请求证明组合恒等式:$(n+1)^n = \binom{n+1}{1}n^n - \binom{n+1}{2}(n-1)^n + \cdots + (-1)^{n+1}\binom{n+1}{n}1^n$
嘿,这个恒等式看起来真的很巧妙!我来给你分享两个直观的证明思路,都是不用复杂公式就能理解的那种:
方法一:满射函数计数(容斥原理)
我们先把恒等式稍微变形一下,把所有项移到左边:
$$(n+1)^n - \binom{n+1}{1}n^n + \binom{n+1}{2}(n-1)^n - \cdots + (-1){n+1}\binom{n+1}{n}1n + (-1){n+2}\binom{n+1}{n+1}0n = 0$$
最后那项$(-1){n+2}\binom{n+1}{n+1}0n$其实是0(因为n≥1时0的n次方是0),所以可以忽略,核心是左边的总和为0。
那这个总和是什么呢?其实它就是容斥原理计算从n个元素到n+1个元素的满射函数数量的公式!
我们知道,从n个元素到m个元素的满射函数数量,用容斥原理表示为:
$$\sum_{k=0}^m (-1)k\binom{m}{k}(m-k)n$$
这个公式的逻辑是:先算所有函数的总数$m^n$,然后减去至少漏掉1个元素的函数数,加回至少漏掉2个元素的函数数,以此类推(容斥的交替加减)。
现在令m = n+1,那我们要算的是从n个元素到n+1个元素的满射函数数量——这显然是0啊!因为你只有n个元素,要映射到n+1个不同的目标元素,根本不可能每个目标元素都被映射到,满射不存在。
所以代入m=n+1后,这个满射数量公式就变成:
$$\sum_{k=0}^{n+1} (-1)^k\binom{n+1}{k}(n+1 -k)^n = 0$$
把k=0的项$(n+1)^n$移到右边,就得到了:
$$(n+1)^n = \sum_{k=1}^{n+1} (-1)^{k+1}\binom{n+1}{k}(n+1 -k)^n$$
最后把变量替换一下,令t = n+1 -k:当k=1时t=n,k=2时t=n-1,...,k=n时t=1,代入后就正好是你要证明的恒等式啦!
方法二:有限差分视角
另一个思路是用有限差分算子,定义差分算子$\Delta f(k) = f(k+1) - f(k)$,n阶差分的公式是:
$$\Delta^n f(k) = \sum_{i=0}^n (-1)^{n-i}\binom{n}{i}f(k+i)$$
我们考虑函数$f(k) = k^n$,那我们计算它的(n+1)阶差分在k=0处的值:
$$\Delta^{n+1}f(0) = \sum_{i=0}^{n+1} (-1)^{n+1 -i}\binom{n+1}{i}f(i) = \sum_{i=0}^{n+1} (-1)^{n+1 -i}\binom{n+1}{i}i^n$$
而对于次数不超过n的多项式,它的(n+1)阶差分一定是0——因为每做一次差分,多项式的次数就降1次,n次多项式做n次差分后变成常数,再做一次差分就是0了。$f(k)=kn$是n次多项式,所以$\Delta{n+1}f(0)=0$。
把这个等式展开:
$$\sum_{i=0}^{n+1} (-1)^{n+1 -i}\binom{n+1}{i}i^n = 0$$
调整一下符号,把i=0的项(也就是$(-1){n+1}\binom{n+1}{0}0n=0$)去掉,然后把式子变形:
$$\sum_{i=1}^{n+1} (-1)^{n+1 -i}\binom{n+1}{i}i^n = 0$$
两边乘以$(-1)^{n+1}$,得到:
$$\sum_{i=1}^{n+1} (-1){-i}\binom{n+1}{i}in = 0$$
因为$(-1){-i}=(-1)i$,所以:
$$\sum_{i=1}^{n+1} (-1)i\binom{n+1}{i}in = 0$$
再把i换成n+1 - t(t从1到n),就可以得到你要的恒等式形式,和方法一的结果一致。
两种方法都能得到结论,是不是挺清晰的?
备注:内容来源于stack exchange,提问作者sku




