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The first identity is a simple application of Vandermonde’s identity, [zn+m](z + 1)n· (z + 1)m· f (z

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Academic year: 2021

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Problem 11928

(American Mathematical Monthly, Vol.123, August-September 2016)

Proposed by H. Ohtsuka (Japan).

For positive integers n and m and for a sequence{ai}i≥1, prove

n

X

i=0 m

X

j=0

n i

m j

 ai+j =

n+m

X

k=0

n + m k

 ak

and

X

0≤i<j≤n

n i

n j

i + j n



= X

0≤i<j≤n

n i

n j

2 .

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

Solution. The first identity is a simple application of Vandermonde’s identity,

[zn+m](z + 1)n· (z + 1)m· f (z) =

n

X

i=0 m

X

j=0

 n n− i

 m m− j

 ai+j =

n

X

i=0 m

X

j=0

n i

m j

 ai+j

and

[zn+m](z + 1)n+m· f (z) =

n+m

X

k=0

 n+ m n+ m − k

 ak =

n+m

X

k=0

n + m k

 ak

where f (z) :=P

k≥0akzk.

As regards the second identity, we have to show that Ln= Rn where

Ln:= X

0≤i<j≤n

n i

n j

i + j n



= X

0≤j<i≤n

n i

n j

i + j n

 ,

and

Rn:= X

0≤i<j≤n

n i

n j

2

= X

0≤j<i≤n

 n n− i

 n n− j

2

= X

0≤j<i≤n

n i

n j

2 .

Let m = n and ak = kn in the first one, then

n

X

i=0

n i

22i n



+2Ln=

n

X

i=0 n

X

j=0

n i

n j

i + j n



=

2n

X

k=0

2n k

k n



=2n n

 2n X

k=n

 n k− n



= 2n·2n n

 .

Moreover

n

X

i=0

n i

3

+ 2Rn=

n

X

i=0

n i

!

·

n

X

j=0

n j

2

= 2n·2n n

 .

Therefore, it suffices to prove that

n

X

i=0

n i

3

=

n

X

i=0

n i

22i n



which is known as Strehl’s identity. For the sake of completeness, we give a short proof below:

n

X

i=0

n i

3

=

n

X

i=0

n i

 n n− i

 i X

k=0

 i i− k

n − i k



=

n

X

k=0

n k

2 n X

i=k

n − k i

n − k n− i



=

n

X

k=0

n k

22(n − k) n



=

n

X

k=0

 n n− k

22k n



=

n

X

k=0

n k

22k n

 .



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