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Toolkit 13
General difference of powers
a
n
−
b
n
=
(
a
−
b
)
(
a
n
−
1
+
a
n
−
2
b
+
⋯
+
b
n
−
1
)
a^n-b^n=(a-b)\left(a^{n-1}+a^{n-2}b+\cdots+b^{n-1}\right)
a
n
−
b
n
=
(
a
−
b
)
(
a
n
−
1
+
a
n
−
2
b
+
⋯
+
b
n
−
1
)
Proof
Expanding the right-hand side gives
(
a
−
b
)
(
a
n
−
1
+
a
n
−
2
b
+
⋯
+
a
b
n
−
2
+
b
n
−
1
)
=
(
a
n
+
a
n
−
1
b
+
⋯
+
a
2
b
n
−
2
+
a
b
n
−
1
)
−
(
a
n
−
1
b
+
a
n
−
2
b
2
+
⋯
+
a
b
n
−
1
+
b
n
)
.
\begin{aligned} &(a-b)\left(a^{n-1} + a^{n-2}b + \cdots + ab^{n-2} + b^{n-1}\right) \\ &= \left(a^n + a^{n-1}b + \cdots + a^2 b^{n-2} + ab^{n-1}\right) \\ &\quad - \left(a^{n-1}b + a^{n-2}b^2 + \cdots + ab^{n-1} + b^n\right). \end{aligned}
(
a
−
b
)
(
a
n
−
1
+
a
n
−
2
b
+
⋯
+
a
b
n
−
2
+
b
n
−
1
)
=
(
a
n
+
a
n
−
1
b
+
⋯
+
a
2
b
n
−
2
+
a
b
n
−
1
)
−
(
a
n
−
1
b
+
a
n
−
2
b
2
+
⋯
+
a
b
n
−
1
+
b
n
)
.
All intermediate terms cancel, leaving
a
n
−
b
n
.
□
a^n - b^n. \quad\square
a
n
−
b
n
.
□