Суммирование явной последовательности обозначается как последовательность сложений. Например, суммирование [1, 2, 4, 2] обозначается 1 + 2 + 4 + 2 и приводит к 9, то есть 1 + 2 + 4 + 2 = 9 . Поскольку сложение ассоциативно и коммутативно , скобки не нужны, и результат один и тот же независимо от порядка слагаемых. Суммирование последовательности только одного элемента приводит к самому этому элементу. Суммирование пустой последовательности (последовательности без элементов) по соглашению дает 0.
Очень часто элементы последовательности определяются посредством регулярного шаблона в зависимости от их места в последовательности. Для простых шаблонов суммирование длинных последовательностей может быть представлено заменой большинства слагаемых эллипсами. Например, суммирование первых 100 натуральных чисел можно записать 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 суммирований и суммирований переменной длины (определяемых с помощью эллипсов или обозначений Σ) распространенной проблемой является поиск выражений в замкнутой форме для результата. Например, [а]
Хотя такие формулы не всегда существуют, было открыто множество формул суммирования, некоторые из наиболее распространенных и элементарных из которых перечислены в оставшейся части этой статьи.
Обозначения
Обозначение заглавной сигмы
Символ суммирования
В математических обозначениях используется символ, который компактно представляет сумму многих подобных терминов: символ суммирования , , увеличенная форма прямой заглавной греческой буквы сигма . Это определяется как
где i — индекс суммирования ; a i — индексированная переменная, представляющая каждый член суммы; m — нижняя граница суммирования , а n — верхняя граница суммирования . « i = m » под символом суммирования означает, что индекс i изначально равен m . Индекс i увеличивается на единицу для каждого последующего термина и останавливается, когда i = n . [б]
Это читается как «сумма a i от i = m до n ».
Вот пример, показывающий суммирование квадратов:
В общем, хотя в качестве индекса суммирования можно использовать любую переменную (при условии, что не возникает двусмысленности), некоторые из наиболее распространенных включают такие буквы, как , [c] , и ; последний также часто используется для верхней границы суммирования.
Альтернативно, индекс и границы суммирования иногда опускаются из определения суммирования, если контекст достаточно ясен. Это особенно применимо, когда индекс изменяется от 1 до n . [1] Например, можно написать так:
Часто используются обобщения этого обозначения, в которых указывается произвольное логическое условие, а сумма предназначена для всех значений, удовлетворяющих этому условию. Например:
— альтернативное обозначение суммы всех ( целых чисел ) в указанном диапазоне. Сходным образом,
является суммой по всем элементам набора и
является суммой всех положительных целых чисел , делящих . [д]
Есть также способы обобщить использование многих знаков сигмы. Например,
Если суммирование имеет одно слагаемое , то вычисленная сумма равна .
Если в суммировании нет слагаемых, то вычисленная сумма равна нулю , поскольку ноль является единицей сложения. Это известно как пустая сумма .
Эти вырожденные случаи обычно используются только тогда, когда обозначение суммирования дает вырожденный результат в особом случае. Например, если в определении выше, то в сумме только одно слагаемое; если , то его нет.
Формальное определение
Суммирование можно определить рекурсивно следующим образом:
Приведенная выше формула чаще используется для обращения разностного оператора , определяемого следующим образом:
где f — функция, определенная для целых неотрицательных чисел. Таким образом, учитывая такую функцию f , проблема состоит в том, чтобы вычислить антиразность f , функции такой, что . То есть
эта функция определена с точностью до добавления константы и может быть выбрана как [2]
Для суммирования, в которых слагаемое задается (или может быть интерполировано) интегрируемой функцией индекса, суммирование можно интерпретировать как сумму Римана , входящую в определение соответствующего определенного интеграла. Поэтому можно ожидать, что, например,
поскольку правая часть по определению является пределом левой части. Однако для данного суммирования n фиксировано, и мало что можно сказать об ошибке в приведенном выше приближении без дополнительных предположений относительно f : ясно, что для сильно осциллирующих функций сумма Римана может быть сколь угодно далекой от интеграла Римана.
Существует очень много тождеств суммирования с биномиальными коэффициентами (целая глава « Конкретной математики» посвящена только основным приемам). Некоторые из наиболее основных из них следующие.
В 1675 году Готфрид Вильгельм Лейбниц в письме Генриху Ольденбургу предлагает использовать символ ∫ для обозначения суммы дифференциалов ( лат . Calculus summatorius ), отсюда и S-образная форма. [4] [5] [6] Переименование этого символа в интеграл возникло позже в беседах с Иоганном Бернулли . [6]
В 1755 году символ суммирования Σ засвидетельствован в книге Леонарда Эйлера « Institutiones Calculi Differentialis» . [7] [8] Эйлер использует этот символ в таких выражениях, как:
В 1772 году использование Σ и Σ n засвидетельствовано Лагранжем . [7] [9]
В 1823 году заглавная буква S была признана символом суммирования серий. Это использование, по-видимому, было широко распространено. [7]
В 1829 году символ суммирования Σ засвидетельствован Фурье и К.Г. Якоби . [7] Использование Фурье включает в себя нижнюю и верхнюю границы, например: [10] [11]
^ Подробное описание обозначений суммирования и арифметики с суммами см. в Graham, Ronald L.; Кнут, Дональд Э.; Паташник, Орен (1994). «Глава 2: Суммы». Конкретная математика: Фонд информатики (PDF) (2-е изд.). Аддисон-Уэсли Профессионал. ISBN 978-0201558029.[ постоянная мертвая ссылка ]
^ Хотя имя фиктивной переменной не имеет значения (по определению), для обозначения целых чисел обычно используются буквы из середины алфавита ( до ), если есть риск путаницы. Например, даже если не должно быть никаких сомнений в интерпретации, многим математикам может показаться немного запутанным видеть вместо приведенных выше формул, включающих .
Рекомендации
^ «Обозначение суммирования». www.columbia.edu . Проверено 16 августа 2020 г.
^ abcd Справочник по дискретной и комбинаторной математике , Кеннет Х. Розен, Джон Г. Майклс, CRC Press, 1999, ISBN 0-8493-0149-1 .
^ ab «Исчисление I — обозначение суммирования». учебник.math.lamar.edu . Проверено 16 августа 2020 г.
^ Бертон, Дэвид М. (2011). История математики: Введение (7-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 414. ИСБН978-0-07-338315-6.
^ Лейбниц, Готфрид Вильгельм (1899). Герхардт, Карл Иммануэль (ред.). Der Briefwechsel фон Готфрида Вильгельма Лейбница с математикой. Эрстер Бэнд. Берлин: Майер и Мюллер. п. 154.
^ Аб Каджори (1929), стр. 181-182.
^ abcd Каджори (1929), с. 61.
^ Эйлер, Леонард (1755). Institutiones Calculi Differentialis (на латыни). Петрополис. п. 27.
^ Лагранж, Жозеф-Луи (1867–1892). Творения Лагранжа. Том 3 (на французском языке). Париж. п. 451.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
^ 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.
^ Фурье, Жан-Батист Жозеф (1888–1890). Творения Фурье. Том 2 (на французском языке). Париж: Готье-Виллар. п. 149.