Autor Tema: Demostración de una identidad en la que intervienen ciertos factoriales.

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19 Mayo, 2026, 06:44 pm
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Ojeda

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Buenas tardes tengan ustedes.

Cómo se podría probar la identidad

\( \displaystyle\sum_{k=0}^n\dfrac{(2k)!}{(k!)^2}\dfrac{(2(n-k))!}{((n-k)!)^2}=4^n \)

para cada \( n=0,1,2... \)


Gracias de antemano y un saludo.
Simple y medible

21 Mayo, 2026, 01:49 pm
Respuesta #1

Masacroso

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Buenas tardes tengan ustedes.

Cómo se podría probar la identidad

\( \displaystyle\sum_{k=0}^n\dfrac{(2k)!}{(k!)^2}\dfrac{(2(n-k))!}{((n-k)!)^2}=4^n \)

para cada \( n=0,1,2... \)


Gracias de antemano y un saludo.

Un bosquejo para una vía que halla una demostración: manipulando la igualdad, tenemos que lo que nos piden demostrar es equivalente a demostrar que \( \sum_{k=0}^n a_k a_{n-k}=1 \) para \( a_k:=\binom{2k}{k}4^{-k} \), para todo \( n\in \mathbb{N}\cup\{0\} \). Eso nos da una pista para su resolución, ya que usando el producto cartesiano de series formales tendríamos que

\[
\left(\sum_{k\geqslant 0}a_k x^k\right)^2=\sum_{k\geqslant 0}x^k
\]

Si \( |x|<1 \) entonces las anteriores series convergen y el producto se mantiene, y como \( \sum_{k\geqslant 0}x^k =\frac1{1-x} \) entonces podríamos sospechar que \( \sum_{k\geqslant 0}a_k x^k=\frac1{\sqrt{1-x}} \), al menos cuando \( x \) es real. Pero en ese caso

\[
\frac1{\sqrt{1-x}}=(1-x)^{-1/2}=\sum_{k\geqslant 0}\binom{-1/2}{k}(-1)^k x^k
\]

lo que reduce a demostrar que \( \binom{-1/2}{k}(-1)^k=a_k \) para todo \( k \), cosa que se verifica después de algunas manipulaciones algebraicas.∎

21 Mayo, 2026, 04:29 pm
Respuesta #2

Ojeda

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Muchas gracias por la respuesta. La idea de usar series formales es muy ingeniosa.

He conseguido hallar otra solución más elemental, aunque bastante más larga, aplicando el principio de inducción. Si denotamos \( a_{n,k}=\frac{(2k)!}{k!^2}\frac{(2(n-k))!}{(n-k)!^2} \), se verifica que:

\[ a_{n+1,k}=\dfrac{2k-1}{2(n+1)}\,4a_{n,k-1}+\dfrac{2n-2k+1}{2(n+1)}\,4a_{n,k} \], para cada \( n=1,2,3... \) y cada \( k=1,...,n \).

He llegado a esta fórmula tomando, por ejemplo, los elementos de la fila \( n=5 \), multiplicándolos por cuatro y expresando cada uno de esos nuevos términos como suma de dos números convenientemente escogidos de forma que reagrupándolos se obtengan los elementos de la fila \( n=6 \).

Por otro lado, es inmediato probar que         \( 4a_{n,k-1}=\dfrac{2k}{2k-1}a_{n+1,k} \)                  \( 4a_{n,k}=\dfrac{2(n-k+1)}{2n-2k+1}a_{n+1,k} \)


                                                                 \( a_{n+1,0}=\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\,4a_{n,0} \)                  \( a_{n+1,n+1}=\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\,4a_{n,n} \)

Suponiendo que \( \displaystyle\sum_{k=0}^n a_{n,k}=4^n \), y teniendo en cuenta las igualdades anteriores, se llega fácilmente a que \( \displaystyle\sum_{k=0}^{n+1}a_{n+1,k}=4^{n+1} \).

Un saludo.




Simple y medible

26 Mayo, 2026, 12:43 pm
Respuesta #3

ani_pascual

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Hola:
...
Por otro lado, es inmediato probar que         \( 4a_{n,k-1}=\dfrac{2k}{2k-1}a_{n+1,k} \)                  \( 4a_{n,k}=\dfrac{2(n-k+1)}{2n-2k+1}a_{n+1,k} \)

                                                                 \( a_{n+1,0}=\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\,4a_{n,0} \)                  \( a_{n+1,n+1}=\textcolor{red}{\dfrac{2n+1}{2(n+1)}}\,4a_{n,n} \)

Suponiendo que \( \displaystyle\sum_{k=0}^n a_{n,k}=4^n \), y teniendo en cuenta las igualdades anteriores, se llega fácilmente a que \( \displaystyle\sum_{k=0}^{n+1}a_{n+1,k}=4^{n+1} \).
...
Creo que hay una errata en una de las igualdades.
Sería \( a_{n+1,n+1}=\dfrac{2(2n+1)}{n+1}a_{n,n} \).
Tras dedicarle algo de tiempo... no logro ultimar la prueba. :banghead:
Partiendo de
\( \displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n+1}a_{n+1,k}=\cdots \\ \) llego a \( 4^{n+1}+a_{n+1,0}+a_{n+1,n+1}-4a_{n,n}-\displaystyle\sum\limits_{k=0}^{n -1}\dfrac{2a_{n,k}}{k+1} \), pero ahí me quedo ...  :banghead:
¿Podrías detallar el final? Me puede la curiosidad... ;D
Saludos

26 Mayo, 2026, 02:11 pm
Respuesta #4

Ojeda

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Hola.

La igualdad \( a_{n+1,n+1}=\dfrac{2n+1}{2(n+1)} \) 4\( a_{n,n} \) es correcta, al igual que la que tú escribes. Date cuenta de que está incluido un 4 que multiplica.

De hecho, las identidades

\( a_{n+1,0}=\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\,4a_{n,0} \)      y       \( a_{n+1,n+1}=\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\,4a_{n,n} \)

son equivalentes debido a la simetría de los números \( a_{n,k} \). Es decir, de forma parecida a lo que cumplen los números combinatorios, se verifica \( a_{n,k}=a_{n,n-k} \), lo que significa que

\( a_{n+1,0}=a_{n+1,n+1} \)       y        \( a_{n,0}=a_{n,n} \)

y la primera igualdad será cierta si, y sólo si, lo es la segunda.


Por otro lado, supongamos que \( \displaystyle\sum_{k=0}^n{a_{n,k}}=4^n \).

Entonces
\( \displaystyle\sum_{k=0}^{n+1}a_{n+1,k}=a_{n+1,0}+\Big(\sum_{k=1}^{n}a_{n+1,k}\Big)+a_{n+1,n+1}=
\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\,4a_{n,0}+\displaystyle\sum_{k=1}^n\Big(\dfrac{2k-1}{2(n+1)}\,4a_{n,k-1}+\dfrac{2n-2k+1}{2(n+1)}\,4a_{n,k}\Big)+\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\,4a_{n,n}= \)

\( =4\Big[\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\,a_{n,0}+\dfrac{1}{2(n+1)}a_{n,0}+\displaystyle\sum_{k=2}^n\Big(\dfrac{2k-1}{2(n+1)}\,a_{n,k-1}\Big)+\displaystyle\sum_{k=1}^{n-1}\Big(\dfrac{2n-2k+1}{2(n+1)}\,a_{n,k}\Big)+\dfrac{1}{2(n+1)}\,a_{n,n}+\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\,a_{n,n}\Big]= \)

\( =4\Big[a_{n,0}+\displaystyle\sum_{k=1}^{n-1}\Big(\dfrac{2k+1}{2(n+1)}\,a_{n,k}\Big)+\displaystyle\sum_{k=1}^{n-1}\Big(\dfrac{2n-2k+1}{2(n+1)}\,a_{n,k}\Big)+a_{n,n}\Big]=
4\Big[a_{n,0}+\displaystyle\sum_{k=1}^{n-1}\Big(\dfrac{2k+1}{2(n+1)}+\dfrac{2n-2k+1}{2(n+1)}\Big)\,a_{n,k}+a_{n,n}\Big]= \)

\( =4\Big[a_{n,0}+\displaystyle\sum_{k=1}^{n-1}\,a_{n,k}+a_{n,n}\Big]=4\cdot\displaystyle\sum_{k=0}^{n}\,a_{n,k}=4\cdot 4^n=4^{n+1} \).



Espero que de esta forma quede más clarificado.

Un saludo.
Simple y medible

26 Mayo, 2026, 07:45 pm
Respuesta #5

ani_pascual

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...
La igualdad \( a_{n+1,n+1}=\dfrac{2n+1}{2(n+1)} \) 4\( a_{n,n} \) es correcta, al igual que la que tú escribes. Date cuenta de que está incluido un 4 que multiplica.
¡Cierto! Pasó desapercibido el \( 4 \)  ;D
Citar
...

Espero que de esta forma quede más clarificado.

Perfecto, ahora sí, todo aclarado. ¡Muchas gracias!  :)
AÑADIDO
Por si es de interés, pongo a continuación una prueba de las igualdades que Ojeda ha aplicado en la demostración de su ejercicio:

Spoiler
\( \bullet \hspace{1cm} \boxed{a_{n+1,k}=\dfrac{2k-1}{2k}\cdot 4a_{n,k-1}}\\
a_{n+1,k}=\left(\begin{array}{c}2k\\k\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}2(n+1-k)\\n+1-k\end{array}\right)
\stackrel{(\ast)}{=}\dfrac{2k}{k}\left(\begin{array}{c}2k-1\\k-1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}2(n+1-k)\\n+1-k\end{array}\right)\stackrel{(\ast\ast)}{=}2\left(\begin{array}{c}2k-1\\k\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}2(n+1-k)\\n+1-k\end{array}\right)\stackrel{\ast}{=}\dfrac{2(2k-1)}{k}\left(\begin{array}{c}2(k-1)\\k-1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}2(n-(k-1))\\n-(k-1)\end{array}\right)=\dfrac{2k-1}{2k}\cdot 4a_{n,k-1}\,\,\blacksquare\\\mbox{ En particular, si } k=n+1\mbox{ se tiene } a_{n+1,n+1}=\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\cdot 4a_{n,n}\\
\bullet \hspace{1cm} \boxed{a_{n+1,k}=\dfrac{2(n-k)+1}{2(n-k+1)}\cdot 4a_{n,k}}\\
a_{n+1,k}=\left(\begin{array}{c}2k\\k\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}2(n+1-k)\\n+1-k\end{array}\right)\stackrel{(\ast\ast\ast)}{=}\left(\begin{array}{c}2k\\k\end{array}\right)\left[\left(\begin{array}{c}2(n-k)+1\\n-k\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}2(n-k)+1\\n-k+1\end{array}\right)\right]=\\\left(\begin{array}{c}2k\\k\end{array}\right)\left[\left(\begin{array}{c}2(n-k)+1\\n-k+1\end{array}\right)+\dfrac{2(n-k)+1}{n-k+1}\left(\begin{array}{c}2(n-k)\\n-k\end{array}\right)\right]=
\left(\begin{array}{c}2k\\k\end{array}\right)\left[\dfrac{2(n-k)+1}{n-k+1}\left(\begin{array}{c}2(n-k)\\n-k\end{array}\right)+\dfrac{2(n-k)+1}{n-k+1}\left(\begin{array}{c}2(n-k)\\n-k\end{array}\right)\right]=\dfrac{2[2(n-k)+1]}{n-k+1}a_{n,k}=\dfrac{2(n-k)+1}{2(n-k+1)}\cdot 4a_{n,k}\,\blacksquare \\ \mbox{ En particular, si } k=0\mbox{ se tiene } a_{n+1,0}=\dfrac{2n+1}{2(n+1)}\cdot 4a_{n,0}\\
\\
\bullet \hspace{1cm} \boxed{a_{n+1,k}=\dfrac{2k-1}{2(n+1)}\cdot 4a_{n,k-1}+\dfrac{2(n-k)+1}{2(n+1)}\cdot 4a_{n,k}}\\
(2k-1)\cdot 4a_{n,k-1}+[2(n-k)+1]\cdot 4a_{n,k}=2ka_{n+1,k}+2(n-k+1)a_{n+1,k}=2(n+1)a_{n+1,k}\Longrightarrow
a_{n+1,k}=\dfrac{2k-1}{2(n+1)}\cdot 4a_{n,k-1}+\dfrac{2(n-k)+1}{2(n+1)}\cdot 4a_{n,k},\,\,\blacksquare\\[0.5cm]
(\ast) \hspace{1cm}\left(\begin{array}{c}m\\j\end{array}\right)=\dfrac{m}{j}\left(\begin{array}{c}m-1\\j-1\end{array}\right),\,\,\,\forall\,m\geq j\geq 1\\[0.5cm]
(\ast\ast)\hspace{1cm}\left(\begin{array}{c}m\\j\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}m\\m-j\end{array}\right),\,\,\,\forall\,m\geq j\geq 0\\[0.5cm]
(\ast\ast\ast)\hspace{1cm} \left(\begin{array}{c}m+1\\j\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}m\\j-1\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}m\\j\end{array}\right),\,\,\,\forall\,m\geq j\geq 1
 \)

[cerrar]
Saludos