Волшебный двурог

1; 2 + 1; 3 + 2; …; n + (n– 1).

Сумма всех этих чисел будет, очевидно,

1 + 3 + 5 + … + 2n — 1.

Приравнивая сумму «по прямым» сумме «по гномонам», получаю:

1 + 3 + 5 + … + 2n — 1 = n²,

то есть сумма и нечетных чисел равна n². Как будто недавно мы с тобой уже встречались с этим вавилонским равенством?

— Встречались, — отвечал Илюша.

— Прелестно! — обрадовался Радикс.
– Хорошо, что ты не забыл об этом. А теперь далее. Я напишу в каждой горизонтальной полосе числа от единицы до n, то есть

1, 2, 3, 4, 5, … , n,

и ясно, что сумма их будет равна в каждой полосе

(n + 1)n / 2,

— 349 —

по правилу суммы арифметической прогрессии. Раз это так, то ясно, что сумма всех полос доски будет равна

(n + 1)n² / 2

Теперь рассмотрим, каковы будут суммы «по гномонам». Ясно, что сумма чисел энного гномона будет

n²+ (1 + 2 + 3 + … + n– 1).

Эту сумму можно записать еще иначе, то есть:

n²+ n(n + 1) / 2

и окончательно:

2/3 n² — (1/2)n

Теперь я буду давать в этой формуле числу и значения 1, 2, 3… и до n включительно. Суммы тогда будут равны по окончательному написанию:

3/2 · 1² — 1/2 · 1

3/2 · 2² — 1/2 · 2

3/2 · 3² — 1/2 · 3

………

………

3/2 · n² — 1/2 · n

Сложив все это столбиком, получаю для всех полос:

3/2 · S₂ — 1/2 · S

где S₂ есть сумма квадратов первых и натуральных чисел, а S — сумма их первых степеней. Приравнивая, как и ранее, сумму «по прямым» сумме «по гномонам», получаю:

3/2 · S₂ — 1/2 · S = n²(n + 1) / 2

— 350 —

а отсюда определяю, чему равняется S₂ и после ряда несложных переделок, которые, конечно, ты и сам не откажешься выполнить, получаю сумму квадратов первых и натуральных чисел, которая будет:

S₂ = (2n + 1)(n + 1)n / 6.

Советую тебе еще написать в клетках шашечницы пифагорову таблицу умножения и по ней найти, чему равна сумма кубов первых n чисел. Если же ты напишешь в клетках квадраты чисел пифагоровой таблицы, то сможешь найти и сумму пятых степеней. Однако нам пока это все, кроме суммы квадратов, не понадобится. Приступим теперь к вопросу об интегрировании. Допустим, что нам дана парабола, уравнение которой будет:

y = х²,

и нам нужно эту функцию проинтегрировать, или найти площадь, ограниченную параболой от начала координат до точки с абсциссой b, то есть площадь, ограниченную отрезком самой параболы, отрезком оси абсцисс и ординатой в точке х = b.

Для этого мы сначала делим интервал (то есть отрезок абсциссы) от нуля до b на n равных частей. Длина каждой такой части будет

h = b / n

Вся площадь теперь разбита на трапецоиды, ширина каждого из которых равна, как уже указано, b/n, а вышину мы определяем, согласно уравнению кривой, для последовательных точек параболы, как

h², 2²h², 3²h², … , n²h²,

ибо ясно, что если х равен h, то у будет равен h² и так далее.

Но если это так, то площади последовательных прямоугольников, которыми мы заменяем наши трапецоиды, будут равны

hh², h2²h², h3²h², … hn²h².

— 351 —

Видно, что сумма прямоугольников больше, нежели сумма трапецоидов, но при безграничном увеличении числа n искомая площадь будет пределом суммы прямоугольничков, то есть пределом следующего выражения:

h(h² + 2²h² + 3²h² + … + n²h²) = h³(1² + 1² + 2² + 3² + … + n²) = b³/n³(1² + 1² + 2² + 3² + … + n²)