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根据我昨日证明公式1³+2³+3³+…+n³=n²(n+1)²/4的方法，我重新排列了正方形的位置，终于成功证明了公式1²+2²+3²+…+n²=n(n+1)(2n+1)/6。证明图如下：

图中有n个正方形(我只画出5个)，都置于图中最大的矩形中。

矩形的宽即n

矩形的长：1+2+3+…+n=n(n+1)/2=(n²+n)/2

矩形面积：n(n²+n)/2=(n³+n²)/2

左下部空余部分（矩形与全部正方形的差）可以分为n-1条。

每条宽度均为1。从上向下数第i条长度=1+2+3+…+i=i(i+1)/2=(i²+i)/2

则第i条面积也为(i²+i)/2。

所有n-1条的总面积：

(1²+1)/2+(2²+2)/2+(3²+3)/2+…+[(n-1)²+(n-1)]/2

={[1²+2²+3²+…+(n-1)²]+[1+2+3+…+(n-1)]}/2

=[(1²+2²+3²+…+n²)-n²+n(n-1)/2]/2

=[(1²+2²+3²+…+n²)-2n²/2+(n²-n)/2]/2

=[(1²+2²+3²+…+n²)-(n²+n)/2]/2

为便于书写，记1²+2²+3²+…+n²=t²

显然，大矩形面积=全部正方形面积+空余部分面积，则

(n³+n²)/2=t+[t-(n²+n)/2]/2

n³+n²=2t+t-(n²+n)/2

2n³+2n²=6t-n²-n

6t=2n³+3n²+n

t=n(n+1)(2n+1)/6

即：

1²+2²+3²+…+n²=n(n+1)(2n+1)/6

为证明1²+2²+3²+…+n²=n(n+1)(2n+1)/6，我决定借助于几何图形。如图：

图中有n个小正方形（我只画了5个）连接，边长分别为1、2、3、…、n。这些小正方形都置于一个大正方形中，则

大正方形边长=1+2+3+…+n=n(n+1)/2

大正方形面积=[n(n+1)/2]²=(n⁴+2n³+n²)/4

将空余部分分条。

先看左下部分，共有n-1条。设某条按从左到右顺序为第i条，则：

该条宽度即为i。

该条长度=(i+1)+(i+2)+(i+3)+…+n=(n-i)(n+i+1)/2=(n²+n-i²-i)/2

则该条面积=i(n²+n-i²-i)/2=(in²+in-i³-i²)/2

则左下半侧n-1条总面积为：

(1*n²+1*n-1³-1²)/2+(2*n²+2*n-2³-2²)/2+(3*n²+3*n-3³-3²)/2+…+[(n-1)*n²+(n-1)*n-(n-1)³-(n-1)²]/2

={[1*n²+2*n²+3*n²+…+(n-1)n²]+[1n+2n+3n+…+(n-1)n]-[1³+2³+3³+…+(n-1)³]-[1²+2²+3²+…+(n-1)²]}/2

={[1+2+3+…+(n-1)]n²+[1+2+3+…+(n-1)]n-[1³+2³+3³+…+(n-1)³]-[1²+2²+3²+…+(n-1)²]}/2

=[n(n-1)/2*n²+n(n-1)/2*n-(1³+2³+3³+…+n³)+n³-(1²+2²+3²+…+n²)+n²]/2

=[n³(n-1)/2+n²(n-1)/2-(1³+2³+3³+…+n³)-(1²+2²+3²+…+n²)+n³+n²]/2

为方便书写，记1³+2³+3³+…+n³=t₂，1²+2²+3²+…+n²=t₃

两侧全部空余部分面积为：

n³(n-1)/2+n²(n-1)/2-t₂-t₃+n³+n²

=(n⁴-n³)/2+(n³-n²)/2+2n³/2+2n²/2-t₂-t₃

=(n⁴-n³+n³-n²+2n³+2n²)/2-t₂-t₃

=(n⁴+2n³+n²)/2-t₂-t₃

根据：空余部分面积+小正方形面积=大正方形面积，得：

(n⁴+2n³+n²)/2-t₂-t₃+t₃=(n⁴+2n³+n²)/4

t₂=(n⁴+2n³+n²)/2-(n⁴+2n³+n²)/4

t₂=(2n⁴+4n³+2n²)/4-(n⁴+2n³+n²)/4

t₂=(n⁴+2n³+n²)/4=n²(n+1)²/4

即：

1³+2³+3³+…+n³=n²(n+1)²/4

本来要证1²+2²+3²+…+n²=n(n+1)(2n+1)/6，却证出了1³+2³+3³+…+n³=n²(n+1)²/4，可谓“有心栽花花不成，无心插柳柳成荫。”

1²+2²+3²+…+n²=1/6*n(n+1)(2n+1)是在竞赛中较常用的公式。但一般的竞赛参考书只给出公式，不给予证明。在和同学探讨证明方法时，许多同学想到了用数学归纳法。

方法一：数学归纳法

当n=1,左边=1²=1,右边=1/6*1*(1+1)*(2*1+1)=1

左边=右边,∴n=1时,原式成立.

假设n=k时, 1²+2²+3²+…+k²=[k(k+1)(2k+1)]/6成立,

则n=k+1时,

左边=1²+2²+3²+…+k²+(k+1)²

=1/6*k(k+1)(2k+1)+(k+1)²

=(k+1)(1/3*k²+7/6*k+1)

=1/6*(k+1)(2k²+7k+6)

=1/6*(k+1)(k+2)(2k+3)

=1/6*(k+1)[(k+1)+1][2(k+1)+1]

右边=1/6*(k+1)[(k+1)+1][2(k+1)+1]

左边=右边,

∴n=k+1时,原式成立.

又∵n=1时,原式成立,

∴对任意n∈Z₊,1²+2²+3²+…+n²=1/6*n(n+1)(2n+1)都成立.

数学归纳法步骤简单、计算方便。但是，我们对此不太满足。归纳法只适用于知道了这个公式”长什么样”后进行理论证明.当初第一个推导出这个公式的人,肯定不是用归纳法,而是通过等式左边的1²+2²+3²+…+n²,一步步把右边的1/6*n(n+1)(2n+1)”从无到有”地推算出来的.

我们几个同学也决定试试.

一位同学表示:”可不可以从以前学过的一个简单的公式1+2+3+…+n=1/2*n(n+1)中得到点启发? 1+2+3+…+n=1/2*n(n+1)的左边是连续正整数的一次方相加,右边的化简式却是个二次整式.现在我们看到的1²+2²+3²+…+n²是连续正整数的平方相加,应该可以大胆猜测,它的化简式是个三次整式.”

大家表示赞同:”有那么多平方的式子,从立方的角度去研究,就有种’居高临下’的感觉,应该有助于解决问题.可以从有关立方的几个公式出发,把它往1²+2²+3²+…+n²上面转化.”

经过我们的努力,找到了一种不错的方法如下:

方法二:代数推导法

由公式(a+b)³=a³+3a²b+3ab²+b³=a³+3ab(a+b)+b³,得

1³=(0+1)³=0³+3*0*1*(0+1)+1³=0³+3*0*1+1

2³=(1+1)³=1³+3*1*1*(1+1)+1³=1³+3*1*2+1

3³=(2+1)³=2³+3*2*1*(2+1)+1³=2³+3*2*3+1

……

n³=(n-1+1)³=(n-1)³+3*(n-1)*1*(n-1+1)+1³=(n-1)³+3n(n-1)+1

将以上所有连等式的最左边和最右边分别加起来,得,

1³+2³+3³+…+n³=0³+1³+2³+…+(n-1)³+3*[0*1+1*2+2*3+…+(n-1)*n]+n

将左右两边相同的项消去,得

n³=3*[0*1+1*2+2*3+…+(n-1)*n]+n,整理得

0*1+1*2+2*3+…+(n-1)*n=1/3*(n³-n)

而0*1+1*2+2*3+…+(n-1)*n

=1²+2²+3²+…+n²-(1+2+3+…+n)

= 1²+2²+3²+…+n²-1/2*n(n+1)

所以1²+2²+3²+…+n²-1/2*n(n+1)=1/3*(n³-n)

即1²+2²+3²+…+n²

=1/2*n(n+1)+1/3*(n³-n)

=1/6*n(n+1)(2n+1)

完成了代数推导法后,大家都觉得刚才那位同学说的,”从1+2+3+…+n=1/2*n(n+1)中得到启发”体现了一种类比思想,非常好.那么,这个公式能不能从其他角度启发我们呢?

“我们以前学1+2+3+…+n=1/2*n(n+1),是怎么证明它的?”又一位同学问.

大家说了许多方法,但是好像都难以推广到1²+2²+3²+…+n²上来.

“我倒听说过一种几何方法”,我说,”如图1,每个小正方形边长为1,一共有n行小正方形,第一行有1个,第二行有2个,第三行有3个……第n行有n个.所有小正方形的面积之和就是(1+2+3+…+n),而所有小正方形的面积之和又等于一个直角边为(n+1)的等腰直角三角形的面积减去阴影部分的面积.阴影部分由(n+1)个直角边为1的等腰直角三角形组成.所以1+2+3+…n=1/2*(n+1)^2-1/2*(n+1)=1/2*n*(n+1).

图1

大家纷纷表示这个方法有意思:”既然用’面积思想’可以来证1+2+3+…n=1/2*n*(n+1),那么1²+2²+3²+…+n²应该能用’体积思想’化简.”我们探讨之后,得到了第三种方法:

方法三:立体几何法

如图2,这堆”积木”是由1*1*1的小立方体搭起来的.从上往下数,它的第一层有1块小立方体,第二层有2^2块,第三曾有3^2块……第n层有n^2块.

图2

因此它的体积可以用1²+2²+3²+…+n²来表示.

这堆积木的形状不规则,体积不便计算.但通过添加一些”边角料”,可以让它变成一个规则的四棱锥,如图3.

图3

四棱锥的体积减去的”边角料”的体积,就得到所有小立方体的总体积.

四棱锥的