Autor Tema: Binomial Sum

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07 Abril, 2023, 04:17 pm
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jacks

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Evaluation of \[ \displaystyle \sum^{10}_{k=0}\binom{20+k}{20}\binom{20-k}{10} \]

07 Abril, 2023, 07:54 pm
Respuesta #1

electron

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Hay que ver la cantidad de cosas interesantes y sorprendentes que uno descubre cuando bucea en las Matemáticas.

Hasta \( n=10 \) todos los sumandos tienen coeficientes binomiales digamos "normales", tipo \( \binom{a}{b} \) con \( a\geq b \), de modo que la suma pedida es

\( S_{10}=\binom{20}{20}\binom{20}{10}+\binom{21}{20}\binom{19}{10}+...+\binom{30}{20}\binom{10}{10} \)

Para \( n=11 \) hay que añadir el sumando \( \binom{31}{20}\binom{9}{10} \) que vale ¡cero! puesto que el coeficiente binomial \( \binom{a}{b} \) representa el nº de formas de formar subconjuntos de \( b \) elementos en un conjunto de \( n \) elementos; y como no se puede escoger 10 elementos en un conjunto de 9, no hay formas de escoger.

Así, sucede igual (todos los sumandos siguientes son nulos) desde \( n=11 \) hasta \( n=20 \), en el que el sumando final es \( \binom{40}{20}\binom{0}{10}=0 \) por las propiedades de los números combinatorios. Por tanto \( S_{10}=S_{11}=S_{12}=...=S_{20} \).

Para hallar \( S_{20} \) podemos echar mano de este teorema: https://proofwiki.org/wiki/Sum_over_k_of_r-k_Choose_m_by_s%2Bk_Choose_n

\( S_{10}=S_{20}=\displaystyle\sum_{k=0}^{20}{\binom{20-k}{10}\binom{20+k}{20}}=\binom{41}{31}=1121099408 \)



Se da el curioso caso de que la suma va aumentando hasta \( n=10 \), permanece constante de \( 10 \) a \( 20 \) y luego continúa aumentando indefinidamente.

Saludos

07 Abril, 2023, 08:03 pm
Respuesta #2

Masacroso

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Evaluation of \[ \displaystyle \sum^{10}_{k=0}\binom{20+k}{20}\binom{20-k}{10} \]

I find a way using finite calculus, maybe not the cleanest or shortest but it works. Using recursively the summation by parts formula

\( \displaystyle{
\sum_{k\geqslant 0}f(k)\Delta g(k)=f(k)g(k)\Big|_{k=0}^{k\to \infty }-\sum_{k\geqslant 0}\Delta f(k) \operatorname{E}g(k)\tag1
} \)

where \( \Delta h(k):=h(k+1)-h(k) \) and \( \operatorname{E}h(k):=h(k+1) \) we find that

\( \displaystyle{
\sum_{k\geqslant 0}\binom{n+k}{n}x^k=\frac{{\color{red}{1}}}{(1-x)^{n+1}}\tag2
} \)

where I set \( f(k):=\binom{n+k}{n} \) and \( \Delta g(k):=x^k \) (so it follows that \( g(k):=\frac{x^k}{x-1} \) is a "finite calculus primitive" of \( \Delta g(k) \)). Now note that \( \sum_{k=0}^{10}\binom{20+k}{20}\binom{20-k}{10} \) is the coefficient of \( x^{10} \) in the expansion of the product

\( \displaystyle{
\left(\sum_{k\geqslant 0}\binom{20+k}{20}x^k\right)\cdot \left(\sum_{k\geqslant 0}\binom{10+k}{10}x^k\right)=\frac{{\color{red}{1}}}{(1-x)^{32}}={\color{red}{\sum_{k\geqslant 0} \binom{31+k}{31}x^k}}\tag3
} \)

where the last equality is a consequence of (2). Therefore, comparing coefficients, from (3) it follows that

\( \displaystyle{
\sum_{k=0}^{10}\binom{20+k}{20}\binom{20-k}{10}=\binom{41}{31}=\binom{41}{10}\tag4
} \)

Correction.



Addition: instead of using summation by parts to get (2) we can notice that

\( \displaystyle{
\binom{n+k}{k}=\binom{n+k}{k}=\frac{(n+k)^{\underline{k}}}{k!}=\frac{(n+1)^{\overline{k}}}{k!}=\frac{(-n-1)^{\underline{k}}}{k!}(-1)^k=\binom{-n-1}{k}(-1) ^{k}\tag5
} \)

Therefore using the binomial identity we have that

\( \displaystyle{
\sum_{k\geqslant 0}\binom{n+k}{n}x^k=\sum_{k\geqslant 0}\binom{-n-1}{k}(-x)^k=(1+(-x))^{-n-1}=\frac1{(1-x)^{n+1}}\tag6
} \)

10 Abril, 2023, 09:37 am
Respuesta #3

jacks

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Thanks electron and Masacraso