Matemática, perguntado por Lukyo, 1 ano atrás

(50 PONTOS) Obter uma fórmula fechada para o somatório:
~
\displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n}{k^{2}\,\dbinom{n}{k}}

Agradeço de coração a quem puder responder. :-)
~


lorydean: Suponho que a resposta seja essa: n.(n + 1).2^(n - 2)
Lukyo: Certo. Mas como chegar nessa resposta?
Lukyo: Parabéns galera! :-) Ótimas respostas que eu recebi!! :-D

Soluções para a tarefa

Respondido por lorydean
3
Consegui derivando uma função. Tentei a partir das propriedades do triângulo de Pascal mas não rolou...

Queremos calcular:

∑ k².Cn,k    (
∑ de k=0 até n)

Sabemos que 

(a + b)^n = ∑ Cn,k . a^(n-k) . b^k 

Considerando-se a seguinte f(x), a ideia é fazer aparecer k²:

f(x) = (1 + x)^n = ∑ Cn,k . 1^(n-k) . x^k

f(x) = (1 + x)^n = ∑ Cn,k . x^k

f '(x) = n.(1 + x)^(n-1) = ∑ Cn,k . k.x^(k-1)

x.f '(x) = n.x.(1 + x)^(n-1) = 
∑ Cn,k . k.x^k

[x.f '(x)] ' = n.(1 + x)^(n-1) + (n - 1).n.x.(1 + x)^(n-2) = ∑ Cn,k . k².x^(k-1)

Logo:

∑ Cn,k . k².x^(k-1)  =  n.(1 + x)^(n-1) +  (n - 1).n.x.(1 + x)^(n-2) 


Para x = 1, temos:

∑ Cn,k . k².1^(k-1)  =  n.(1 + 1)^(n-1) + (n - 1).n.1.(1 + 1)^(n-2) 

∑ Cn,k . k² =  n.2^(n-1) + (n - 1).n.2^(n-2) 

∑ Cn,k . k² =  2.n.2^(n-2) + (n - 1).n.2^(n-2) 

∑ Cn,k . k² =  [n.2^(n-2)].(2 + n - 1)

∑ Cn,k . k² =  [n.2^(n-2)].(n + 1)
 
∑ Cn,k . k² = n.(n + 1).2^(n - 2).

Lukyo: Olá. Entendi o que você fez, mas por acaso não seria Cn,k, onde está escrito Cn,p ?
Lukyo: Parabéns pela resposta.. Obrigado! :-)
lorydean: Kkkkk. Sim, foi força do hábito. Vou alterar.
Lukyo: Tranquilo! :-)
lorydean: Eu que agradeço
Lukyo: Nunca que eu iria pensar nesse jeito de resolver.. Gostei! :-D
Respondido por Niiya
2
\displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\dfrac{n!}{k!(n-k)!}=\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\dfrac{n!}{k\cdot(k-1)!(n-k)!}

Quando k = 0, o termo do somatório é 0, logo

\displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=1}^{n}k^{2}\binom{n}{k}

Então:

\displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=1}^{n}k^{2}\dfrac{n!}{k(k-1)!(n-k)!}

No somatório da direita, k ≠ 0, então

\displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=1}^{n}k\dfrac{n!}{(k-1)!(n-k)!}\\\\\\\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=1}^{n}k(n-k+1)\dfrac{n!}{(k-1)!(n-k+1)(n-k)!}\\\\\\\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=1}^{n}k(n-k+1)\dfrac{n!}{(k-1)!(n-k+1)!}\\\\\\\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=1}^{n}k(n-k+1)\dfrac{n!}{(k-1)!(n-[k-1])!}\\\\\\\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=1}^{n}k(n-[k-1])\binom{n}{k-1}

Fazendo u=k-1, temos k=u+1. Além disso:

k=1~\longrightarrow~u=0\\k=n~\longrightarrow~u=n-1

Então:

\displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{u=0}^{n-1}(u+1)(n-u)\binom{n}{u}\\\\\\\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{u=0}^{n-1}(u+1)(n-u)\binom{n}{u}+(n+1)(n-n)\binom{n}{n}

(pois esse fator somado é zero, já que n - n = 0)

\displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{u=0}^{n}(u+1)(n-u)\binom{n}{u}

Como u atua apenas como contador, podemos trocá-lo por k:

\displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=0}^{n}(k+1)(n-k)\binom{n}{k}\\\\\\\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=0}^{n}(nk-k^{2}+n-k)\binom{n}{k}\\\\\\\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=0}^{n}([n-1]k-k^{2}+n)\binom{n}{k}\\\\\\\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=\sum\limits_{k=0}^{n}\left[(n-1)k\binom{n}{k}-k^{2}\binom{n}{k}+n\binom{n}{k}\right]

\displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=(n-1)\sum\limits_{k=0}^{n}k\binom{n}{k}-\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}+n\sum\limits_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\\\\\\2\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=(n-1)\sum\limits_{k=0}^{n}k\binom{n}{k}+n\sum\limits_{k=0}^{n}\binom{n}{k}1^{k}1^{n-k}

Como vimos na tarefa 4972673\sum\limits_{k=0}^{n}k\binom{n}{k}=n\cdot2^{n-1}

Além disso, \sum\limits_{k=0}^{n}\binom{n}{k}1^{k}1^{n-k}=2^{k}

Então, finalmente:

\displaystyle2\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=(n-1)n\cdot2^{n-1}+n\cdot2^{n}\\\\\\\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=n(n-1)2^{n-2}+n\cdot2^{n-1}\\\\\\\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=n\cdot2^{n-2}\cdot[n-1+2]\\\\\\\boxed{\boxed{\sum\limits_{k=0}^{n}k^{2}\binom{n}{k}=n(n+1)2^{n-2}}}

Lukyo: Obrigado! :-)
Niiya: Disponha! :)
Perguntas interessantes