Cuadrados de números triangulares

Un cuadrado cuya longitud lateral es un número triangular, puede dividirse en cuadrados y semicuadrados cuyas cantidades permiten formar cubos. De Plantilla:Harvtxt.

En teoría de números, la suma de los primeros Plantilla:Mvar cubos es el cuadrado del Plantilla:Mvar_simo número triangular. Es decir,

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

La misma ecuación puede escribirse de forma más compacta usando la notación matemática del sumatorio:

$\sum _{k=1}^n{k}^3=(\sum _{k=1}^{n}k{)}^2$

Esta identidad es a veces llamada Teorema de Nicómaco.

Historia

Muchos matemáticos antiguos estudiaron y dedujeron demostraciones del teorema de Nicómaco.Plantilla:Harvtxt afirma que "cada estudiante de la teoría de números seguramente debe haberse maravillado ante este hecho milagroso".Plantilla:Harvtxt encuentra referencias a la identidad no solo en las obras de Nicómaco de Gerasa en lo que ahora es Jordania en el Plantilla:Siglo, sino también en las de Aryabhata en la India en el Plantilla:Siglo y en las de Al-Karaŷí alrededor de 1000 en Irán.Plantilla:Harvtxt menciona varios trabajos matemáticos tempranos adicionales sobre esta fórmula, obra de Alcabitius (Plantilla:Siglo, Arabia); Gersónides (hacia 1300, Francia); y Nilakantha Somayaji (hacia 1500 en la India). Bressoud reproduce la elegante prueba visual de Nilakantha.

Valores numéricos; interpretaciones geométrica y probabilística

La secuencia de los números triangulares cuadrados es:

Plantilla:Math Plantilla:Math ... Plantilla:OEIS.

Estos números pueden ser vistos como números figurados, una generalización hiperpiramidal en cuatro dimensiones de los números triangularess y de los números piramidales cuadrados.

Como observa Plantilla:Harvtxt, estos números también cuentan el número de rectángulos con lados horizontales y verticales formados en una cuadrícula de Plantilla:Math puntos en cada lado. Por ejemplo, los puntos de una cuadrícula de Plantilla:Math (o lo que es lo mismo, un cuadrado formado por tres cuadrados más pequeños en cada lado) pueden formar 36 rectángulos diferentes. El número de cuadrados sobre una cuadrícula cuadrada es deducido de manera similar por los números piramidales cuadrados.

La identidad también admite una interpretación probabilística natural como sigue. Sean Plantilla:Math cuatro números enteros independientemente y uniformemente elegidos al azar entre Plantilla:Math y Plantilla:Mvar. Entonces, la probabilidad de que Plantilla:Mvar sea el mayor de los cuatro números es igual a la probabilidad de que tanto Plantilla:Mvar sea al menos tan grande como Plantilla:Mvar y Plantilla:Mvar sea al menos tan grande como Plantilla:Mvar, es decir, Plantilla:Math. De hecho, estas probabilidades son respectivamente los lados izquierdo y derecho de la identidad Nicómano, normalizado para hacer probabilidades dividiendo ambos lados por Plantilla:Math.

Demostraciones

Plantilla:Harvsp, da una derivación particularmente simple, expandiendo cada cubo en la suma de un conjunto de números impares consecutivos. De hecho, comienza dando la identidad:

$n^3=\underset{n\text{ números impares consecutivos}}{\underbrace{(n^2-n+1)+(n^2-n+1+2)+(n^2-n+1+4)+\cdots +(n^2+n-1)}}$

Esa identidad está relacionada con el número triangular $T_n$ de la siguiente manera:

$n^3=\sum _{k=T_{n-1}+1}^{T_n}(2k-1)$

y así, los sumandos que forman $n^3$ comienzan justo después de los que forman todos los valores anteriores desde $1^3$ hasta $(n-1{)}^3$.

Aplicando esta propiedad, junto con otra identidad bien conocida:

$n^2=\sum _{k=1}^n(2k-1)$

se obtiene la siguiente demostración:

$\begin{array}{cc}\sum _{k=1}^n{k}^3& =1+8+27+64+\cdots +n^3\\ & =\underset{1^3}{\underbrace{1}}+\underset{2^3}{\underbrace{3+5}}+\underset{3^3}{\underbrace{7+9+11}}+\underset{4^3}{\underbrace{13+15+17+19}}+\cdots +\underset{n^3}{\underbrace{(n^2-n+1)+\cdots +(n^2+n-1)}}\\ & =\underset{{\left(\frac{n^2+n}{2}\right)}^2}{\underbrace{\underset{3^2}{\underbrace{\underset{2^2}{\underbrace{\underset{1^2}{\underbrace{1}}+3}}+5}}+\cdots +(n^2+n-1)}}\\ & =(1+2+\cdots +n{)}^2\\ & =(\sum _{k=1}^{n}k{)}^2\end{array}$

Demostración gráfica de que el cuadrado de un número triangular es igual a una suma de cubos.

En la literatura matemática más reciente,Plantilla:Harvtxt utiliza la interpretación de recuento de rectángulos de estos números para formar una prueba geométrica de la identidad (véase también Plantilla:Harvnb). Stein observa que también puede demostrarse fácilmente por inducción, y afirma que Plantilla:Harvtxt proporciona "una interesante antigua prueba árabe".Plantilla:Harvtxt proporciona una prueba puramente visual,Plantilla:Harvtxt proporciona dos pruebas adicionales, y Plantilla:Harvtxt da siete pruebas geométricas.

Generalizaciones

Un resultado similar al teorema de Nicómaco se deduce para todas las sumas de potencias, a saber, que las sumas de potencias impares son un polinomio en números triangulares.

Estos son conocidos como polinomios de Faulhaber, de los cuales la suma de los cubos es el ejemplo más simple y elegante.Plantilla:Harvtxt estudia condiciones más generales bajo las que la suma de una secuencia consecutiva de cubos forma un cuadrado.Plantilla:Harvtxt y Plantilla:Harvtxt estudian los análogos polinomiales de la fórmula cuadrada de números triangulares, en la que series de polinomios se suman al cuadrado de otro polinomio.

Véase también

• Demostración sin palabras
• Suma de series matemáticas

Referencias

• Plantilla:Citation.
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Enlaces externos

• Una prueba visual del teorema de Nicómaco