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Toolkit 14
Sum of odd power
n
odd
:
a
n
+
b
n
=
(
a
+
b
)
(
a
n
−
1
−
a
n
−
2
b
+
⋯
+
b
n
−
1
)
n\text{ odd}:\quad a^n+b^n=(a+b)\left(a^{n-1}-a^{n-2}b+\cdots+b^{n-1}\right)
n
odd
:
a
n
+
b
n
=
(
a
+
b
)
(
a
n
−
1
−
a
n
−
2
b
+
⋯
+
b
n
−
1
)
Proof
For odd
n
n
n
, expanding the right-hand side gives
(
a
+
b
)
(
a
n
−
1
−
a
n
−
2
b
+
a
n
−
3
b
2
−
⋯
−
a
b
n
−
2
+
b
n
−
1
)
=
(
a
n
−
a
n
−
1
b
+
a
n
−
2
b
2
−
⋯
−
a
2
b
n
−
2
+
a
b
n
−
1
)
+
(
a
n
−
1
b
−
a
n
−
2
b
2
+
⋯
+
a
2
b
n
−
2
−
a
b
n
−
1
+
b
n
)
.
\begin{aligned} &(a+b)\left(a^{n-1} - a^{n-2}b + a^{n-3}b^2 - \cdots - ab^{n-2} + b^{n-1}\right) \\ &= \left(a^n - a^{n-1}b + a^{n-2}b^2 - \cdots - a^2 b^{n-2} + ab^{n-1}\right) \\ &\quad + \left(a^{n-1}b - a^{n-2}b^2 + \cdots + a^2 b^{n-2} - ab^{n-1} + b^n\right). \end{aligned}
(
a
+
b
)
(
a
n
−
1
−
a
n
−
2
b
+
a
n
−
3
b
2
−
⋯
−
a
b
n
−
2
+
b
n
−
1
)
=
(
a
n
−
a
n
−
1
b
+
a
n
−
2
b
2
−
⋯
−
a
2
b
n
−
2
+
a
b
n
−
1
)
+
(
a
n
−
1
b
−
a
n
−
2
b
2
+
⋯
+
a
2
b
n
−
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
.
□