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 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
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 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 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:
Если в сумме имеется одно слагаемое , то оценённая сумма равна .
Если в суммировании нет слагаемых, то оцененная сумма равна нулю , поскольку ноль является тождеством для сложения. Это известно как пустая сумма .
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:
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]
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.
Существует очень много тождеств суммирования, включающих биномиальные коэффициенты (целая глава Конкретной математики посвящена только базовым методам). Вот некоторые из самых базовых.
В 1675 году Готфрид Вильгельм Лейбниц в письме Генри Ольденбургу предлагает символ ∫ для обозначения суммы дифференциалов ( лат . calculus summatorius ), отсюда и S-образная форма. [5] [6] [7] Переименование этого символа в интеграл произошло позже в ходе обмена мнениями с Иоганном Бернулли . [7]
В 1772 году использование Σ и Σ n засвидетельствовано Лагранжем . [8] [10]
В 1823 году заглавная буква S была засвидетельствована как символ суммирования рядов. Такое использование, по-видимому, было широко распространено. [8]
В 1829 году символ суммы Σ был засвидетельствован Фурье и К. Г. Дж. Якоби . [8] Использование Фурье включало нижние и верхние границы, например: [11] [12]
^ 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.
^ в контекстах, где нет возможности путаницы с мнимой единицей
^ 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
^ Апостол, Том М. (1967). Calculus . Т. 1 (2-е изд.). США: John Wiley & Sons. стр. 37. ISBN0-471-00005-1.{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)
^ 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". tutorial.math.lamar.edu . Получено 16.08.2020 .
^ Бертон, Дэвид М. (2011). История математики: Введение (7-е изд.). McGraw-Hill. стр. 414. ISBN978-0-07-338315-6.
^ 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 Cajori (1929), стр. 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.