$\dagger$ 和の計算
かつては
\begin{align}
& \sum_{k=0}^n k = 0 + 1 + 2 + \cdots + n = \frac{1}{2}n(n+1) \label{eq.1} \\
& \sum_{k=0}^n k^2 = 0^2 + 1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \frac{1}{6}n(n+1)(n+2) \label{eq.2}
\end{align}
という関係式にいろいろとお世話になった．そしてつい最近
\begin{align}
& \sum_{k=0}^n k^3 = 0^3 + 1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \frac{1}{4}n^2(n+1)^2 \label{eq.3}
\end{align}
というような計算をした。\eqref{eq.1} や \eqref{eq.2} と同じころにこの関係式も学習していたのだろうけれど、全くおぼえていなかったので、一から計算する羽目になった。そしてこの結果を見て
\begin{align}
\sum_{k=0}^n k^3 = \left(\sum_{k=0}^n k\right)^2 \label{eq.4} \\
\end{align}
となっていることに気が付いた。なるほどね。そしてこの関係をつかえば
\begin{align}
\sum_{k=m}^n k^3 = \sum_{k=0}^n k^3 - \sum_{k=0}^{m-1} k^3 = \left(\sum_{k=0}^n k\right)^2 - \left(\sum_{k=0}^{m-1} k\right)^2 \label{eq.5}
\end{align}
ということも導き出せる。あ、ちなみにここまでの $m, n, k$ は自然数なのですね（$0$ も仲間に入れている）。
$\dagger$ 定積分においては
積分で似た様なことにならないのかと思って
\begin{align*}
\int_a^b x^3\,dx = \left[\frac{1}{4}x^4\right]_a^b = \frac{1}{4}(b^4 - a^4) \;,
\quad
\int_a^b x\,dx = \left[\frac{1}{2}x^2\right]_a^b = \frac{1}{2}(b^2 - a^2)
\end{align*}
と計算し、「$\int_a^b x^3\,dx$ は $\left(\int_a^b x\,dx \right)^2$ と等しくはないではないか、やはり自然数と実数の世界は違うんだ、やれやれ」と短絡してその時は終わってしまった。
しかしまあ、これは余りにも短絡が過ぎるというものである。任意の区間の定積分で比べれば確かにその通りであるけれど、それではそもそもの \eqref{eq.1} や \eqref{eq.2}、\eqref{eq.3} の $\sum$ の精神を汲んでいない。$\sum$ の時と同じ様に範囲を定めるべきなのだ。散歩のあと珈琲を飲んでいたらそのことに気がついた。なのでいまこれを書いているのである。
$\sum$ の範囲を汲んで、落ち着いてきちんとやってみると
\begin{align}
& \int_0^n x^3\,dx = \left[\frac{1}{4}x^4\right]_0^n = \frac{1}{4}n^4 \;,
\quad \int_0^n x\,dx = \left[\frac{1}{2}x^2\right]_0^n = \frac{1}{2}n^2 \notag \\
& \qquad\therefore \int_0^n x^3\,dx = \left(\int_0^n x\,dx \right)^2 \label{eq.6}
\end{align}
というように、和のときの \eqref{eq.4} と似た様な結果が得られる。また $\int_0^n = \int_0^m + \int_m^n \Leftrightarrow \int_m^n = \int_0^n - \int_0^m$ を使えば
\begin{align}
\int_m^n x^3\,dx = \int_0^n x^3\,dx - \int_0^m x^3\,dx = \left(\int_0^n x\,dx \right)^2 - \left(\int_0^m x\,dx \right)^2
\end{align}
となって、これまた和のときの \eqref{eq.5} と似た様な結果が得られるのである。短絡はいけない。ましてや「自然数と実数の違いだ」などと馬鹿げた大言を壮語してはいけないのである。
さらに計算結果の数値を比べてみると
\begin{align*}
\sum_{k=0}^n k \ge \int_0^n x\,dx \;,
\quad
\sum_{k=0}^n k^3 \ge \int_0^n x^3\,dx
\end{align*}
となっている。わたくし的にはこれは少々意外な事実であった。
$\dagger$ 他にはないのか？
$\sum_{k=0}^n k^3 = \left(\sum_{k=0}^n k\right)^2$ のようななんとはなしに美しい関係[1]は他にはないのだろうか。
それを、積分の形を利用して見ていってみる。求めたい関係は、$p, q, r$ を自然数として
\begin{align*}
\int_0^n x^p\,dx = \left(\int_0^n x^q\,dx\right)^r
& \iff
\frac{1}{p+1}n^{p+1} = \left(\frac{1}{q+1}n^{q+1}\right)^r \\
& \iff
\frac{1}{p+1}n^{p+1} = \frac{1}{(q+1)^r}n^{(q+1)r} \\
\end{align*}
となるから
\begin{align*}
\begin{cases}
p + 1 = (q+1)^r \\
p + 1 = (q+1)\cdot r
\end{cases}
\iff
\begin{cases}
p + 1 = (q+1)^r \\
(q+1)^r = (q+1)\cdot r
\end{cases}
\end{align*}
が満たされる $p, q, r$ でなくてはならない。条件 $(q+1)^r = (q+1)\cdot r$ を道具にして $p, q, r$ を探していこう。
$q=0$ から始めると
\begin{align*}
(q+1)^r = (q+1)\cdot r \iff 1^r = r \quad \therefore r = 1
\end{align*}
でしかなく、そのとき $p=0$ である。元の積分の式にいれると
\begin{align*}
\int_0^n x^0\,dx = \left(\int_0^n x^0\,dx\right)^1 \iff \int_0^n \,dx = \int_0^n \,dx
\end{align*}
という当たり前の式になる。
$q=1$ を考えると
\begin{align*}
(q+1)^r = (q+1)\cdot r \iff 2^r = 2r \quad \therefore r = 1, 2
\end{align*}
であるから、そのときの $p$ はそれぞれ $p=1, 3$ である。元の積分の式にいれると
\begin{align}
& \int_0^n x^1\,dx = \left(\int_0^n x^1\,dx\right)^1 \iff \int_0^n x\,dx = \int_0^n x\,dx \label{aho} \\
& \int_0^n x^3\,dx = \left(\int_0^n x^1\,dx\right)^2 \iff \int_0^n x^3\,dx = \left(\int_0^n x\,dx \right)^2 \label{boke}
\end{align}
であり、\eqref{aho} は当たり前で、\eqref{boke} は先に見た \eqref{eq.6} そのものである。
$q=2$ では
\begin{align*}
(q+1)^r = (q+1)\cdot r \iff 3^r = 3r \quad \therefore r = 1
\end{align*}
であるから、そのとき $p=2$ である。元の積分の式にいれると
\begin{align*}
& \int_0^n x^2\,dx = \left(\int_0^n x^2\,dx\right)^1 \iff \int_0^n x^2\,dx = \int_0^n x^2\,dx
\end{align*}
とあたりまえである。$r=1$ は常にこのようになる。
$q=3$ とすると
\begin{align*}
(q+1)^r = (q+1)\cdot r \iff 4^r = 4r
\end{align*}
となって、このような $r$ は $1$ 以外には存在しない。そして $r=1$ の時は $p=q$ となるので、あたりまえの結果しか得られない（いままで見てきた様に）。
そして $q$ が $3$ 以上の自然数である場合には $(q+1)^r = (q+1)\cdot r$ を満たす $r$ は $1$ 以外には存在しないのである[2]。つまり、「なんとはなしに美しい関係」は、\eqref{eq.6}（\eqref{boke} と同じ）の他にはないことがわかるのであった。
[1]
ザビーネ・ホッセンフェルダー（吉田三知世 訳）『数学に魅せられて、科学を見失う ー物理学と「美しさ」の罠ー』を読むと、軽々に「美しい」とは言えなくなってしまうのであった。
[2]
これは証明が必要だろうか？自然数の冪乗の性質から自明として扱いたいと思うのだけれど。言いたいことは、$a^b = ab$ で $a$ が $3$ 以上の自然数だったら $b$ は $1$ しかあり得ないということなのだが。$b$ 倍よりは $b$ 乗の方が大きいよね。
