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分子含阶乘的求和式化简及模2023余数求解咨询

分子含阶乘的求和式化简及模2023余数求解咨询

嘿,我完全懂你这种困扰——分母带阶乘的求和往往有现成的展开式(比如e的泰勒展开)或者望远镜级数可以用,但分子带阶乘的时候确实容易卡壳。不过别担心,这个问题其实还是可以用望远镜级数的思路拆解,我们一步步来解决:

第一步:拆分求和通项,构造望远镜形式

我们的目标是把通项 (i^2(i+1)!) 拆成几个阶乘项的组合,让它们在求和时能相互抵消。通过代数变形,我们可以把 (i^2) 转化为和阶乘递推相关的形式:

先尝试将 (i^2(i+1)!) 表示为高阶阶乘的线性组合,最终可以得到:
[i^2(i+1)! = (i+3)! - 5(i+2)! + 4(i+1)!]
(验证一下:把右边展开后,确实能还原成左边的表达式,你可以自己代入几个小的i值试试,比如i=0时,右边=3!-5×2!+4×1!=6-10+4=0,左边=0²×1!=0,成立;i=1时,右边=4!-5×3!+4×2!=24-30+8=2,左边=1²×2!=2,也成立)

第二步:求和并抵消中间项

现在把求和式代入拆分后的通项:
[S = \sum_{i=0}^{2023} \left[(i+3)! -5(i+2)! +4(i+1)!\right]]

把这个求和拆成三个独立的求和,然后重新索引或者直接展开前几项和后几项,你会发现中间的阶乘项都会相互抵消,最终只剩下首尾的少数项:
[S = 2026! -4×2025! +2]
(具体推导可以通过展开求和项,观察3!、4!…2024!这些中间项的系数都是0,最终只剩下最开始的常数项和最后的高阶阶乘项)

第三步:计算S mod 2023

首先注意到2023=7×17²,我们可以用中国剩余定理,分别计算S mod7和S mod17²,再合并结果:

  1. 计算S mod7
    因为7是质数,且2025≥7,所以2025!包含7这个因子,即2025!≡0 mod7,同理2026! =2026×2025!≡0 mod7。代入S的表达式:
    [S ≡0 -4×0 +2=2 \mod7]

  2. 计算S mod17²=289
    17是质数,2025远大于2×17=34,所以2025!中包含17²这个因子(2025!里17的指数远大于2),因此2025!≡0 mod289,2026!≡0 mod289。代入得:
    [S≡0 -4×0 +2=2 \mod289]

  3. 合并结果
    因为7和289互质,根据中国剩余定理,满足S≡2 mod7且S≡2 mod289的数,必然满足S≡2 mod(7×289)=2 mod2023。

所以最终S除以2023的余数是2。

总结一下分子带阶乘的求和技巧

遇到分子带阶乘的求和,核心思路还是构造望远镜级数:通过代数变形把通项拆成相邻阶乘项的差(或线性组合),让求和时中间项抵消,只剩下首尾项,这样就能大幅简化计算。如果涉及模运算,再结合质数阶乘的性质(n≥质数p时,n!≡0 modp;n≥2p时,n!≡0 modp²等)来快速计算模值。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Mahit Chopra

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