)\\ n^2(n+1{)}^2\\ \cdots \\ n^p(n+1{)}^p\end{array}\right)$.

Par exemple, $B_4=2\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 2& 0& 0\\ 0& 1& 3& 0\\ 0& 0& 4& 4\end{array}\right)$, et $B_4^{-1}=\left(\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& 0& 0& 0\\ 0& \frac{1}{4}& 0& 0\\ 0& \frac{-1}{12}& \frac{1}{6}& 0\\ 0& \frac{1}{12}& \frac{-1}{6}& \frac{1}{8}\end{array}\right)$.

On retrouve bien $S_n^1=n(n+1)/2$, $S_n^3=\frac{n^2(n+1{)}^2}{4}$, $S_n^5=\frac{n^3(n+1{)}^3}{6}-\frac{n^2(n+1{)}^2}{12}$ etc.

La matrice $B_p$ est le double de la matrice obtenue en tronquant une diagonale descendante sur deux de la matrice de Pascal triangulaire inférieure.

Généralisations de la formule de Faulhaber

La formule de Faulhaber peut être étendue à différents types de sommes multiples de puissances : soit à des sommes de produits de puissances distinctes (mais de même exposant), soit à des sommes de produits de puissances avec répétitions possibles ; elle se généralise également à des sommes de puissances d'une progression arithmétique.

Sommes multiples de produits de puissances distinctes

Pour tous $m$, $q$, $n$, $p\in \mathbb{N}$ tels que $n⩾q+m-1,m⩾1$, la somme multiple de puissances $p$ distinctes, d'ordre $m$ et de bornes $q$ et $n$, est définie par

${\sigma }_m(q^p,\cdots ,n^p)=\sum _{q⩽k_1<\cdots <k_m⩽n}{k}_m^p\cdots k_1^p,$

ce qui correspond à la somme des $(\genfrac{}{}{0ex}{}{n-q+1}{m})$ produits de $m$ entiers distincts entre $q$ et $n$ élevés à la même puissance $p$.

Ces sommes multiples de puissances peuvent être exprimées sous la forme d'une combinaison de sommes simples de puissances, comme illustré par le théorème suivant .

Modèle:Théorème L’application de la formule de Faulhaber pour des sommes simples de puissances conduit à la formule de Faulhaber généralisée suivante.

Exemples

$\sum _{1⩽k_1<k_2⩽n}{k}_2{k}_1=\frac{n(n-1)(n+1)(3n+2)}{24}=(\genfrac{}{}{0ex}{}{n+1}{3})\frac{3n+2}{4},$ Modèle:OEIS

$\sum _{1⩽k_1<k_2⩽n}{k}_2^2{k}_1^2=\frac{n(n-1)(n+1)(2n-1)(2n+1)(5n+6)}{360}=(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n+2}{5})\frac{5n+6}{4!},$ Modèle:OEIS

$\sum _{1⩽k_1<k_2<k_3⩽n}{k}_3^2{k}_2^2{k}_1^2=(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n+2}{7})\frac{35n^2+91n+60}{144},$ Modèle:OEIS.

Notons que pour Modèle:Mvar =1, $\sum _{1⩽k_1<\cdots <k_m⩽n}{k}_m\cdots k_1=(-1{)}^{m}s(n+1,n+1-m)$, où $s(.,.)$ représente un nombre de Stirling de première espèce.

Sommes multiples de produits de puissances avec répétitions possibles

Pour tout $m$, $q$, $n$, $p\in \mathbb{N}$, cette somme de puissances $p$ d'ordre $m$ avec des bornes $q$ et $n$ est définie par

$\sum _{q⩽k_1⩽\cdots ⩽k_m⩽n}{k}_m^p\cdots k_1^p=\sum _{k_m=q}^n\sum _{k_{m-1}=q}^{k_m}\cdots \sum _{k_1=q}^{k_2}{k}_m^p\cdots k_1^p$ ,

ce qui correspond à la somme des $\left((\genfrac{}{}{0ex}{}{n-q+1}{m})\right)$ produits de $m$ entiers entre $q$ et $n$ , avec répétitions possibles, élevés à la puissance $p$.

Ces sommes multiples de puissances peuvent être exprimées sous la forme d’une combinaison de sommes simples de puissances, comme illustré par le théorème suivant .

Modèle:Théorème Une conséquence directe de ce théorème est la formule de Faulhaber généralisée suivante .

Exemples

$\sum _{1⩽k_1⩽k_2⩽n}{k}_2{k}_1=\frac{n(n+1)(n+2)(3n+1)}{24}=(\genfrac{}{}{0ex}{}{n+2}{3})\frac{3n+1}{4},$ Modèle:OEIS.

$\sum _{1⩽k_1⩽k_2⩽n}{k}_2^2{k}_1^2=\frac{n(n+1)(n+2)(2n+1)(2n+3)(5n-1)}{360}=(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n+4}{5})\frac{5n-1}{4!},$ Modèle:OEIS.

$\sum _{1⩽k_1⩽k_2⩽k_3⩽n}{k}_3^2{k}_2^2{k}_1^2=(\genfrac{}{}{0ex}{}{2n+6}{7})\frac{35n^2-21n+4}{144},$ Modèle:OEIS.

Notons que pour Modèle:Mvar = 1, $\sum _{1⩽k_1⩽\cdots ⩽k_m⩽n}{k}_m\cdots k_1=S(n+m,n)$, où $S(.,.)$ désigne un nombre de Stirling de seconde espèce.

Somme de puissances d'une progression arithmétique

Le problème consiste donc à trouver des polynômes en fonction de n calculant

$S_n^p(h,d)=\sum _{k=0}^{n-1}(h+kd{)}^p=h^p+(h+d{)}^p+\cdots +(h+(n-1)d{)}^p,$

avec p et n entiers non-négatif, h premier terme d'une progression arithmétique et $d\ne 0$ raison de la même progression, h et d étant des nombres réels ou complexes quelconques, et même des éléments quelconques d'un anneau.

$S_n^p(1,1)$ sont les polynômes identifiés par la formule de Faulhaber présenté à titre posthume par Bernoulli en 1713;

$S_n^p(0,1)$ sont les polynômes du deuxième paragraphe, différant des précédents que par le signe d'un monôme de degré p;

$S_n^p(1,2)$ sont les polynômes par sommes de puissances de nombres impairs successifs.

Utilisant la même représentation matricielle, le cas général est résolu par la formule suivante: $\overrightarrow{S_n}(h,d)=T(h,d)A^{-1}{\overrightarrow{N}}_n,$ où

$[\overrightarrow{S_n}(h,d){]}_r=S_n^{r-1}(h,d),[T(h,d){]}_{r,c}=\{\begin{array}{cc}0,& \text{si }c>r,\\ (\genfrac{}{}{0ex}{}{r-1}{c-1})h^{r-c}{d}^{c-1}& \text{si }c\le r.\end{array},[A{]}_{r,c}=\{\begin{array}{cc}0,& \text{si }c>r,\\ (\genfrac{}{}{0ex}{}{r}{c-1}),& \text{si }c\le r,\end{array},[{\overrightarrow{N}}_n{]}_r=n^r,$ avec $1\le r\le m$ et $1\le c\le m$ où r (ligne), c (colonne) et m (ordre de la matrice) sont des entiers .

Exemple

La formule dans le cas particulier $m=5(p=0,1,...,m-1)$ devient :

$\left(\begin{array}{c}{S}_n^0(h,d)\\ S_n^1(h,d)\\ S_n^2(h,d)\\ S_n^3(h,d)\\ S_n^4(h,d)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ h& d& 0& 0& 0\\ h^2& 2hd& d^2& 0& 0\\ h^3& 3h^{2}d& 3h{d}^2& d^3& 0\\ h^4& 4h^{3}d& 6h^2{d}^2& 4h{d}^3& d^4\end{array}\right){\left(\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 1& 2& 0& 0& 0\\ 1& 3& 3& 0& 0\\ 1& 4& 6& 4& 0\\ 1& 5& 10& 10& 5\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}n\\ n^2\\ n^3\\ n^4\\ n^5\end{array}\right)$

Et dans le cas particulier $m=5,h=1,d=2$, elle calcule la somme des $n$ premiers nombres impairs consécutifs

En calculant la matrice T(h,d), dont les éléments suivent la formule du binôme de Newton avec les valeurs attribuées, c'est-à-dire T(1,2), et en trouvant la matrice inverse de la matrice triangulaire inférieure A obtenue à partir du triangle de Pascal privé du dernier élément de chaque ligne (matrice dont la dernière colonne est formée des nombres de Bernoulli, indiqués en rouge), on a :

$T(1,2)=\left(\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 1& 2& 0& 0& 0\\ 1& 4& 4& 0& 0\\ 1& 6& 12& 8& 0\\ 1& 8& 24& 32& 16\end{array}\right),A^{-1}=\left(\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0& 0\\ \frac{1}{6}& -\frac{1}{2}& \frac{1}{3}& 0& 0\\ 0& \frac{1}{4}& -\frac{1}{2}& \frac{1}{4}& 0\\ -\frac{1}{30}& 0& \frac{1}{3}& -\frac{1}{2}& \frac{1}{5}\end{array}\right)$

En multipliant les lignes par les colonnes des deux matrices, on obtient

$\left(\begin{array}{c}{S}_n^0(1,2)\\ S_n^1(1,2)\\ S_n^2(1,2)\\ S_n^3(1,2)\\ S_n^4(1,2)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0\\ -\frac{1}{3}& 0& \frac{4}{3}& 0& 0\\ 0& -1& 0& 2& 0\\ \frac{7}{15}& 0& -\frac{8}{3}& 0& \frac{16}{5}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}n\\ n^2\\ n^3\\ n^4\\ n^5\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}n\\ n^2\\ -\frac{1}{3}n+\frac{4}{3}{n}^3\\ -n^2+2n^4\\ \frac{7}{15}n-\frac{8}{3}{n}^3+\frac{16}{5}{n}^5\end{array}\right).$

et donc :

$S_n^0(1,2)=n{S}_n^1(1,2)=n^2{S}_n^2(1,2)=-\frac{1}{3}n+\frac{4}{3}{n}^3{S}_n^3(1,2)=-n^2+2n^4{S}_n^4(1,2)=\frac{7}{15}n-\frac{8}{3}{n}^3+\frac{16}{5}{n}^5$.

Enfin, si l'on s'intéresse aux trois premières additions des sommes de puissances de nombres impairs, on a bien :

$S_3^0(1,2)=1^0+3^0+5^0=3,S_3^1(1,2)=1^1+3^1+5^1=9=3^2,S_3^2(1,2)=1^2+3^2+5^2=35=-1+36,$

$S_3^3(1,2)=1^3+3^3+5^3=153=-9+162,S_3^4(1,2)=1^4+3^4+5^4=707=(21-1080+16\times 729)/15.$

Voir aussi

Bibliographie

• Modèle:En John Horton Conway et Richard Guy, Modèle:Langue, Springer Verlag, 1998 Modèle:ISBN, Modèle:P.
• Modèle:En Eric W. Weisstein, Modèle:Langue, Chapman & Hall/CRC, 2003 Modèle:ISBN, Modèle:P.
• Modèle:De Johann Faulhaber, Modèle:Langue. Modèle:Langue, Augsburg, Johann Ulrich Schönig, 1631

Liens externes

• Modèle:MathWorld
• Maxime Bourrigan, Sommes des puissances, sur Culture Math.