Fórmula de Faulhaber ( De Gaussianos )

La intuición matemática de papá Keeler y la fórmula de Faulhaber

 

Pues Ken Keeler es un matemático que se doctoró en la prestigiosa Universidad de Harvard. Pero principalmente es conocido por ser el guionista de siete capítulos de Los Simpson y de nueve capítulos de Futurama, ambas con gran cantidad de contenido matemático (como por ejemplo El UTF y Los Simpson o la serie Futurama y las Matemáticasque consta de estas cinco entradas: I, II, III, IV y V). Pero la historia que os voy a contar hoy no tiene como protagonista principal a Ken, sino a Martin Keeler, su padre.

Contaba Ken en una entrevista lo siguiente sobre su padre, médico de profesión:

La principal influencia que tuve fue mi padre, que era médico… Sólo hizo un curso de cálculo, pero recuerdo que una vez le pregunté cuál era la suma de los primeros  al cuadrado, y fue capaz de hallar la fórmula en unos pocos minutos:

Lo que todavía me sorprende es que no lo hizo con ningún argumento geométrico (como se suele derivar normalmente la suma de los primeros  enteros) ni con un argumento inductivo. Supuso que la fórmula era un polinomio cúbico con coeficientes desconocidos, y luego averiguó los coeficientes resolviendo el sistema de cuatro ecuaciones lineales generado computando las cuatro primeras sumas de cuadrados(y lo hizo todo a mano, sin determinantes). Cuando le pregunté cómo sabía que la fórmula sería un polinomio cúbico, me dijo: “¿Y qué otra cosa iba a ser si no?”.

Primero: la solución dada por Martin Keeler es correcta. La suma de los cuadrados de los primeros  enteros positivos es:

Es sencillo demostrar dicha igualdad utilizando inducción (método de demostración que explicamos aquí y que hemos usado en más de una ocasión en este blog), y si operamos y después simplificamos en dicha expresión obtenemos el resultado de Martin Keeler.

Segundo: ¿por qué la intuición matemática de Martin Keeler acertó de pleno en este caso? ¿Hay alguna razón que le pudiera llevar a pensar en que el resultado debía ser un polinomio de grado 3 sí o sí o fue casualidad? La suma de los primeros  enteros positivos es:

Es decir, un polinomio de grado dos. Siendo entonces la suma de los primeros  enteros elevados a 1 un polinomio de grado dos, podría ser razonable pensar que la suma de los primeros  enteros elevados a 2 sería un polinomio de un grado más que el anterior, de grado 3 por tanto. Y digo razonable porque en realidad muchas suposiciones se podrían considerar razonables inicialmente en este caso, siendo la mayoría de ellas desechadas después de algunos cálculos. Por eso podría ser verosímil que papá Keeler acertara de casualidad, y que lo de “¿Y qué otra cosa iba a ser si no?” fuera más bien una sobrada. Pero, como siempre, me gustaría ver vuestra opinión al respecto en los comentarios.

Pero bueno, la cuestión es que papá Keeler acertó, sea como sea…y si hubiera seguido con el mismo razonamiento habría acertado para todas las posibles potencias enteras positivas. Me explico: la suma de las potencias p de los primeros  enteros positivos se puede expresar como un polinomio de grado p+1 con coeficientes racionales. Este resultado es conocido como la fórmula de Faulhaber, y se expresa de la siguiente forma:

siendo  los números de Bernoulli (y tomando ).

El nombre de dicha fórmula se debe a Johann Faulhaber, matemático alemán del siglo XVII y fundador de una escuela de ingenieros que se dedicó, entre otras cosas, al estudio de las sumas de las potencias de los primeros  enteros.

Sin embargo, dicha fórmula no fue descubierta por Faulhaber. Él simplemente encontró las expresiones para dichas sumas hasta la potencia 25 (mucho más de los que se había hecho hasta ese momento) y las publicó en su libro Academia Algebra. Pero hizo todavía más:encontró expresiones para las sumas de las potencias impares expresadas como polinomios en función de , es decir, en función de la suma de los primeros enteros positivos. Aquí tenéis algunos ejemplos:

Pero no dio una demostración para cualquier potencia impar. Tuvimos que esperar a 1834 para que Jacobipresentara una prueba rigurosa de este resultado. En Johann Faulhaber and sums of powers, de Donald Knuth, tenéis más información sobre el tema.

Por cierto, como curiosidad comentar que Faulhaber dejó estos resultados en su libro en forma de código secreto, y que parece que el primero que lo descifró fue el propio Knuth, dándose cuenta así de que las expresiones dadas por Faulhaber eran correctas hasta la potencia 23, pero incorrectas para las potencias 24 y 25.