Identidades de Cassini y Catalan

La identidad de Cassini y la identidad de Catalan son relaciones matemáticas ligadas con los números de la sucesión de Fibonacci. La primera es un caso especial de la segunda, y afirma que para cada número n-ésimo de la sucesión de Fibonacci, se cumple que:​

$F_{n-1}F_{n+1}-F_{n}^{2}=(-1)^{n}$

La identidad de Catalan generaliza este principio:

$F_{n}^{2}-F_{n-r}F_{n+r}=(-1)^{n-r}F_{r}^{2}$

La identidad de Vajda también supone una generalización de la primera:

$F_{n+i}F_{n+j}-F_{n}F_{n+i+j}=(-1)^{n}F_{i}F_{j}$

Historia

La fórmula de Cassini fue descubierta en 1680 por Jean-Dominique Cassini, entonces director del Observatorio de París, siendo también demostrada de forma independiente por Robert Simson (1753). Eugène Charles Catalan encontró la identidad que lleva su nombre en 1879.

Prueba mediante cálculo matricial

Una prueba rápida de la identidad de Cassini se puede dar (Knuth, 1997, p. 81) al reconocer el lado izquierdo de la ecuación como el determinante de una matriz 2×2 de números de Fibonacci. El resultado es casi inmediato cuando se considera que la matriz es la potencia n de una matriz con determinante de valor −1:

$F_{n-1}F_{n+1}-F_{n}^{2}=\det \left[{\begin{matrix}F_{n+1}&F_{n}\\F_{n}&F_{n-1}\end{matrix}}\right]=\det \left[{\begin{matrix}1&1\\1&0\end{matrix}}\right]^{n}=\left(\det \left[{\begin{matrix}1&1\\1&0\end{matrix}}\right]\right)^{n}=(-1)^{n}$

Demostración por inducción

Sea $p(n):F_{n+1}\cdot F_{n-1}-F_{n}^{2}=(-1)^{n}$

• Caso base: ¿p(1)? $F_{2}\cdot F_{0}-F_{1}^{2}=1\cdot 0-1=(-1)^{-1}$
• Paso inductivo: Dado $n\in \mathbb {N}$ ¿$p(n)\Rightarrow p(n+1)$?

Por definición de la sucesión de Fibonacci, sabemos que para $n\geq 1,F_{n+2}=F_{n+1}+F_{n}$ y $F_{n+1}=F_{n}+F_{n-1}$ .En el último caso $n\geq 1$ implica $n-1\geq 0$, así que $F_{n-1}$ está definida).

Entonces:

${\begin{aligned}F_{n+2}\cdot F_{n}-F_{n+1}^{2}&=(F_{n+1}+F_{n})\cdot F_{n}-(F_{n}+F_{n-1})\cdot F_{n+1}\\&=F_{n+1}\cdot F_{n}+F_{n}^{2}-F_{n}\cdot F_{n+1}-F_{n-1}\cdot F_{n+1}\\&=F_{n}^{2}-F_{n-1}\cdot F_{n+1}=-(F_{n-1}\cdot F_{n+1}-F_{n}^{2})\\&=-(-1)^{n}=(-1)^{n+1}\end{aligned}}$

como se quería demostrar.

Bibliografía

• Knuth, Donald Ervin (1997), The Art of Computer Programming, Volume 1: Fundamental Algorithms, The Art of Computer Programming 1 (3rd edición), Reading, Mass: Addison-Wesley, ISBN 0-201-89683-4 ..

• Simson, R. (1753). «An Explication of an Obscure Passage in Albert Girard’s Commentary upon Simon Stevin’s Works». Philosophical Transactions of the Royal Society 48 (0): 368-376. doi:10.1098/rstl.1753.0056. .

Werman, M.; Zeilberger, D. (1986). «A bijective proof of Cassini's Fibonacci identity». Discrete Mathematics 58 (1): 109. MR 0820846. doi:10.1016/0012-365X(86)90194-9. 

Enlaces externos

• Proof of Cassini's identity en PlanetMath.
• Proof of Catalan's Identity en PlanetMath.
• Cassini formula for Fibonacci numbers
• Fibonacci and Phi Formulae

• Datos: Q4459371