Question Number 73046 by mathmax by abdo last updated on 05/Nov/19
$${prove}\:{that}\:\forall{n}\:\in{N}\:\:\:\:\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:{k}\:{C}_{\mathrm{2}{n}} ^{{n}+{k}} \:={nC}_{\mathrm{2}{n}−\mathrm{1}} ^{{n}} \\ $$
Answered by mind is power last updated on 06/Nov/19
$$\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}+\mathrm{n}} =\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}−\mathrm{k}} =\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}} \\ $$$$\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{k}=\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}+\mathrm{n}} =\underset{\mathrm{k}=\mathrm{n}} {\overset{\mathrm{2n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}} \\ $$$$\Rightarrow\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}} +\underset{\mathrm{k}=\mathrm{n}} {\overset{\mathrm{2n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}} =\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{2n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}} +\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}} =\mathrm{2}^{\mathrm{2n}} +\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}} \\ $$$$\Rightarrow\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}+\mathrm{n}} =\mathrm{2}^{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} +\frac{\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}} }{\mathrm{2}} \\ $$$$\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{kC}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}+\mathrm{n}} =\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\left(\mathrm{k}+\mathrm{n}−\mathrm{n}\right)\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}} =\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\left(\mathrm{k}+\mathrm{n}\right)\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}} −\mathrm{n}\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}+\mathrm{n}} \\ $$$$\Sigma\left(\mathrm{k}+\mathrm{n}\right)\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}} =\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\left(\mathrm{k}+\mathrm{n}\right).\frac{\mathrm{2n}!}{\left(\mathrm{k}+\mathrm{n}\right)!.\left(\mathrm{n}−\mathrm{k}\right)!} \\ $$$$=\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}.\frac{\mathrm{2n}.\left(\mathrm{2n}−\mathrm{1}\right)!}{\left(\mathrm{n}+\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!.\left(\mathrm{2n}−\mathrm{1}−\left(\mathrm{n}+\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!\right.}=\mathrm{2n}\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}−\mathrm{1}} \\ $$$$\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}−\mathrm{1}} =\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}−\mathrm{k}} \\ $$$$\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}−\mathrm{1}} +\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}−\mathrm{k}} =\underset{\mathrm{j}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{j}} +\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} +\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \\ $$$$\Rightarrow\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}−\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{2}^{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} +\left(\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} +\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \right)\right. \\ $$$$=\mathrm{2}^{\mathrm{2n}−\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}} }{\mathrm{2}} \\ $$$$\Sigma\left(\mathrm{k}+\mathrm{n}\right)\mathrm{C}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}} =\mathrm{2n}.\left(\mathrm{2}^{\mathrm{n}−\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}} }{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$\Rightarrow\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{kC}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}} =\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\left(\mathrm{k}+\mathrm{n}\right)\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}} −\mathrm{n}\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}+\mathrm{k}} \\ $$$$=\mathrm{2n}\left(\mathrm{2}^{\mathrm{n}−\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}} }{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{n}.\left(\mathrm{2}^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} +\frac{\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}} }{\mathrm{2}}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{2}}.\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}} =\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{2}}\:\mathrm{C}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{n}} =\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{2}}.\frac{\mathrm{2n}!}{\mathrm{n}!.\mathrm{n}!}=\frac{\mathrm{n}.\mathrm{2n}.\left(\mathrm{2n}−\mathrm{1}\right)!}{\mathrm{2}.\mathrm{n}.\left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!.\mathrm{n}!}=\frac{\mathrm{n}.\left(\mathrm{2n}−\mathrm{1}\right)!}{\mathrm{n}!.\left(\mathrm{2n}−\mathrm{1}−\mathrm{n}\right)!} \\ $$$$=\mathrm{nC}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \\ $$$$\Rightarrow\underset{\mathrm{k}=\mathrm{0}} {\overset{\mathrm{n}} {\sum}}\mathrm{kC}_{\mathrm{2n}} ^{\mathrm{k}+\mathrm{n}} =\mathrm{nC}_{\mathrm{2n}−\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \: \\ $$$$ \\ $$