stringtranslate.com

Суммирование

В математике суммирование — это сложение последовательности чисел , называемых слагаемыми или аддендами ; результатом является их сумма или итог . Помимо чисел , можно суммировать и другие типы значений: функции , векторы , матрицы , многочлены и, в общем, элементы любого типа математических объектов, над которыми определена операция, обозначенная «+» .

Суммирование бесконечных последовательностей называется сериями . Они включают в себя понятие предела и не рассматриваются в этой статье.

Суммирование явной последовательности обозначается как последовательность сложений. Например, суммирование [1, 2, 4, 2] обозначается как 1 + 2 + 4 + 2 и дает в результате 9, то есть 1 + 2 + 4 + 2 = 9. Поскольку сложение ассоциативно и коммутативно , скобки не нужны, и результат тот же, независимо от порядка слагаемых. Суммирование последовательности только из одного слагаемого дает в результате само это слагаемое. Суммирование пустой последовательности (последовательности без элементов) по соглашению дает в результате 0.

Очень часто элементы последовательности определяются через регулярный шаблон как функция их места в последовательности. Для простых шаблонов суммирование длинных последовательностей может быть представлено с заменой большинства слагаемых многоточиями. Например, суммирование первых 100 натуральных чисел может быть записано как 1 + 2 + 3 + 4 + ⋯ + 99 + 100 . В противном случае суммирование обозначается с помощью обозначения Σ, где — увеличенная заглавная греческая буква сигма . Например, сумму первых n натуральных чисел можно обозначить как .

Для длинных сумм и сумм переменной длины (определяемых с помощью многоточия или Σ-обозначения) часто возникает проблема поиска выражений в замкнутой форме для результата. Например, [a]

Хотя такие формулы не всегда существуют, было обнаружено много формул суммирования, некоторые из наиболее распространенных и элементарных из которых перечислены в оставшейся части этой статьи.

Обозначение

Заглавная сигма-обозначение

Символ суммирования

Математическая нотация использует символ, который компактно представляет сумму многих подобных терминов: символ суммы , , увеличенная форма вертикальной заглавной греческой буквы сигма . [1] Это определяется как

где iиндекс суммирования ; a i — индексированная переменная, представляющая каждый член суммы; mнижняя граница суммирования , а nверхняя граница суммирования . « i = m » под символом суммирования означает, что индекс i изначально равен m . Индекс i увеличивается на единицу для каждого последующего члена, останавливаясь, когда i = n . [b]

Это читается как «сумма a i , от i = m до n ».

Вот пример, показывающий суммирование квадратов:

В целом, хотя в качестве индекса суммирования может использоваться любая переменная (при условии отсутствия двусмысленности), некоторые из наиболее распространенных включают в себя такие буквы, как , [c] , , и ; последняя также часто используется для верхней границы суммирования.

В качестве альтернативы, индекс и границы суммирования иногда опускаются из определения суммирования, если контекст достаточно ясен. Это применимо, в частности, когда индекс идет от 1 до n . [2] Например, можно написать, что:

Часто используются обобщения этой нотации, в которых задается произвольное логическое условие, а сумма должна быть взята по всем значениям, удовлетворяющим условию. Например:

является альтернативной записью для суммы всех ( целых чисел ) в указанном диапазоне. Аналогично,

это сумма по всем элементам в наборе , и

это сумма всех положительных целых чисел, делящихся на . [d]

Существуют также способы обобщения использования многих знаков сигмы. Например,

то же самое, что и

Аналогичное обозначение используется для произведения последовательности , где вместо используется увеличенная форма греческой заглавной буквы пи .

Особые случаи

Можно сложить менее 2 чисел:

Эти вырожденные случаи обычно используются только тогда, когда запись суммирования дает вырожденный результат в особом случае. Например, если в определении выше, то в сумме есть только один член; если , то нет ни одного.

Алгебраическая сумма

Фраза «алгебраическая сумма» относится к сумме членов, которые могут иметь положительные или отрицательные знаки. Члены с положительными знаками складываются, а члены с отрицательными знаками вычитаются.

Формальное определение

Суммирование можно определить рекурсивно следующим образом:

, для ;
, для .

Обозначение теории меры

В обозначениях теории меры и интегрирования сумма может быть выражена как определенный интеграл ,

где — подмножество целых чисел от до , а где — мера подсчета целых чисел.

Исчисление конечных разностей

Для функции f , определенной над целыми числами в интервале [ m , n ] , справедливо следующее уравнение:

Это известно как телескопический ряд и является аналогом основной теоремы исчисления в исчислении конечных разностей , которая гласит:

где

является производной от f .

Примером применения приведенного выше уравнения является следующее:

Используя биномиальную теорему , это можно переписать так:

Приведенная выше формула чаще используется для инвертирования оператора разности , определяемого как:

где f — функция, определенная на неотрицательных целых числах. Таким образом, при наличии такой функции f проблема состоит в вычислении антиразности f , функции такой, что . То есть, Эта функция определена с точностью до добавления константы и может быть выбрана как [ 3]

Не всегда существует замкнутое выражение для такого суммирования, но формула Фаульхабера дает замкнутую форму в случае, когда и, в силу линейности , для каждой полиномиальной функции от n .

Приближение определенными интегралами

Многие такие приближения можно получить с помощью следующей связи между суммами и интегралами , которая справедлива для любой возрастающей функции f :

и для любой убывающей функции f :

Для более общих приближений см. формулу Эйлера–Маклорена .

Для сумм, в которых слагаемое задано (или может быть интерполировано) интегрируемой функцией индекса, суммирование можно интерпретировать как сумму Римана, встречающуюся в определении соответствующего определенного интеграла. Поэтому можно ожидать, что, например,

поскольку правая часть по определению является пределом для левой части. Однако для заданного суммирования n фиксировано, и мало что можно сказать об ошибке в приведенном выше приближении без дополнительных предположений относительно f : ясно, что для сильно колеблющихся функций сумма Римана может быть сколь угодно далека от интеграла Римана.

Идентичности

Приведенные ниже формулы содержат конечные суммы; для бесконечных сумм или конечных сумм выражений, содержащих тригонометрические функции или другие трансцендентные функции , см. список математических рядов .

Общие идентичности

( распределительность ) [4]
( коммутативность и ассоциативность ) [4]
(сдвиг индекса)
для биекции σ из конечного множества A на множество B (изменение индекса); это обобщает предыдущую формулу.
(разделение суммы, используя ассоциативность )
(вариант предыдущей формулы)
(сумма от первого члена до последнего равна сумме от последнего до первого)
(частный случай формулы выше)
(снова коммутативность и ассоциативность)
(еще одно применение коммутативности и ассоциативности)
(разделение суммы на четную и нечетную части, для четных индексов)
(разделение суммы на четную и нечетную части, для нечетных индексов)
( распределительность )
(дистрибутивность допускает факторизацию)
( логарифм произведения равен сумме логарифмов множителей)
( экспонента суммы — это произведение экспонент слагаемых)
для любой функции из .

Степени и логарифмы арифметических прогрессий

для каждого c, который не зависит от i
(Сумма простейшей арифметической прогрессии , состоящей из первых n натуральных чисел.) [3] : 52 
(Сумма первых нечетных натуральных чисел)
(Сумма первых четных натуральных чисел)
(Сумма логарифмов равна логарифму произведения)
(Сумма первых квадратов , см. квадратное пирамидальное число .) [3] : 52 
( Теорема Никомаха ) [3] : 52 

В более общем смысле, есть формула Фаульхабера для

где обозначает число Бернулли , а — биномиальный коэффициент .

Индекс суммирования в показателях степеней

В следующих вычислениях предполагается, что a отличается от 1.

(сумма геометрической прогрессии )
(частный случай для a = 1/2 )
( а умножить на производную по а геометрической прогрессии)
(сумма арифметико–геометрической прогрессии )

Биномиальные коэффициенты и факториалы

Существует очень много тождеств суммирования, включающих биномиальные коэффициенты (целая глава Конкретной математики посвящена только базовым методам). Вот некоторые из самых базовых.

С использованием биномиальной теоремы

биномиальная теорема
особый случай, когда a = b = 1
, частный случай, когда p = a = 1 − b , который для выражает сумму биномиального распределения
значение при a = b = 1 производной по a биномиальной теоремы
значение при a = b = 1 первообразной по a биномиальной теоремы

Включающие перестановочные числа

В следующих суммированиях — число k -перестановок n .

, где и обозначает функцию пола .

Другие

Гармонические числа

( n- й гармонический номер )
( обобщенное гармоническое число )

Темпы роста

Ниже приведены полезные приближения (с использованием тета-обозначения ):

для действительного c больше −1
(См. Гармонический номер )
для вещественного c больше 1
для неотрицательного действительного числа c
для неотрицательных действительных c , d
для неотрицательных действительных b > 1, c , d

История

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Подробности см. в разделе Треугольное число .
  2. ^ Для подробного изложения записи суммирования и арифметики с суммами см. Graham, Ronald L.; Knuth, Donald E.; Patashnik, Oren (1994). "Глава 2: Суммы". Конкретная математика: основа компьютерной науки (2-е изд.). Addison-Wesley Professional. ISBN 978-0201558029.
  3. ^ в контекстах, где нет возможности путаницы с мнимой единицей
  4. ^ Хотя имя фиктивной переменной не имеет значения (по определению), обычно используют буквы из середины алфавита ( до ) для обозначения целых чисел, если есть риск путаницы. Например, даже если не должно быть никаких сомнений относительно интерпретации, для многих математиков может показаться немного запутанным видеть вместо в приведенных выше формулах с участием .

Ссылки

  1. ^ Апостол, Том М. (1967). Calculus . Т. 1 (2-е изд.). США: John Wiley & Sons. стр. 37. ISBN 0-471-00005-1.{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)
  2. ^ "Обозначение суммирования". www.columbia.edu . Получено 2020-08-16 .
  3. ^ abcd Справочник по дискретной и комбинаторной математике , Кеннет Х. Розен, Джон Г. Майклс, CRC Press, 1999, ISBN 0-8493-0149-1
  4. ^ ab "Исчисление I - Обозначение суммирования". tutorial.math.lamar.edu . Получено 16.08.2020 .
  5. ^ Бертон, Дэвид М. (2011). История математики: Введение (7-е изд.). McGraw-Hill. стр. 414. ISBN 978-0-07-338315-6.
  6. ^ Лейбниц, Готфрид Вильгельм (1899). Герхардт, Карл Иммануэль (ред.). Der Briefwechsel фон Готфрида Вильгельма Лейбница с математикой. Эрстер Бэнд. Берлин: Майер и Мюллер. п. 154.
  7. ^ Аб Каджори (1929), стр. 181-182.
  8. ^ abcd Cajori (1929), стр. 61.
  9. ^ Эйлер, Леонард (1755). Institutiones Calculi Differentialis (на латыни). Петрополис. п. 27.
  10. ^ Лагранж, Жозеф-Луи (1867–1892). Творения Лагранжа. Том 3 (на французском языке). Париж. п. 451.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  11. ^ Mémoires de l'Académie Royale des Sciences de l'Institut de France pour l'année 1825, том VIII (на французском языке). Пэрис: Дидо. 1829. стр. 581-622.
  12. ^ Фурье, Жан-Батист Жозеф (1888–1890). Творения Фурье. Том 2 (на французском языке). Париж: Готье-Виллар. п. 149.

Библиография

Внешние ссылки