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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.

四棱锥的长、宽、高均为(n+1),它的体积(记为V总)为与它等底等高的柱体体积的1/3.

∴V总=1/3*(n+1)³.

再看”边角料”.

观察易得”边角料”有A,B两种,如图4.

图4

A物块是四棱锥.每个A物块的体积为1/3*1³=1/3

它在图3大四棱锥的”脊部”出现,每层有1个,大四棱锥有(n+1)层,所以A物块共有(n+1)个.

则A种边角料的总体积VA=1/3*(n+1)

B种物块是三棱柱,每个B种物块的体积为1/2*1³=1/2.

它在大四棱锥的右面和后面出现.且右面和后面的数量相同(在图3中,后面的B物块被小立方体挡住看不见).

易得在大四棱锥的第k层,B物块的个数为2k.

则B物块共有2(1+2+3+…+n)=n(n+1)个.

所以B种边角料的总体积VB=1/2*n(n+1)

因此,小立方体的总体积=V总-VA-VB

= 1/3*(n+1)³-1/3*(n+1)-1/2*n(n+1)

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

∴1²+2²+3²+…+n²=1/6*n(n+1)(2n+1)

这是一次很有意义的探究.类比思想、面积(体积)思想和数形结合思想都在其中有充分的体现.另外,这次探究也让我们知道,数学离不开交流合作的意识和”不满足于一个答案”的精神.