¿Cómo demostramos combinatoriamente que [matemáticas] \ sum \ limits_ {r = 1} ^ nr! R = (n + 1)! – 1 [/ matemáticas]?

Deje que [matemática] S_n = \ sum \ limits_ {r = 1} ^ nr! r [/ matemáticas]

Para demostrar [matemáticas] S_n = (n + 1)! – 1 [/ math] es verdadero [math] \, \, \ forall \, n \ in \ mathbb {N} [/ math]

Lo demostraremos a través del método matemático de inducción.

Primero verifiquemos para [matemáticas] n = 1 [/ matemáticas],

[matemáticas] S_1 = 1! \ veces 1 = 1 [/ matemáticas]

Ahora encontremos el RHS de la declaración

R, HS [matemáticas] = (1 + 1)! – 1 = 2! – 1 = 2 – 1 = 1 [/ matemáticas]

¡Entonces la declaración [matemáticas] S_n = (n + 1)! – 1 [/ math] es verdadero para [math] n = 1 [/ math]

Suponemos que también es cierto para [matemáticas] n = k [/ matemáticas]

[matemáticas] \ implica S_k = (k + 1)! – 1 \, \, \, \, ———- (1) [/ matemáticas]

Ahora descubramos si la afirmación es verdadera para [matemáticas] n = k + 1 [/ matemáticas]

[matemáticas] S_ {k + 1} = \ sum \ limits_ {r = 1} ^ {k + 1} r! r [/ matemáticas]

[matemáticas] = \ sum \ limits_ {r = 1} ^ {k} r! r + (k + 1)! (k + 1) [/ matemáticas]

[matemáticas] = S_k + (k + 1)! (k + 1) [/ matemáticas]

[matemáticas] = (k + 1)! – 1 + (k + 1)! (k + 1) [/ matemáticas]

[matemáticas] = (k + 1)! (1 + k + 1) – 1 [/ matemáticas]

[matemáticas] = (k + 1)! (k + 2) – 1 [/ matemáticas]

[matemáticas] = (k + 2)! – 1 [/ matemáticas]

Entonces, por teorema de inducción matemática

[matemáticas] \ implica S_n = (n + 1)! – 1 [/ math] es verdadero [math] \, \, \ forall \, n \ in \ mathbb {N} [/ math]

Podemos escribir r! r como

r! r = r! * (r + 1-1)

= r! * [(r + 1) – 1]

= (r + 1) * r! – r!

= (r + 1)! – r!

Ahora tomando la suma y el límite de r = 1 a n en ambos lados.

Entonces

\ sum_1 ^ nr (r!) = \ sum_1 ^ n (r + 1–1) (r!)

= \ sum_1 ^ n (r + 1) (r!) – \ sum_1 ^ nr!

= \ sum_1 ^ n (r + 1)! – \ sum_1 ^ nr!

Después de poner expandiendo esto

= (2! -1! +3! -2! +4! -3! +5! -4! + ……… + (n + 1)! – n!)

= (n + 1)! – 1

Notamos que r! R = r! (R + 1) -r! = (R + 1)! – r!

¡Así, la suma, por método de diferencias, es (n + 1)! – 1