چرا مجموعِ مکعب‌ها مربعِ مجموع است؟

یکی از زیباترین فرمول‌های مربوط به مجموع‌ها این است:

13+23+33++n3=(1+2+3++n)2.1^3 + 2^3 + 3^3 + \cdots + n^3 = \left(1 + 2 + 3 + \cdots + n\right)^2.

این رابطه در نگاه اول کمی غیرمنتظره است: چرا باید جمعِ مکعب‌ها دقیقاً مربعِ یک جمعِ ساده‌تر باشد؟

در این یادداشت، به‌جای محاسبه‌ی جبری،
می‌خواهیم یک نگاه هندسی به این رابطه بیندازیم.


بازنویسی مسئله: مربعِ یک مجموع یعنی چه؟

بیایید سمت راست را کمی باز کنیم. اگر بگذاریم:

A=1+2+3++n,A = 1 + 2 + 3 + \cdots + n,

آن‌وقت:

A2=(1+2++n)(1+2++n).A^2 = (1 + 2 + \cdots + n)(1 + 2 + \cdots + n).

اما ضربِ دو مجموع یعنی چه؟

یعنی جمعِ همه‌ی حاصل‌ضرب‌های ممکن:

A2=i=1nj=1nij.A^2 = \sum_{i=1}^n \sum_{j=1}^n ij.

این‌جا دقیقاً جایی است که تفسیر هندسی وارد می‌شود.


تفسیر هندسی: یک مربعِ بزرگ

مربعِ A2A^2 را می‌توان به‌صورت یک مربعِ بزرگ با ضلعِ AA دید.

این مربع را به صورت زیر تقسیم می‌کنیم:

  • یک نوار به طولِ 11،
  • بعد یک نوار به طولِ 22،
  • بعد 33،
  • و همین‌طور تا nn.

هم در جهت افقی، و هم در جهت عمودی.

در نتیجه، مربعِ بزرگ به بلوک‌هایی با مساحت‌های ijij تقسیم می‌شود.

هر بلوک، حاصل‌ضربِ یک عدد از سطر و یک عدد از ستون است.

شکست مربع با ضلع بزرگ به مربع‌ها و مستطیل‌ها با ضلع کوچک


تمرکز روی گوشه: مربع‌های تو در تو

حالا به گوشه‌ی پایین–چپِ شکل نگاه کنید.

اگر فقط نوارهای مربوط به 1,  2,  ,  k1,\;2,\;\dots,\;k را در هر دو جهت در نظر بگیریم، یک مربع کوچک‌تر با ضلع

1+2++k1+2+\cdots+k

خواهیم داشت.

به این ترتیب، درون مربع بزرگ، یک دنباله از مربع‌های تو در تو شکل می‌گیرد:

  • مربعِ ضلع 11،
  • بعد مربعِ ضلع 1+21+2،
  • بعد مربعِ ضلع 1+2+31+2+3،
  • و همین‌طور ادامه پیدا می‌کند.

هر بار چه چیزی اضافه می‌شود؟

فرض کنید مربعِ مربوط به k1k-1 را ساخته‌ایم. برای رسیدن به مربعِ مربوط به kk، چه چیزی باید اضافه کنیم؟

دقیقاً یک «لایه‌ی L-شکل»:

  • یک نوار افقی با طول 1+2++k1+2+\cdots+k و عرض kk،
  • یک نوار عمودی مشابه،
  • که در گوشه روی هم می‌افتند.

این لایه دقیقاً همان چیزی است که مربعِ قبلی را به مربعِ جدید تبدیل می‌کند.

مشخص کردن لایه‌ها روی مربع بزرگ


مساحت این لایه چقدر است؟

به همان لایه‌ی L-شکل نگاه کنیم.

برای رفتن از مرحله‌ی k1k-1 به مرحله‌ی kk چه چیزی اضافه کردیم؟

  • یک نوار عمودی با عرض kk و طول 1+2++k1+2+\cdots+k،
  • یک نوار افقی با همان ابعاد.

اگر این دو نوار را جداگانه حساب کنیم، مجموع مساحتشان می‌شود:

2×k(1+2++k).2 \times k(1+2+\cdots+k).

اما یک نکته هست: گوشه‌ی مشترک — یعنی مربعِ k×kk\times k — در این جمع دوبار شمرده شده است.

پس باید یک‌بار آن را کم کنیم.

در نتیجه، مساحت کل لایه برابر است با:

2k(1+2++k)k2.2k(1+2+\cdots+k) - k^2.

حالا فقط همین را ساده می‌کنیم.

می‌دانیم:

1+2++k=k(k+1)2.1+2+\cdots+k = \frac{k(k+1)}{2}.

پس داریم:

2kk(k+1)2k2=k2(k+1)k2=k3.2k \cdot \frac{k(k+1)}{2} - k^2 = k^2(k+1) - k^2 = k^3.

و این دقیقاً همان چیزی است که می‌خواستیم.


کنار هم گذاشتنِ همه‌ی لایه‌ها

حالا از k=1k=1 تا k=nk=n، همه‌ی این لایه‌ها را روی هم بگذارید.

کل مربعِ بزرگ با ضلع

1+2++n1+2+\cdots+n

از همین لایه‌ها ساخته شده است.

پس مساحت کل مربع برابر است با:

13+23+33++n3.1^3 + 2^3 + 3^3 + \cdots + n^3.

اما این همان مساحت

(1+2++n)2(1+2+\cdots+n)^2

است.


نتیجه

در نتیجه، نه از راهِ یک محاسبه‌ی تصادفی، بلکه از راهِ یک ساختارِ هندسیِ لایه‌به‌لایه داریم:

13+23++n3=(1+2++n)2.1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \left(1+2+\cdots+n\right)^2.

این تساوی صرفاً یک اتحاد جبری نیست؛
بیانِ این حقیقت است که یک مربعِ بزرگ، از پوسته‌هایی با حجم‌های مکعبی ساخته شده است.