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n r − k  =2n 2r

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Academic year: 2021

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Problem 11909

(American Mathematical Monthly, Vol.123, May 2016) Proposed by H. Ohtsuka (Japan).

Prove that for every positive integer m there exists a polynomial Pmin two variables, with integer coefficients, such that for all integers n and r with0 ≤ r ≤ n,

r

X

k=−r

 n r+ k

 n r − k



k2m= Pm(n, r) Qm

j=1(2n − 2j + 1)

2n 2r

 .

Solution proposed by Roberto Tauraso, Dipartimento di Matematica, Universit`a di Roma “Tor Vergata”, via della Ricerca Scientifica, 00133 Roma, Italy.

We have that for −r ≤ k ≤ r,

2n n

 n r+ k

 n r − k



=2n 2r

 2r r+ k

 2(n − r) (n − r) + k

 . Hence

2n n

 Pm(n, r) Qm

j=1(2n − 2j + 1)=2n n

2n 2r

−1 r

X

k=−r

 n r+ k

 n r − k

 k2m

=

r

X

k=−r

 2r r+ k

 2(n − r) (n − r) + k

 k2m.

Moreover

(r2−k2)

 2r r+ k



= 2r(2r − 1) 2(r − 1) r −1 + k



implies that

r

X

k=−r

(r2−k2)

 2r r+ k

 2(n − r) (n − r) + k



k2m= 2r(2r−1)

r−1

X

k=−(r−1)

 2(r − 1) r −1 + k

 2((n − 1) − (r − 1)) (n − 1) − (r − 1) + k

 k2m

and the following recurrence holds for m ≥ 0,

2n n

 r2Pm(n, r) Qm

j=1(2n − 2j + 1)−2n n

 Pm+1(n, r) Qm+1

j=1 (2n − 2j + 1)=2(n − 1) n −1

 2r(2r − 1)Pm(n − 1, r − 1) Qm

j=1(2(n − 1) − 2j + 1) that is

Pm+1(n, r) = r2(2n − 2m − 1)Pm(n, r) − r(2r − 1)nPm(n − 1, r − 1).

where we note that r2(2n − 2m − 1) and r(2r − 1)n are polynomials with integer coefficients. Since

P0(n, r) =2n 2r

−1 r

X

k=−r

 n r+ k

 n r − k



=2n 2r

−12n 2r



= 1,

it follows, by the above recurrence,

P1(n, r) = r2(2n − 1) − r(2r − 1)n = r(n − r), P2(n, r) = r(n − r)(3nr − n − 3r2)

and, inductively, we have that Pmis always a polynomial with integer coefficients. 

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