Summen von Potenzen natürlicher Zahlen

Vor der Darstellungen der Potenzsummen-Systematik empfiehlt es sich, einen Einschub über Summen-Systematiken zu machen, um eine einfache Notation zu vereinbaren.

1. Summenreihen

Reihen, deren Folgenglieder Summen oder Potenzen aller Ordnungen sind, sollen hier betrachtet werden:
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 +
1 + 3 + 6 +10 +15 +21 +
oder
1 + 4 + 9 + 16 + ...
1 + 8 +27 + 64 + ...

Betrachten wir zunächst die Familie der Reihen, deren Folgenglieder Summen aller Ordnungen sind.

S(0,n)=1 + 0 + 0 + 0 + 0 + 0 +...+n.tes Element
S(1,n)=1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 +...+n.tes Element
S(2,n)=1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 +...+n
S(3,n)=1 + 3 + 6 +10 +15 +21 +...+n.tes Element
S(4,n)=1 + 4 +10 +20 +35 +56 +...+n.tes Element
S(5,n)=1 + 5 +15 +35 +70+126 +...+n.tes Element
S(6,n)=1 + 6 +21 +56+126+252 +...+n.tes Element

Wenn man diese Reihen sehr schematisch aufschreibt und ihre Struktur analysiert, kommt man zu folgenden Formeln für S(k,n):

S(0,n) = 1  /  0! = 1
S(1,n) = n  /  1! = n
S(2,n) = n(n+1) / 2!
S(3,n) = n(n+1)(n+2) /  3!
S(4,n) = n(n+1)(n+2)(n+3) / 4!
S(5,n) = n(n+1)(n+2)(n+3)(n+4) / 5!
...
S(k,n) = n(n+1)...(n+k-1) /  k!

Diese Ergebnisse sind sehr schematisch und deshalb eingängig. Sie sind deshalb die Grundlage für die Darstellung der Potenzen und der Potenzreihen, die ihrerseits durch diese Art von Summenreihen einfach darstellbar sind.

2. Potenzen von n durch Reihensummen ausgedrückt


Potenzen von n sind sehr leicht und schematisch durch die obigen Summenfornmeln auszudrücken. Z.B. sind die Quadratzahlen 1,4,9,16,... immer gerade die Addition zweier benachbarten Summenzahlen 0,1,3,6,10,15,21...:

Schreiben wir die Summenreihe S(3,n)  zweimal untereinander und addieren die Spalten, dann ist das die einfachste Methode jeweils zwei benachbarte Summenzahlen zu addieren, und wir erhalten alle Quadratzahlen:

1*    1   3   6   10  15  21  28
1*        1   3    6  10  15  21
   -----------------------------
      1   4   9   16  25  36  49

oder die Kubikzahlen durch die Addition von jeweils 3 benachbarten Summen in S(4,n)

1*    1   4  10   20  35  56  ...
4*        1   4   10  20  35  ...
1*            1    4  10  20  ...
   -----------------------------
      1   8  27   64 125 216  ...

Man beachte hier, daß die zweite Reihe jeweils mal 4 genommen wird. Für höhere Potenzen von n sind diese Koeffizienten schwer direkt zu berechnen, aber man kann sie leicht iterativ erzeugen oder einfach aus dem EULER-Dreieck entnehmen.
 

2.1 Das EULER-Dreieck

Das EULER-Dreieck liefert wie das PASCAL-Dreieck Koeffizienten für diese Summengleichungen:

z0:1
z1:  1
z2:  1  1
z3:  1  4  1
z4:  1 11 11  1
z5:  1 26 66 26  1
z5:  ...

Die Systematik des Euler-Dreiecks ist nicht ganz so einfach wie z.B. die des PASCAL-Dreiecks und soll hier nicht ausgeführt werden. Hierzu wird eine eigene Seite erstellt werden.

Verwendet man das obenstehende EULER-Dreieck zeilenweise als Lieferant für die Koeffizienten des Schemas für die Potenzen von n, so erhält man die folgende Tabelle:

n^0 = 1
n^1 =   1*S(1,n)
n^2 =   1*S(2,n) + 1*S(2,n-1)
n^3 =   1*S(3,n) + 4*S(3,n-1) + 1*S(3,n-2)
n^4 =   1*S(4,n) +11*S(4,n-1) +11*S(4,n-2) + 1*S(4,n-3)
...

indem man entsprechend dem Exponenten k bei n die Koeffizienten aus der Zeile zk nimmt und sie mit den Summen S(k,n) multipliziert

n^k = 1*S(k,n) +zk(2)*S(k,n-1) + zk(3)*S(k,n-2) + ... + 1*S(k,n-k+1)

Jede Potenz ist somit als Summe von Summen darstellbar.
 

3. Reihen der Form 1 + 4 + 9 + 16.... oder 1 + 2^k + 3^k + 4^k...


Schreiben wir jetzt die Familie der Reihen von Potenzzahlen:

P(0,n) = 1 + 1 + 1  + 1 + ... + n.tes Element
P(1,n) = 1 + 2 + 3  + 4 + ... + n.tes Element
P(2,n) = 1 + 4 + 9  +16 + ... + n.tes Element
P(3,n) = 1 + 8 +27  +64 + ... + n.tes Element
P(4,n) = 1 +16 +81 +256 + ... + n.tes Element
...
P(k,n) = 1 + 2^k + 3^k +...+n^k

dann können wir die numerischen Werte aus analogen Formeln berechnen wir oben;

P(1,n) = 1*S(2,n)
P(2,n) = 1*S(3,n) + 1*S(3,n-1)
P(3,n) = 1*S(4,n) + 4*S(4,n-1) + 1*S(4,n-2)
P(4,n) = 1*S(5,n) +11*S(5,n-1) +11*S(5,n-2) + 1*S(5,n-3)

Verwendet man die Ergebnisformeln für S(k,n) dann stellt sich das so dar:

P(1,n) =  1*n(n+1)
             2!

P(2,n) =  1*n(n+1)(n+2)       + 1*(n-1)n(n+1)
             3!                    3!

P(3,n) =  1*n(n+1)(n+2)(n+3)  + 4*(n-1)n(n+1)(n+2) + 1*(n-2)(n-1)n(n+1)
             4!                    4!                    4!
...
 

In den Formelsammlungen werden diese Ergebnisformeln meist ausmultipliziert dargestellt, wodurch aber die leicht erkennbare Systematik verlorengeht, z.B. in dieser Art:

P(1,n) = (               n^2 +  n)/2
P(2,n) = (       2n^3 + 3n^2 +  n)/6
P(3,n) = ( n^4 + 2n^3 +  n^2     )/4

oder ähnlich. Der Benutzer der Formelsammlung kann nicht entnehmen, wie sich die Koeffizienten für höhere k fortsetzen; mit der hier gezeigten Methode läßt sich jedoch jede beliebige Potenzreihe durch Iteration schematisch entwickeln.
 
 

4. Darstellung mit Binomial-Schreibweise


Die vielen Elemente (n+1), (n+2) etc lassen es praktisch erscheinen, die Fakultätsfunktion zu verwenden um die Schreibweise zu vereinfachen. Optimal läßt sich die "n über k"-Schreibweise verwenden, die hier als
(n ü k) geschrieben wird anstatt als
     ( n )
     ( k )

(n ü k) ist definiert als
    (n ü k) =  n!/(k!*(n-k)!

Hier können wir z.B. den Term n(n+1)(n+2)/3! in einen Binomial-Koeffizienten umwandeln:

 n(n+1)(n+2) = 1*2*3*...*(n-1)*n(n+1)(n+2)  (n+2)!    =  (n+2)!    = ( n+2 )
     3!        1*2*3*...*(n-1)   *3!         (n-1)!*3!    (n+2-3)!3!    (  3  )

also

 S(3,n)  = (n+2 ü 3)

Dies vereinfacht alle Darstellungen extrem und ist leicht zu merken:

Summen-Reihen in Binomial-Schreibweise:


Für alle  S(k,n)-Funktionen ergibt sich dann:

S(0,n) =    (1   ü 0)   = 1
S(1,n) =    (n   ü 1)   = 1 +  1 + 1 + ... + n.tes element
S(2,n) =    (n+1 ü 2)   = 1 +  2 + 3 + ... + n
S(3,n) =    (n+2 ü 3)   = 1 +  3 + 6 + ... + n.tes element
S(4,n) =    (n+3 ü 4)   = 1 +  4 +10 + ... + n.tes element
...
S(k,n) =   (n+k-1 ü k)
 

Potenzen in Binomial-Schreibweise


Für die Potenzen von n ergibt sich

n^1 = 1*(n ü 1)
n^2 = 1*(n ü 2) + 1*(n+1 ü 2)
n^3 = 1*(n ü 3) + 4*(n+1 ü 3) + 1*(n+2 ü 3)
...
mit den Koeffizienten aus dem EULER-Dreieck.
 

Potenzreihen in Binomialschreibweise


Für die Summen der Potenzen P(k,n) ergibt sich

P(0,n) =1*(n ü 1)                                   = 1 + 1 + 1 + 1 + ... + 1   // n-Elemente
P(1,n) =    1*(n+1 ü 2)                             = 1 + 2 + 3 + 4 + ... + n
P(2,n) =    1*(n+1 ü 3) + 1*(n+2 ü 3)               = 1 + 4 + 9 +16 + ... + n^2
P(3,n) =    1*(n+1 ü 4) + 4*(n+2 ü 4) + 1*(n+3 ü 4) = 1 + 8 +27 +64 + ... + n^3
...

mit den Koeffizienten aus dem EULER-Dreieck.
 

5. Sonstiges

Diese ganzen Schemata haben etwas überaus symmetrisches und "schönes". Man lese einmal die Zahlen in den Summenreihen S(k,n) vertikal: sie sind gleich der horizontalen. Diagonal gegen die Hauptdiagonale gelesen zeigen sie das Pascalsche Binomial-Dreieck.

Wie können Summen mit negativem k berechnet werden? P(-1,n) ist die harmonische Reihe, wenn n gegen unendlich geht. P(-k,<infinity>) ist die Riemannsche Zeta-Funktion und liefert Werte die proportional PI oder Potenzen von PI sind.

Eine Voraussetzung, die Folge der P(3,n),P(2,n),P(1,n),P(0,n) nach P(-1,n) u.s.w. fortzusetzen erfordert auch die Fortsetzung des EULER-Dreiecks nach ober "über die Spitze hinaus". Hierfür gibt es bereits Ideen, zumindest für die erste Zeile, die sich aus der Untersuchung allgemeiner geometrischer Reihen ableiten lassen.
 

Gottfried Helms