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solutions/0000_0029/0006.SumSquareDifference/eular_6.py

@@ -0,0 +1,43 @@
+"""
+The sum of the squares of the first ten natural numbers is 1^2 + 2^2 + ... + 10^2 = 385,
+The square of the sum of the first ten natural numbers is (1+2+...+10)^2 = 55^2 = 3025,
+Hence the difference between the sum of the squares of the first ten natural numbers and the square of the sum is 3025 - 385 = 2640.
+Find the difference between the sum of the squares of the first one hundred natural numbers and the square of the sum.
+"""
+
+import time
+
+import numpy as np
+
+
+def timer(func):
+    def wrapper(*args, **kwargs):
+        start = time.time()
+        result = func(*args, **kwargs)
+        end = time.time()
+        print(f"{func.__name__} took {end - start:.6f} seconds")
+        return result
+
+    return wrapper
+
+
+@timer
+def sum_square_difference(n: int) -> int:
+    res = 0
+    for i in range(1, n + 1):
+        res += sum(np.array(list(range(1, i))) * i)
+
+    return 2 * res
+
+
+@timer
+def better_sum_square(n: int) -> int:
+    """https://en.wikipedia.org/wiki/Faulhaber%27s_formula"""
+    su = ((1 + n) * n // 2) ** 2
+    sq = (2 * n + 1) * (n + 1) * n // 6
+    return su - sq
+
+
+if __name__ == "__main__":
+    print(sum_square_difference(100))
+    print(better_sum_square(100))

solutions/0000_0029/0006.SumSquareDifference/readme.md

@@ -0,0 +1,183 @@
+## 1. Faulhaber's Formula 概述
+
+Faulhaber's formula 用于计算 **前 n 个正整数的 p 次幂之和**：
+$$S_p(n) = \sum_{k=1}^n k^p = 1^p + 2^p + 3^p + \cdots + n^p$$
+
+公式的一般形式为：
+$$S_p(n) = \frac{1}{p+1} \sum_{j=0}^p \binom{p+1}{j} B_j \cdot n^{p+1-j}$$
+
+其中 $B_j$ 是伯努利数（Bernoulli numbers）。
+
+### 特例
+
+**p = 0**: $S_0(n) = n$
+
+**p = 1**: $S_1(n) = \frac{n(n+1)}{2}$（三角形数）
+
+**p = 2**: $S_2(n) = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}$（平方金字塔数）
+
+**p = 3**: $S_3(n) = \left[\frac{n(n+1)}{2}\right]^2$（有趣的事实：等于 $S_1(n)^2$）
+
+## 2. 历史背景
+
+- **Johann Faulhaber**（1580-1635）：德国数学家，计算了 $p=1$ 到 $p=17$ 的公式，但未发现通式
+- **Jacob Bernoulli**（1654-1705）：独立研究并发现了通用公式，引入了伯努利数
+- 公式因此以 Faulhaber 命名，但现代形式主要归功于 Bernoulli
+
+## 3. 伯努利数（Bernoulli Numbers）详解
+
+### 3.1 定义
+
+伯努利数由生成函数定义：
+$$\frac{x}{e^x - 1} = \sum_{k=0}^\infty B_k \frac{x^k}{k!}$$
+
+### 3.2 递推关系
+
+更实用的计算方法是**递推公式**：
+$$\sum_{k=0}^{m} \binom{m+1}{k} B_k = 0 \quad \text{对于} \ m \ge 1$$
+
+由此可得：
+$$B_m = -\frac{1}{m+1} \sum_{k=0}^{m-1} \binom{m+1}{k} B_k$$
+
+### 3.3 前几个伯努利数
+
+| n | $B_n$ | 说明 |
+|---|-------|------|
+| 0 | 1 | $B_0 = 1$ |
+| 1 | -1/2 | |
+| 2 | 1/6 | |
+| 3 | 0 | （所有奇数大于1的都是0）|
+| 4 | -1/30 | |
+| 5 | 0 | |
+| 6 | 1/42 | |
+| 7 | 0 | |
+| 8 | -1/30 | |
+| 9 | 0 | |
+| 10 | 5/66 | |
+| 12 | -691/2730 | 这是第一个分子大于1的|
+| 14 | 7/6 | |
+
+**重要性质**：
+- 对于所有奇数 $n > 1$，有 $B_n = 0$
+- $B_1 = -1/2$ 是唯一的非零奇数项
+- 符号交替变化：$B_2 > 0, B_4 < 0, B_6 > 0, \ldots$
+
+### 3.4 计算示例
+
+**计算 $B_2$：**
+
+使用递推式（m=2）：
+$$\binom{3}{0}B_0 + \binom{3}{1}B_1 + \binom{3}{2}B_2 = 0$$
+$$1 \cdot 1 + 3 \cdot \left(-\frac{1}{2}\right) + 3 \cdot B_2 = 0$$
+$$1 - \frac{3}{2} + 3B_2 = 0$$
+$$3B_2 = \frac{1}{2}$$
+$$B_2 = \frac{1}{6}$$
+
+**计算 $B_4$：**
+
+使用递推式（m=4）：
+$$\sum_{k=0}^4 \binom{5}{k} B_k = 0$$
+$$1 \cdot 1 + 5 \cdot \left(-\frac{1}{2}\right) + 10 \cdot \frac{1}{6} + 10 \cdot 0 + 5 \cdot B_4 = 0$$
+$$1 - \frac{5}{2} + \frac{10}{6} + 5B_4 = 0$$
+$$-\frac{3}{2} + \frac{5}{3} + 5B_4 = 0$$
+$$-\frac{9}{6} + \frac{10}{6} + 5B_4 = 0$$
+$$\frac{1}{6} + 5B_4 = 0$$
+$$B_4 = -\frac{1}{30}$$
+
+## 4. 使用 Faulhaber's Formula 计算具体例子
+
+### 示例：计算 $S_4(n) = \sum_{k=1}^n k^4$
+
+使用公式：
+$$S_4(n) = \frac{1}{5} \sum_{j=0}^4 \binom{5}{j} B_j \cdot n^{5-j}$$
+
+展开：
+$$S_4(n) = \frac{1}{5}\left[\binom{5}{0}B_0 n^5 + \binom{5}{1}B_1 n^4 + \binom{5}{2}B_2 n^3 + \binom{5}{3}B_3 n^2 + \binom{5}{4}B_4 n\right]$$
+
+代入伯努利数：
+$$S_4(n) = \frac{1}{5}\left[1 \cdot 1 \cdot n^5 + 5 \cdot \left(-\frac{1}{2}\right) n^4 + 10 \cdot \frac{1}{6} n^3 + 10 \cdot 0 \cdot n^2 + 5 \cdot \left(-\frac{1}{30}\right) n\right]$$
+
+化简：
+$$S_4(n) = \frac{1}{5}\left[n^5 - \frac{5}{2}n^4 + \frac{10}{6}n^3 - \frac{1}{6}n\right]$$
+
+$$= \frac{1}{5}\left[n^5 - \frac{5}{2}n^4 + \frac{5}{3}n^3 - \frac{1}{6}n\right]$$
+
+$$= \frac{n^5}{5} - \frac{n^4}{2} + \frac{n^3}{3} - \frac{n}{30}$$
+
+通分后：
+$$S_4(n) = \frac{6n^5 - 15n^4 + 10n^3 - n}{30}$$
+
+$$= \frac{n(n+1)(2n+1)(3n^2+3n-1)}{30}$$
+
+## 5. 算法实现思路
+
+### 计算伯努利数的 Python 代码框架：
+
+```python
+def bernoulli_numbers(n):
+    """
+    计算前n个伯努利数 B_0 到 B_n
+    """
+    B = [0] * (n + 1)
+    B[0] = 1  # B_0 = 1
+    
+    for m in range(1, n + 1):
+        sum_val = 0
+        for k in range(m):
+            # 二项式系数 binomial(m+1, k)
+            binom = binomial_coefficient(m + 1, k)
+            sum_val += binom * B[k]
+        B[m] = -sum_val / (m + 1)
+    
+    return B
+```
+
+### 计算幂和：
+
+```python
+def faulhaber_sum(p, n):
+    """
+    使用Faulhaber公式计算 sum_{k=1}^n k^p
+    """
+    B = bernoulli_numbers(p)
+    result = 0
+    
+    for j in range(p + 1):
+        binom = binomial_coefficient(p + 1, j)
+        term = binom * B[j] * (n ** (p + 1 - j))
+        result += term
+    
+    return result / (p + 1)
+```
+
+## 6. 重要关系与推广
+
+### 6.1 与黎曼ζ函数的关系
+
+对于偶数伯努利数：
+$$B_{2k} = (-1)^{k+1} \frac{2(2k)!}{(2\pi)^{2k}} \zeta(2k)$$
+
+例如：
+- $\zeta(2) = \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}$
+- $B_2 = \frac{1}{6}$
+
+### 6.2 与多项式的关系
+
+$S_p(n)$ 是关于 $n$ 的 $p+1$ 次多项式，且：
+- 常数项为 0
+- 系数为有理数
+- 首项系数为 $\frac{1}{p+1}$
+
+### 6.3 生成函数视角
+
+幂和也有生成函数表示：
+$$\sum_{p=0}^\infty S_p(n) \frac{t^p}{p!} = \frac{t}{e^t - 1} \cdot \frac{e^{(n+1)t} - 1}{t}$$
+
+这正是伯努利数生成函数与几何级数的乘积。
+
+## 7. 计算复杂度与优化
+
+- 直接计算：$O(n \cdot p)$（暴力求和）
+- Faulhaber公式：$O(p^2)$（计算伯努利数）+ $O(p)$（求值）
+- 对于**固定p，多次查询不同n**：预处理伯努利数后每次查询 $O(p)$
+- 对于**大p**（如 $p > 10^6$）：需要更高级算法和模运算