Knowledge (XXG)

Hermite's identity

Source 📝

1112: 797: 1107:{\displaystyle {\begin{aligned}\sum _{k=0}^{n-1}\left\lfloor x+{\frac {k}{n}}\right\rfloor &=\sum _{k=0}^{k'-1}\lfloor x\rfloor +\sum _{k=k'}^{n-1}(\lfloor x\rfloor +1)=n\,\lfloor x\rfloor +n-k'\\&=n\,\lfloor x\rfloor +\lfloor n\,\{x\}\rfloor =\left\lfloor n\,\lfloor x\rfloor +n\,\{x\}\right\rfloor =\lfloor nx\rfloor .\end{aligned}}} 1480: 416: 1251: 574: 1317: 153: 1128: 295: 665: 453: 802: 1475:{\displaystyle f\left(x+{\frac {1}{n}}\right)=\left\lfloor x+{\frac {1}{n}}\right\rfloor +\left\lfloor x+{\frac {2}{n}}\right\rfloor +\ldots +\left\lfloor x+1\right\rfloor -\lfloor nx+1\rfloor =f(x)} 1533: 761: 287: 238: 445: 1682: 789: 70: 1636: 1289: 1601: 1722: 1702: 1573: 1553: 1309: 688: 186: 1246:{\displaystyle f(x)=\lfloor x\rfloor +\left\lfloor x+{\frac {1}{n}}\right\rfloor +\ldots +\left\lfloor x+{\frac {n-1}{n}}\right\rfloor -\lfloor nx\rfloor } 411:{\displaystyle \lfloor x\rfloor =\left\lfloor x+{\frac {k'-1}{n}}\right\rfloor \leq x<\left\lfloor x+{\frac {k'}{n}}\right\rfloor =\lfloor x\rfloor +1.} 585: 1746: 569:{\displaystyle 0=\left\lfloor \{x\}+{\frac {k'-1}{n}}\right\rfloor \leq \{x\}<\left\lfloor \{x\}+{\frac {k'}{n}}\right\rfloor =1.} 1772: 1754: 1821: 20: 1488: 696: 199: 243: 61: 447:
from inside the floor operations on the left and right sides of this inequality, it may be rewritten as
424: 1641: 1789: 148:{\displaystyle \sum _{k=0}^{n-1}\left\lfloor x+{\frac {k}{n}}\right\rfloor =\lfloor nx\rfloor .} 1750: 1781: 1606: 1259: 1801: 1797: 193: 35: 1578: 769: 1707: 1687: 1558: 1538: 1294: 673: 171: 43: 1815: 189: 47: 27: 1770:
Matsuoka, Yoshio (1964), "Classroom Notes: On a Proof of Hermite's Identity",
766:
Now if the summation from Hermite's identity is split into two parts at index
39: 1704:
is equal to 0. We deduce that the function is indeed 0 for all real inputs
1793: 54: 1741:
Savchev, Svetoslav; Andreescu, Titu (2003), "12 Hermite's Identity",
1785: 660:{\displaystyle 1-{\frac {k'}{n}}\leq \{x\}<1-{\frac {k'-1}{n}},} 16:
Gives the value of a summation involving the floor function
1684:. But in this case, the integral part of each summand in 1256:
Then the identity is clearly equivalent to the statement
1528:{\displaystyle \lfloor x+p\rfloor =\lfloor x\rfloor +p} 1710: 1690: 1644: 1609: 1581: 1561: 1541: 1491: 1320: 1297: 1262: 1131: 800: 772: 699: 676: 588: 456: 427: 298: 246: 202: 174: 73: 1716: 1696: 1676: 1630: 1595: 1567: 1547: 1527: 1474: 1303: 1283: 1245: 1106: 783: 755: 682: 659: 568: 439: 410: 281: 232: 180: 147: 1485:Where in the last equality we use the fact that 8: 1516: 1510: 1504: 1492: 1454: 1439: 1240: 1231: 1153: 1147: 1094: 1085: 1074: 1068: 1058: 1052: 1037: 1034: 1028: 1021: 1015: 1009: 975: 969: 950: 944: 903: 897: 756:{\displaystyle n-k'\leq n\,\{x\}<n-k'+1.} 727: 721: 619: 613: 534: 528: 517: 511: 474: 468: 434: 428: 399: 393: 305: 299: 276: 258: 227: 221: 215: 209: 139: 130: 1745:, New Mathematical Library, vol. 43, 1709: 1689: 1663: 1643: 1608: 1585: 1580: 1560: 1540: 1490: 1393: 1364: 1335: 1319: 1296: 1261: 1205: 1170: 1130: 1067: 1051: 1027: 1008: 968: 929: 913: 880: 869: 843: 820: 809: 801: 799: 771: 720: 698: 675: 631: 595: 587: 540: 480: 455: 426: 370: 322: 297: 245: 233:{\displaystyle x=\lfloor x\rfloor +\{x\}} 201: 173: 112: 89: 78: 72: 1733: 282:{\displaystyle k'\in \{1,\ldots ,n\}} 7: 1747:Mathematical Association of America 14: 1773:The American Mathematical Monthly 1603:. It then suffices to prove that 440:{\displaystyle \lfloor x\rfloor } 421:By subtracting the same integer 164:Proof by algebraic manipulation 1671: 1651: 1619: 1613: 1469: 1463: 1272: 1266: 1141: 1135: 959: 941: 670:and multiplying both sides by 1: 1677:{\displaystyle x\in [0,1/n)} 21:Hermite's cotangent identity 46:. It states that for every 1838: 18: 19:Not to be confused with 1822:Mathematical identities 1743:Mathematical Miniatures 1122:Consider the function 240:. There is exactly one 53:and for every positive 38:, gives the value of a 1718: 1698: 1678: 1632: 1631:{\displaystyle f(x)=0} 1597: 1569: 1549: 1529: 1476: 1305: 1285: 1284:{\displaystyle f(x)=0} 1247: 1108: 940: 896: 831: 785: 757: 684: 661: 570: 441: 412: 283: 234: 182: 149: 100: 1719: 1699: 1679: 1633: 1598: 1570: 1550: 1530: 1477: 1306: 1286: 1248: 1118:Proof using functions 1109: 909: 865: 805: 786: 758: 685: 662: 571: 442: 413: 284: 235: 183: 150: 74: 1708: 1688: 1642: 1607: 1579: 1559: 1539: 1489: 1318: 1311:. But then we find, 1295: 1260: 1129: 798: 770: 697: 674: 586: 454: 425: 296: 244: 200: 172: 71: 1596:{\displaystyle 1/n} 1749:, pp. 41–44, 1714: 1694: 1674: 1628: 1593: 1565: 1545: 1525: 1472: 1301: 1281: 1243: 1104: 1102: 784:{\displaystyle k'} 781: 753: 680: 657: 566: 437: 408: 279: 230: 178: 145: 32:Hermite's identity 1717:{\displaystyle x} 1697:{\displaystyle f} 1568:{\displaystyle f} 1548:{\displaystyle p} 1535:for all integers 1401: 1372: 1343: 1304:{\displaystyle x} 1221: 1178: 851: 683:{\displaystyle n} 652: 608: 553: 501: 383: 343: 181:{\displaystyle x} 120: 1829: 1806: 1804: 1767: 1761: 1759: 1738: 1723: 1721: 1720: 1715: 1703: 1701: 1700: 1695: 1683: 1681: 1680: 1675: 1667: 1637: 1635: 1634: 1629: 1602: 1600: 1599: 1594: 1589: 1574: 1572: 1571: 1566: 1554: 1552: 1551: 1546: 1534: 1532: 1531: 1526: 1481: 1479: 1478: 1473: 1435: 1431: 1407: 1403: 1402: 1394: 1378: 1374: 1373: 1365: 1349: 1345: 1344: 1336: 1310: 1308: 1307: 1302: 1290: 1288: 1287: 1282: 1252: 1250: 1249: 1244: 1227: 1223: 1222: 1217: 1206: 1184: 1180: 1179: 1171: 1113: 1111: 1110: 1105: 1103: 1081: 1077: 998: 994: 939: 928: 927: 895: 888: 879: 857: 853: 852: 844: 830: 819: 790: 788: 787: 782: 780: 762: 760: 759: 754: 746: 713: 689: 687: 686: 681: 666: 664: 663: 658: 653: 648: 641: 632: 609: 604: 596: 575: 573: 572: 567: 559: 555: 554: 549: 541: 507: 503: 502: 497: 490: 481: 446: 444: 443: 438: 417: 415: 414: 409: 389: 385: 384: 379: 371: 349: 345: 344: 339: 332: 323: 288: 286: 285: 280: 254: 239: 237: 236: 231: 187: 185: 184: 179: 154: 152: 151: 146: 126: 122: 121: 113: 99: 88: 1837: 1836: 1832: 1831: 1830: 1828: 1827: 1826: 1812: 1811: 1810: 1809: 1786:10.2307/2311413 1769: 1768: 1764: 1757: 1740: 1739: 1735: 1730: 1706: 1705: 1686: 1685: 1640: 1639: 1605: 1604: 1577: 1576: 1557: 1556: 1537: 1536: 1487: 1486: 1421: 1417: 1386: 1382: 1357: 1353: 1328: 1324: 1316: 1315: 1293: 1292: 1258: 1257: 1207: 1198: 1194: 1163: 1159: 1127: 1126: 1120: 1101: 1100: 1047: 1043: 996: 995: 987: 920: 881: 858: 836: 832: 796: 795: 773: 768: 767: 739: 706: 695: 694: 672: 671: 634: 633: 597: 584: 583: 542: 527: 523: 483: 482: 467: 463: 452: 451: 423: 422: 372: 363: 359: 325: 324: 315: 311: 294: 293: 247: 242: 241: 198: 197: 194:fractional part 170: 169: 166: 161: 105: 101: 69: 68: 36:Charles Hermite 24: 17: 12: 11: 5: 1835: 1833: 1825: 1824: 1814: 1813: 1808: 1807: 1762: 1755: 1732: 1731: 1729: 1726: 1713: 1693: 1673: 1670: 1666: 1662: 1659: 1656: 1653: 1650: 1647: 1627: 1624: 1621: 1618: 1615: 1612: 1592: 1588: 1584: 1564: 1544: 1524: 1521: 1518: 1515: 1512: 1509: 1506: 1503: 1500: 1497: 1494: 1483: 1482: 1471: 1468: 1465: 1462: 1459: 1456: 1453: 1450: 1447: 1444: 1441: 1438: 1434: 1430: 1427: 1424: 1420: 1416: 1413: 1410: 1406: 1400: 1397: 1392: 1389: 1385: 1381: 1377: 1371: 1368: 1363: 1360: 1356: 1352: 1348: 1342: 1339: 1334: 1331: 1327: 1323: 1300: 1280: 1277: 1274: 1271: 1268: 1265: 1254: 1253: 1242: 1239: 1236: 1233: 1230: 1226: 1220: 1216: 1213: 1210: 1204: 1201: 1197: 1193: 1190: 1187: 1183: 1177: 1174: 1169: 1166: 1162: 1158: 1155: 1152: 1149: 1146: 1143: 1140: 1137: 1134: 1119: 1116: 1115: 1114: 1099: 1096: 1093: 1090: 1087: 1084: 1080: 1076: 1073: 1070: 1066: 1063: 1060: 1057: 1054: 1050: 1046: 1042: 1039: 1036: 1033: 1030: 1026: 1023: 1020: 1017: 1014: 1011: 1007: 1004: 1001: 999: 997: 993: 990: 986: 983: 980: 977: 974: 971: 967: 964: 961: 958: 955: 952: 949: 946: 943: 938: 935: 932: 926: 923: 919: 916: 912: 908: 905: 902: 899: 894: 891: 887: 884: 878: 875: 872: 868: 864: 861: 859: 856: 850: 847: 842: 839: 835: 829: 826: 823: 818: 815: 812: 808: 804: 803: 779: 776: 764: 763: 752: 749: 745: 742: 738: 735: 732: 729: 726: 723: 719: 716: 712: 709: 705: 702: 679: 668: 667: 656: 651: 647: 644: 640: 637: 630: 627: 624: 621: 618: 615: 612: 607: 603: 600: 594: 591: 577: 576: 565: 562: 558: 552: 548: 545: 539: 536: 533: 530: 526: 522: 519: 516: 513: 510: 506: 500: 496: 493: 489: 486: 479: 476: 473: 470: 466: 462: 459: 436: 433: 430: 419: 418: 407: 404: 401: 398: 395: 392: 388: 382: 378: 375: 369: 366: 362: 358: 355: 352: 348: 342: 338: 335: 331: 328: 321: 318: 314: 310: 307: 304: 301: 278: 275: 272: 269: 266: 263: 260: 257: 253: 250: 229: 226: 223: 220: 217: 214: 211: 208: 205: 177: 165: 162: 160: 157: 156: 155: 144: 141: 138: 135: 132: 129: 125: 119: 116: 111: 108: 104: 98: 95: 92: 87: 84: 81: 77: 60:the following 44:floor function 42:involving the 34:, named after 15: 13: 10: 9: 6: 4: 3: 2: 1834: 1823: 1820: 1819: 1817: 1803: 1799: 1795: 1791: 1787: 1783: 1779: 1775: 1774: 1766: 1763: 1758: 1756:9780883856451 1752: 1748: 1744: 1737: 1734: 1727: 1725: 1711: 1691: 1668: 1664: 1660: 1657: 1654: 1648: 1645: 1625: 1622: 1616: 1610: 1590: 1586: 1582: 1562: 1542: 1522: 1519: 1513: 1507: 1501: 1498: 1495: 1466: 1460: 1457: 1451: 1448: 1445: 1442: 1436: 1432: 1428: 1425: 1422: 1418: 1414: 1411: 1408: 1404: 1398: 1395: 1390: 1387: 1383: 1379: 1375: 1369: 1366: 1361: 1358: 1354: 1350: 1346: 1340: 1337: 1332: 1329: 1325: 1321: 1314: 1313: 1312: 1298: 1291:for all real 1278: 1275: 1269: 1263: 1237: 1234: 1228: 1224: 1218: 1214: 1211: 1208: 1202: 1199: 1195: 1191: 1188: 1185: 1181: 1175: 1172: 1167: 1164: 1160: 1156: 1150: 1144: 1138: 1132: 1125: 1124: 1123: 1117: 1097: 1091: 1088: 1082: 1078: 1071: 1064: 1061: 1055: 1048: 1044: 1040: 1031: 1024: 1018: 1012: 1005: 1002: 1000: 991: 988: 984: 981: 978: 972: 965: 962: 956: 953: 947: 936: 933: 930: 924: 921: 917: 914: 910: 906: 900: 892: 889: 885: 882: 876: 873: 870: 866: 862: 860: 854: 848: 845: 840: 837: 833: 827: 824: 821: 816: 813: 810: 806: 794: 793: 792: 791:, it becomes 777: 774: 750: 747: 743: 740: 736: 733: 730: 724: 717: 714: 710: 707: 703: 700: 693: 692: 691: 677: 654: 649: 645: 642: 638: 635: 628: 625: 622: 616: 610: 605: 601: 598: 592: 589: 582: 581: 580: 563: 560: 556: 550: 546: 543: 537: 531: 524: 520: 514: 508: 504: 498: 494: 491: 487: 484: 477: 471: 464: 460: 457: 450: 449: 448: 431: 405: 402: 396: 390: 386: 380: 376: 373: 367: 364: 360: 356: 353: 350: 346: 340: 336: 333: 329: 326: 319: 316: 312: 308: 302: 292: 291: 290: 273: 270: 267: 264: 261: 255: 251: 248: 224: 218: 212: 206: 203: 195: 191: 175: 163: 158: 142: 136: 133: 127: 123: 117: 114: 109: 106: 102: 96: 93: 90: 85: 82: 79: 75: 67: 66: 65: 63: 59: 56: 52: 49: 45: 41: 37: 33: 29: 22: 1780:(10): 1115, 1777: 1771: 1765: 1742: 1736: 1484: 1255: 1121: 765: 669: 578: 420: 190:integer part 167: 57: 50: 31: 25: 1575:has period 1555:. But then 579:Therefore, 48:real number 28:mathematics 1728:References 1649:∈ 1517:⌋ 1511:⌊ 1505:⌋ 1493:⌊ 1455:⌋ 1440:⌊ 1437:− 1412:… 1241:⌋ 1232:⌊ 1229:− 1212:− 1189:… 1154:⌋ 1148:⌊ 1095:⌋ 1086:⌊ 1059:⌋ 1053:⌊ 1038:⌋ 1022:⌊ 1016:⌋ 1010:⌊ 985:− 976:⌋ 970:⌊ 951:⌋ 945:⌊ 934:− 911:∑ 904:⌋ 898:⌊ 890:− 867:∑ 825:− 807:∑ 737:− 715:≤ 704:− 643:− 629:− 611:≤ 593:− 509:≤ 492:− 435:⌋ 429:⌊ 400:⌋ 394:⌊ 351:≤ 334:− 306:⌋ 300:⌊ 268:… 256:∈ 216:⌋ 210:⌊ 188:into its 140:⌋ 131:⌊ 94:− 76:∑ 40:summation 1816:Category 1638:for all 1433:⌋ 1419:⌊ 1405:⌋ 1384:⌊ 1376:⌋ 1355:⌊ 1225:⌋ 1196:⌊ 1182:⌋ 1161:⌊ 1079:⌋ 1045:⌊ 992:′ 925:′ 886:′ 855:⌋ 834:⌊ 778:′ 744:′ 711:′ 639:′ 602:′ 557:⌋ 547:′ 525:⌊ 505:⌋ 488:′ 465:⌊ 387:⌋ 377:′ 361:⌊ 347:⌋ 330:′ 313:⌊ 252:′ 124:⌋ 103:⌊ 62:identity 1802:1533020 1794:2311413 64:holds: 55:integer 1800:  1792:  1753:  690:gives 289:with 168:Split 159:Proofs 1790:JSTOR 1751:ISBN 731:< 623:< 521:< 357:< 192:and 1782:doi 26:In 1818:: 1798:MR 1796:, 1788:, 1778:71 1776:, 1724:. 751:1. 564:1. 406:1. 196:, 30:, 1805:. 1784:: 1760:. 1712:x 1692:f 1672:) 1669:n 1665:/ 1661:1 1658:, 1655:0 1652:[ 1646:x 1626:0 1623:= 1620:) 1617:x 1614:( 1611:f 1591:n 1587:/ 1583:1 1563:f 1543:p 1523:p 1520:+ 1514:x 1508:= 1502:p 1499:+ 1496:x 1470:) 1467:x 1464:( 1461:f 1458:= 1452:1 1449:+ 1446:x 1443:n 1429:1 1426:+ 1423:x 1415:+ 1409:+ 1399:n 1396:2 1391:+ 1388:x 1380:+ 1370:n 1367:1 1362:+ 1359:x 1351:= 1347:) 1341:n 1338:1 1333:+ 1330:x 1326:( 1322:f 1299:x 1279:0 1276:= 1273:) 1270:x 1267:( 1264:f 1238:x 1235:n 1219:n 1215:1 1209:n 1203:+ 1200:x 1192:+ 1186:+ 1176:n 1173:1 1168:+ 1165:x 1157:+ 1151:x 1145:= 1142:) 1139:x 1136:( 1133:f 1098:. 1092:x 1089:n 1083:= 1075:} 1072:x 1069:{ 1065:n 1062:+ 1056:x 1049:n 1041:= 1035:} 1032:x 1029:{ 1025:n 1019:+ 1013:x 1006:n 1003:= 989:k 982:n 979:+ 973:x 966:n 963:= 960:) 957:1 954:+ 948:x 942:( 937:1 931:n 922:k 918:= 915:k 907:+ 901:x 893:1 883:k 877:0 874:= 871:k 863:= 849:n 846:k 841:+ 838:x 828:1 822:n 817:0 814:= 811:k 775:k 748:+ 741:k 734:n 728:} 725:x 722:{ 718:n 708:k 701:n 678:n 655:, 650:n 646:1 636:k 626:1 620:} 617:x 614:{ 606:n 599:k 590:1 561:= 551:n 544:k 538:+ 535:} 532:x 529:{ 518:} 515:x 512:{ 499:n 495:1 485:k 478:+ 475:} 472:x 469:{ 461:= 458:0 432:x 403:+ 397:x 391:= 381:n 374:k 368:+ 365:x 354:x 341:n 337:1 327:k 320:+ 317:x 309:= 303:x 277:} 274:n 271:, 265:, 262:1 259:{ 249:k 228:} 225:x 222:{ 219:+ 213:x 207:= 204:x 176:x 143:. 137:x 134:n 128:= 118:n 115:k 110:+ 107:x 97:1 91:n 86:0 83:= 80:k 58:n 51:x 23:.

Index

Hermite's cotangent identity
mathematics
Charles Hermite
summation
floor function
real number
integer
identity
integer part
fractional part
Mathematical Association of America
ISBN
9780883856451
The American Mathematical Monthly
doi
10.2307/2311413
JSTOR
2311413
MR
1533020
Category
Mathematical identities

Text is available under the Creative Commons Attribution-ShareAlike License. Additional terms may apply.