Question Number 223571 by hardmath last updated on 30/Jul/25

$$\mathrm{S}_{\mathrm{1}} \:=\:\mathrm{1}\centerdot\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}\centerdot\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}\centerdot\mathrm{3}!\:+…+\:\mathrm{16}\centerdot\mathrm{16}! \\ $$$$\mathrm{S}_{\mathrm{2}} \:=\:\mathrm{1}\centerdot\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}\centerdot\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}\centerdot\mathrm{3}!\:+…+\:\mathrm{14}\centerdot\mathrm{14}! \\ $$$$\mathrm{Find}:\:\:\:\frac{\mathrm{S}_{\mathrm{1}} }{\mathrm{S}_{\mathrm{2}} }\:=\:? \\ $$
Answered by parthasc last updated on 30/Jul/25

Answered by Raphael254 last updated on 01/Sep/25

$$ \\ $$$${S}_{\mathrm{1}\:} =\:\underset{{i}\:=\:\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{16}} {\sum}}\:{i}×{i}! \\ $$$${S}_{\mathrm{2}} \:=\:\underset{{i}\:=\:\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{14}} {\sum}}\:{i}×{i}! \\ $$$$ \\ $$$${See}\:{a}\:{curious}\:{thing}: \\ $$$$ \\ $$$$\frac{\mathrm{4}!}{\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}×\mathrm{3}!}\:=\:\frac{\mathrm{24}}{\mathrm{1}\:+\:\mathrm{4}\:+\:\mathrm{18}}\:=\:\frac{\mathrm{24}}{\mathrm{23}} \\ $$$$ \\ $$$$\frac{\mathrm{5}!}{\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}×\mathrm{3}!\:×\mathrm{4}×\mathrm{4}!}\:=\:\frac{\mathrm{5}!}{\mathrm{1}\:+\:\mathrm{4}\:+\:\mathrm{18}\:+\:\mathrm{96}}\:=\:\frac{\mathrm{120}}{\mathrm{119}} \\ $$$$ \\ $$$$\frac{\mathrm{6}!}{\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:×\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}×\mathrm{3}!\:×\:\mathrm{4}×\mathrm{4}!\:+\:\mathrm{5}×\mathrm{5}!}\:=\:\frac{\mathrm{6}!}{\mathrm{1}\:+\:\mathrm{4}\:+\:\mathrm{18}\:+\:\mathrm{96}\:+\:\mathrm{600}}\:=\:\frac{\mathrm{720}}{\mathrm{719}} \\ $$$$ \\ $$$$\frac{{n}!}{\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:+\:\left({n}−\mathrm{2}\right)\left({n}−\mathrm{2}\right)!\:+\:\left({n}−\mathrm{3}\right)\left({n}−\mathrm{3}\right)!\:+\:…\:+\:\left({n}−{n}\right)\left({n}−{n}\right)!}\:=\:\frac{{n}!}{{n}!\:−\:\mathrm{1}},\:{n}\:\geq\:\mathrm{2} \\ $$$$ \\ $$$${Proof}: \\ $$$$ \\ $$$$\left.\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:+\:\left({n}−\mathrm{2}\right)\left({n}−\mathrm{2}\right)!\:+\:\left({n}−\mathrm{3}\right)\left({n}−\mathrm{3}\right)!\:+\:…\:+\:\left({n}−{n}\right)\left({n}−{n}\right)\right)!\:\left({to}\:{be}\:{easy}\:{to}\:{visualize},\:{we}\:{can}\:{invert}\:{to}\:{a}\:{crescent}\:{order}\right) \\ $$$$=\:\left({n}\:−\:{n}\right)\left({n}\:−\:{n}\right)!\:+\:\left({n}−\left({n}−\mathrm{1}\right)\right)\left({n}−\left({n}−\mathrm{1}\right)\right)!\:+\:\left({n}−\left({n}−\mathrm{2}\right)\right)\left({n}−\left({n}−\mathrm{2}\right)\right)!\:+\:…\:+\:\left({n}−\left({n}−\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\right)\right)\left({n}−\left({n}−\left({n}−\mathrm{1}\right)\right)\right)!\:= \\ $$$$=\:\mathrm{0}×\mathrm{0}!\:+\:\left({n}\:−\:{n}\:+\:\mathrm{1}\right)\left({n}−{n}+\mathrm{1}\right)!\:+\:\left({n}−{n}+\mathrm{2}\right)\left({n}−{n}+\mathrm{2}\right)!\:+\:…\:+\:\left({n}−\left({n}−{n}+\mathrm{1}\right)\right)\left({n}−\left({n}−{n}+\mathrm{1}\right)\right)! \\ $$$$=\:\mathrm{0}\:+\:\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:…\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)! \\ $$$$=\:\left(\mathrm{1}!\:−\:\mathrm{1}\right)\:+\:\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:…\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)! \\ $$$$=\:\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:…\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:\mathrm{1}!\left(\mathrm{1}\:+\:\mathrm{1}\right)\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:…\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:\mathrm{1}!\left(\mathrm{2}\right)\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:…\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:…\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:\mathrm{2}!\left(\mathrm{1}\:+\:\mathrm{2}\right)\:+\:…\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:\mathrm{2}!\left(\mathrm{3}\right)\:+\:…\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:\mathrm{3}!\:+\:…\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:…\:\left({n}−\mathrm{2}\right)!\left({n}−\mathrm{1}\right)\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:…\:\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\left({n}−\mathrm{1}\right)!\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:…\:\left({n}−\mathrm{1}\right)!\left(\mathrm{1}\:+\:\left({n}−\mathrm{1}\right)\right)\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:…\:\left({n}−\mathrm{1}\right)!\left(\mathrm{1}\:+\:{n}\:−\:\mathrm{1}\right)\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:…\:\left({n}−\mathrm{1}\right)!\left({n}\right)\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$=\:…\:{n}!\:−\:\mathrm{1} \\ $$$$ \\ $$$$\frac{{S}_{\mathrm{1}} }{{S}_{\mathrm{2}} }\:=\:\frac{\underset{{i}\:=\:\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{16}} {\sum}}\:{i}×{i}!}{\underset{{i}\:=\:\mathrm{1}} {\overset{\mathrm{14}} {\sum}}\:{i}×{i}!}\:=\:\frac{\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:×\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}×\mathrm{3}!\:+\:…\:+\:\mathrm{16}×\mathrm{16}!}{\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}×\mathrm{3}!\:+\:…\:+\:\mathrm{14}×\mathrm{14}!} \\ $$$$\left(\frac{{n}\:+{m}}{{n}}\:=\:\frac{{n}}{{n}}\:+\:\frac{{m}}{{n}}\:=\:\mathrm{1}\:+\:\frac{{m}}{{n}}\right)\:=\:\frac{\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}×\mathrm{3}!\:+\:…\:\mathrm{14}×\mathrm{14}!}{\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}×\mathrm{3}!\:+\:…\:\mathrm{14}×\mathrm{14}!}\:+\:\frac{\mathrm{15}×\mathrm{15}!\:+\:\mathrm{16}×\mathrm{16}!}{\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}×\mathrm{3}!\:+\:…\:+\:\mathrm{14}×\mathrm{14}!}\:=\:\mathrm{1}\:+\:\frac{\mathrm{15}×\mathrm{15}!\:+\:\mathrm{16}×\mathrm{16}!}{\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}×\mathrm{3}!\:+\:…\:\mathrm{14}×\mathrm{14}!}\:=\:\mathrm{1}\:+\:\frac{\mathrm{15}×\mathrm{15}!\:+\:\mathrm{16}×\mathrm{16}×\mathrm{15}!}{\mathrm{1}×\mathrm{1}!\:+\:\mathrm{2}×\mathrm{2}!\:+\:\mathrm{3}×\mathrm{3}!\:+\:…\:+\:\mathrm{14}×\mathrm{14}!}\:=\:\mathrm{1}\:+\:\frac{\mathrm{15}!\left(\mathrm{15}\:+\:\mathrm{16}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}} \\ $$$$\frac{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}\:+\:\mathrm{15}!\left(\mathrm{271}\right)}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:=\:\frac{\mathrm{15}!\left(\mathrm{1}\:+\:\mathrm{271}\right)\:−\:\mathrm{1}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:=\:\frac{\mathrm{15}!\left(\mathrm{272}\right)\:−\:\mathrm{1}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}} \\ $$$$\left(\frac{{m}×{n}\:−\:\mathrm{1}}{{m}\:−\:\mathrm{1}}\:=\:{n}\:+\:\frac{{n}\:−\:\mathrm{1}}{{m}\:−\:\mathrm{1}}\:=\:{n}\:+\:\frac{{m}×\frac{{n}}{{m}}\:−\:\mathrm{1}}{{m}\:−\:\mathrm{1}}\:=\:{n}\:+\:\left(\frac{{n}}{{m}}\:+\:\frac{\frac{{n}}{{m}}\:−\:\mathrm{1}}{{m}\:−\:\mathrm{1}}\right)\:=\:{n}\:+\:\left(\frac{{n}}{{m}}\:+\:\frac{{m}×\frac{{n}}{{m}×{m}}\:−\:\mathrm{1}}{{m}\:−\:\mathrm{1}}\right)\:=\:{n}\:+\:\frac{{n}}{{m}}\:+\:\left(\frac{{n}}{{m}^{\mathrm{2}} }\:+\:\frac{\frac{{n}}{{m}^{\mathrm{2}} }\:−\:\mathrm{1}}{{m}\:−\:\mathrm{1}}\right)\:=\:…\:=\:{n}\:+\:\frac{{n}}{{m}}\:+\:\frac{{n}}{{m}^{\mathrm{2}} }\:+\:…\:+\:\frac{{n}}{{m}^{{p}} }\:+\:\left({the}\:{next}\:{and}\:{last}\:{term}\:{can}\:{be}\:{introduced}\:{at}\:{any}\:{time}\:{after}\:{the}\:{first}\:{term}\:'\boldsymbol{{n}}'\:{is}\:{introduced}\right)\:\frac{\frac{{n}}{{m}^{{p}} }\:−\mathrm{1}}{{m}\:−\:\mathrm{1}},\:{p}\:\geq\:\mathrm{0}\:{and}\:{m}\:\neq\:\mathrm{1}\right);\:{observation}:\:{in}\:{case}\:{of}\:\frac{\frac{{n}}{{m}^{\mathrm{0}} }\:−\:\mathrm{1}}{{m}\:−\:\mathrm{1}},\:{consider}\:{only}\:\frac{{n}\:−\:\mathrm{1}}{{m}\:−\:\mathrm{1}},\:{because}\:{when}\:{m}\:=\:\mathrm{0},\:{we}\:{will}\:{have}\:\frac{\frac{{n}}{\mathrm{0}^{\mathrm{0}} }\:−\:\mathrm{1}}{\mathrm{0}\:−\:\mathrm{1}}\:{which}\:{is}\:{undetermined},\:{but}\:{the}\:{formula}\:{is}\:{still}\:{working}\:{in}\:{this}\:{case}\:{for}\:{the}\:{two}\:{first}\:{terms}\:\left(\boldsymbol{{n}}\:{and}\:\frac{\boldsymbol{{n}}\:−\:\mathrm{1}}{\boldsymbol{{m}}\:−\:\mathrm{1}},\:{since}\:{a}\:{third}\:{term}\:{wouldn}'{t}\:{work},\:{because}\:{the}\:{second}\:{term}\:{would}\:{be}\:\frac{{n}}{{m}}\right). \\ $$$$\frac{\mathrm{15}!\left(\mathrm{272}\right)\:−\:\mathrm{1}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:=\:\mathrm{272}\:+\:\left({after}\:{n}\:=\:\mathrm{272}\right)\:\frac{\mathrm{272}\:−\:\mathrm{1}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:=\:\mathrm{272}\:+\:\frac{\mathrm{271}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:\approx\mathrm{272} \\ $$$$ \\ $$$${Suppose}\:{we}\:{wanted}\:{to}\:{add}\:{one}\:{more}\:{term}: \\ $$$$ \\ $$$$\frac{\mathrm{15}!\left(\mathrm{272}\right)\:−\:\mathrm{1}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:=\:\mathrm{272}\:+\:\frac{\mathrm{272}}{\mathrm{15}!}\:+\:\frac{\frac{\mathrm{272}}{\mathrm{15}!}\:−\:\mathrm{1}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:=\:\mathrm{272}\:+\:\frac{\mathrm{272}}{\mathrm{15}!}\:+\:\frac{\frac{\mathrm{272}\:−\:\mathrm{15}!}{\mathrm{15}!}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:=\:\mathrm{272}\:+\:\frac{\mathrm{272}}{\mathrm{15}!}\:+\:\frac{\mathrm{272}\:−\:\mathrm{15}!}{\mathrm{15}!\left(\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}\right)}\:=\:\mathrm{272}\:+\:\frac{\mathrm{272}\left(\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}\right)\:+\:\mathrm{272}\:−\:\mathrm{15}!}{\mathrm{15}!\left(\mathrm{15}!\:−\mathrm{1}\right)} \\ $$$$\mathrm{272}\:+\:\frac{\mathrm{272}×\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{272}\:+\:\mathrm{272}\:−\:\mathrm{15}!}{\mathrm{15}!×\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{15}!}\:=\:\mathrm{272}\:+\:\frac{\mathrm{272}×\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{15}!}{\mathrm{15}!×\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{15}!}\:=\:\mathrm{272}\:+\:\frac{\mathrm{15}!\left(\mathrm{272}\:−\mathrm{1}\right)}{\mathrm{15}!\left(\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}\right)}\:=\:\mathrm{272}\:+\:\frac{\mathrm{271}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:\left(\frac{\mathrm{271}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:\approx\:\mathrm{0}\right) \\ $$$$ \\ $$$${Conclusion}: \\ $$$$ \\ $$$$\frac{{S}_{\mathrm{1}} }{{S}_{\mathrm{2}} }\:=\:\mathrm{272}\:+\:\frac{\mathrm{271}}{\mathrm{15}!\:−\:\mathrm{1}}\:\approx\mathrm{272} \\ $$
Commented by hardmath last updated on 31/Jul/25

$$\mathrm{cool}\:\mathrm{dear}\:\mathrm{professors}\:\mathrm{thankyou} \\ $$