篇幅有限,僅記錄公式及極簡證明。
定義
\[\begin{aligned}
&f(n)=\sum_{i=0}^n(-1)^i{n\choose i}g(i)\Leftrightarrow g(n)=\sum_{i=0}^n(-1)^i {n\choose i} f(i) & (1)
\\
&f(n)=\sum_{i=0}^n{n\choose i}g(i)\Leftrightarrow g(n)=\sum_{i=0}^n(-1)^{n+i} {n\choose i} f(i) & (2)
\\
&f(n)=\sum_{i=0}^m{i\choose n}g(i)\Leftrightarrow g(n)=\sum_{i=0}^m(-1)^{n+i}{i\choose n} f(i),m\ge n & (3)
\end{aligned}
\]
注意 \((2)(3)\) 式的 \((-1)\) 的指數可能和別處不一樣,但是本質是一樣的,而且我更傾向用這種表述,理由見下。
證明
\((1)\)
實際上組合意義同樣而可以證明,但是並不完美。
因此從代數角度證明:
\[\begin{aligned}
&\sum_{i=0}^n (-1)^i {n\choose i} f(i)
\\
=&\sum_{i=0}^n(-1)^i{n\choose i}\sum_{j=0}^i(-1)^j{i\choose j}g(j)
\\
=&\sum_{i=0}^n(-1)^{n}\sum_{j=0}^i (-1)^{j} (-1)^{n-i}{n\choose i}{i\choose j}g(j)
\end{aligned}
\]
這裡可以很容易發現不同的意義,\((-1)^{n-i}{n\choose i}\) 的意義是 \((x-1)^n\) 中 \(x^{i}\) 中的係數;而 \(i\choose j\) 表示 \((x+1)^i\) 中 \(x^{j}\) 的係數,也可以表示 \(x^i\) 中 \((x-1)^j\) 的係數。合在一起可以容易得到意義是 \((x-1)^n\) 中 \((x-1)^j\) 的係數,顯然等於 \(\delta_{nj}\),因此有:
\[\begin{aligned}
&\sum_{i=0}^n (-1)^i {n\choose i} f(i)
\\
=&\sum_{i=0}^n(-1)^{n}\sum_{j=0}^i (-1)^j (-1)^{n-i}{n\choose i}{i\choose j}g(j)
\\
=&\sum_{i=0}^n(-1)^{n}\sum_{j=0}^i (-1)^j \delta_{nj} g(j)
\\
=&\sum_{i=0}^n(-1)^{n}(-1)^i\delta_{ni} g(i)
\\
=&g(n)
\end{aligned}
\]
即證。
\((2)(3)\) 同理。