■ベキ和の整除性(その8)
S1=Σk=n(n+1)/2
S2=Σk^2=n(n+1)(2n+1)/6
S3=Σk^3=n^2(n+1)^2/4
が多くの読者にとってお馴染みの公式であろう.さらに,
S4=Σk^4=n(n+1)(2n+1)(3n^2+3n−1)/30
S5=Σk^5=n^2(n+1)^2(2n^2+2n−1)/12
S6=Σk^6=n(n+1)(2n+1)(3n^4+6n^3−3n+1)/42
S7=Σk^7=n^2(n+1)^2(3n^4+6n^3−n^2−4n+2)/24
S8=Σk^8=n(n+1)(2n+1)(5n^6+15n^5+5n^4−15n^3−n^2+9n−3)/90
と続く.
なお,ベルヌーイ多項式の最初のいくつかは
B0(x)=1
B1(x)=x−1/2
B2(x)=x^2−x+1/6
B3(x)=x^3−3x^2/2+x/2
B4(x)=x^4−2x^3+x^2−1/30
B5(x)=x^5−5x^4/2+5x^3/3−x/6
B6(x)=x^6−3x^5+5x^4/2+x^2/2+1/42
B7(x)=x^7−7x^6/2+7x^5/2+7x^3/6+x/6
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ファウルハーバーは,ベキ和の公式
Ss=Σk^s=1^s+2^s+3^s+・・・+n^s
において,s=17まで計算して,
[1]sが奇数のとき,SsはS1の多項式で表されることを見出し,
[2]sが偶数のときもこのことが成り立つと予想した.
ヤコビはファウルハーバーの予想を証明し,
[3]sが偶数のときSsはS2で割り切れ,さらに
[4]Ss/S2はS1の多項式で表されることを示した.
たとえば,
S3=S1^2
S4=S2(6S1−1)/5
S5=(4S1^3−S1^2)/3
S6=S2(12S1^2−6S1+1)/7
sが偶数のときn(n+1)(2n+1)(多項式)/(整数),1以外の奇数のときn^2(n+1)^2(多項式)/(整数)と書くことができる.また,Σk^sは(s+1)次の多項式になり,最高次数の係数は1/(s+1)となる.
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[Q1]SsはS1で割り切れることを示せ.
Ss(x+1)−Ss(x)=(x+1)^s
Ss(0)=0→Ss(−1)=0
したがって,Ssはx(x+1)で割り切れる.
[Q2]sが偶数の場合,SsはS2で割り切れることを示せ.
S2n(x)=B2n+1(x+1)/(2n+1)
S2n(−1/2)=B2n+1(1/2)/(2n+1)
B2n+1(1/2)=0→S2n(−1/2)=0
したがって,S2nは2x+1で割り切れる.[Q1]と併せて,
S2nはx(x+1)(2x+1)で割り切れる.
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