Формула суммы корней первых n натуральных чисел

Вступление

Есть довольно популярные формулы, по которым можно вычислить сумму чисел, их квадратов, кубов и прочих степеней.

Но есть ли такая формула для корней?

Я ожидал, что эта тема довольно хорошо изучена, потому что корень, так же как и степени, является неотъемлемым математическим инструментом.

Но, к моему удивлению, оказалось, что эта тема вообще не популярна, в отличии от других подобных формул.

По этой причине я взялся за решение этой задачи, и хочу поделиться своими результатами с вами.

Вывод формулы

Известно, что ряд может быть приближен через интеграл. Найдём его
Известно, что ряд может быть приближен через интеграл. Найдём его
Упростим выражение
Упростим выражение
Для приближения добавим к формуле ½. Число получено опытным путём, но, вероятно, его выбор можно аргументировать через какие-то выражения
Для приближения добавим к формуле ½. Число получено опытным путём, но, вероятно, его выбор можно аргументировать через какие-то выражения
Пределом найдем разницу между формулой и суммой корней
Пределом найдем разницу между формулой и суммой корней
Отлично, теперь возьмем тот же предел, но с константой
Отлично, теперь возьмем тот же предел, но с константой
Итоговый результат
Итоговый результат

Точность формулы и её доработка

При n 100
C ≈ 0.2
Опробуем нынешний вид формулы на разных n.
Для тестов я написал программу на Python.

Тесты при n ≤ 100

Формула суммы корней первых n натуральных чисел, image #7
Формула суммы корней первых n натуральных чисел, image #8
Формула суммы корней первых n натуральных чисел, image #9
1 of 3

Тесты при n > 100

Здесь уже используется полная константа.
C = 0.207886224977354566

Формула суммы корней первых n натуральных чисел, image #10
Формула суммы корней первых n натуральных чисел, image #11
Формула суммы корней первых n натуральных чисел, image #12
1 of 3

Если необходима точность получше, можно добавить асимптотическое разложение, количество его членов будет зависеть от точности которая вам нужна.

Более точная версия формулы
Более точная версия формулы

Тесты более точной версии

Тут уже при всех n надо использовать полную константу.
Так что C = 0.207886224977354566.

Формула суммы корней первых n натуральных чисел, image #14
Формула суммы корней первых n натуральных чисел, image #15
Формула суммы корней первых n натуральных чисел, image #16
1 of 3

Заключение

Пусть это возможно не самое наилучшее приближение, однако формула проста, красива, и понятна даже школьнику.

Я долго работал над этой формулой, так как восьмикласснику вывести эту формулу мягко говоря сложнее обычного.

Буду рад любым вашим правкам, критике, и простым комментариям.

С уважением, Игорь Исид

1828 views·32 shares