Суммирование

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В математике суммирование это сложение последовательности чисел , ; называемой слагаемыми или слагаемыми – результатом является их сумма или сумма . Помимо чисел, можно суммировать и другие типы значений: функции , векторы , матрицы , полиномы и, вообще, элементы любого типа математических объектов , над которыми операция определена , обозначаемая «+».

Суммы бесконечных последовательностей называются сериями . Они включают в себя концепцию предела и не рассматриваются в данной статье.

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) часто возникает проблема поиска выражений в замкнутой форме для результата. Например, [а]

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

Обозначения [ править ]

Обозначение заглавной сигмы [ править ]

Символ суммирования

В математической записи 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 из них включают такие буквы, как , [с] , , 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:

является альтернативным обозначением для сумма по всем ( целые числа ) в указанном диапазоне. Сходным образом,

это сумма над всеми элементами в наборе , и

это сумма по всем положительным целым числам разделяющий . [д]

Есть также способы обобщить использование многих знаков сигмы. Например,

такой же как

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

Особые случаи [ править ]

Можно суммировать менее двух чисел:

  • Если суммирование имеет одно слагаемое , то оцененная 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 приведенном выше определении сумма содержит только одно слагаемое; если , то его нет.

Формальное определение [ править ]

Суммирование можно определить рекурсивно следующим образом:

, для ;
, для .

теории Обозначение меры

В обозначениях теории меры и интегрирования сумму можно выразить в виде определенного интеграла ,

где является подмножеством целых чисел из к , и где является счетной мерой целых чисел.

Исчисление разностей конечных

Учитывая функцию f , которая определена над целыми числами в интервале [ m , n ] , выполняется следующее уравнение:

Это известно как телескопический ряд и является аналогом фундаментальной теоремы исчисления конечных разностей , которая гласит, что:

где

является производной от f .

Примером применения приведенного выше уравнения является следующее:

Используя биномиальную теорему , это можно переписать как:

Приведенная выше формула чаще используется для обращения разностного оператора. , определяется:

где f — функция, определенная для целых неотрицательных чисел. Таким образом, для такой функции f проблема состоит в том, чтобы вычислить f , антиразность функции такой, что . То есть, Эта функция определена с точностью до добавления константы и может быть выбрана как [2]

не всегда существует выражение в замкнутой форме Для такого суммирования , но формула Фаульхабера обеспечивает замкнутую форму в случае, когда и, по линейности , для любой полиномиальной функции от n .

Приближение определенными интегралами [ править ]

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 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 для левой стороны. 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.

Личности [ править ]

В приведенных ниже формулах используются конечные суммы; для бесконечного суммирования или конечного суммирования выражений, включающих тригонометрические функции или другие трансцендентные функции , см. список математических рядов .

Общие личности [ править ]

( дистрибутивность ) [3]
( коммутативность и ассоциативность ) [3]
(индексный сдвиг)
для биекции σ из конечного множества A на множество B (замена индекса); это обобщает предыдущую формулу.
(разделение суммы с использованием ассоциативности )
(вариант предыдущей формулы)
(сумма от первого члена до последнего равна сумме от последнего до первого)
(частный случай формулы выше)
(опять же коммутативность и ассоциативность)
(еще одно применение коммутативности и ассоциативности)
(разбиение суммы на нечетную и четную части, для четных индексов)
(разделение суммы на нечетную и четную части для нечетных индексов)
( дистрибутивность )
(дистрибутивность допускает факторизацию)
( логарифм произведения – это сумма логарифмов множителей)
( экспонента суммы равна произведению экспоненты слагаемых)
для любой функции от .

Степени и логарифмы арифметических прогрессий [ править ]

для любого c , не зависящего от i
(Сумма простейшей арифметической прогрессии , состоящей из первых n натуральных чисел.) [2] : 52 
(Сумма первых нечетных натуральных чисел)
(Сумма первых четных натуральных чисел)
(Сумма логарифмов есть логарифм произведения)
(Сумму первых квадратов см. квадратное пирамидальное число .) [2] : 52 
( теорема Никомахея ) [2] : 52 

В более общем плане имеется формула Фаульхабера для

где обозначает число Бернулли и является биномиальным коэффициентом .

Индекс суммирования в показателях [ править ]

В следующих суммированиях предполагается, что a отличается от 1.

(сумма геометрической прогрессии )
(частный случай для a = 1/2 )
( a , умноженная на производную по a геометрической прогрессии)
(сумма арифметико -геометрической последовательности )

Биномиальные коэффициенты и факториалы [ править ]

Существует очень много тождеств суммирования с биномиальными коэффициентами (целая глава «Конкретной математики» посвящена только основным приемам). Некоторые из наиболее основных из них следующие.

биномиальной теоремы Использование

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

Использование чисел перестановок [ править ]

В следующих обобщениях — количество k -перестановок n .

, где и обозначает функцию пола .

Другие [ править ]

Гармонические числа [ править ]

( номер n гармоники )
( обобщенный номер гармоники )

Темпы роста

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

для реального c больше -1
(См. номер гармоники )
на самом деле c больше 1
для неотрицательного действительного c
для неотрицательных действительных c , d
для неотрицательного действительного b > 1, c , d

История [ править ]

  • В 1772 году использование Σ и Σ н подтверждает Лагранж . [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]

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Подробности см. в разделе Треугольное число .
  2. ^ Подробное описание обозначений суммирования и арифметики с суммами см. Грэм, Рональд Л.; Кнут, Дональд Э.; Паташник, Орен (1994). «Глава 2: Суммы» Конкретная математика: фонд информатики (2-е изд.). Аддисон-Уэсли Профессионал. ISBN  978-0201558029 .
  3. ^ в контекстах, где нет возможности путаницы с воображаемой единицей
  4. ^ Хотя имя фиктивной переменной не имеет значения (по определению), обычно используются буквы из середины алфавита ( через ) для обозначения целых чисел, если есть риск путаницы. Например, даже если не должно быть никаких сомнений в интерпретации, многим математикам может показаться несколько запутанным вид вместо в приведенных выше формулах, включающих .

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Суммирующая запись» . www.columbia.edu . Проверено 16 августа 2020 г.
  2. ^ Перейти обратно: а б с д Справочник по дискретной и комбинаторной математике , Кеннет Х. Розен, Джон Г. Майклс, CRC Press, 1999, ISBN   0-8493-0149-1 .
  3. ^ Перейти обратно: а б «Исчисление I — обозначение суммирования» . учебник.math.lamar.edu . Проверено 16 августа 2020 г.
  4. ^ Бертон, Дэвид М. (2011). История математики: Введение (7-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 414. ИСБН  978-0-07-338315-6 .
  5. ^ Лейбниц, Готфрид Вильгельм (1899). Герхардт, Карл Иммануэль (ред.). Переписка Готфрида Вильгельма Лейбница с математиками. Первый том . Берлин: Майер и Мюллер. п. 154 .
  6. ^ Перейти обратно: а б Каджори (1929) , стр. 181-182 .
  7. ^ Перейти обратно: а б с д Каджори (1929) , с. 61 .
  8. ^ Эйлер, Леонард (1755). Учреждения дифференциального исчисления (на латыни). Петрополис п. 27 .
  9. ^ Лагранж, Жозеф-Луи (1867–1892). Работы Лагранжа. Том 3 (на французском языке). Париж. п. 451 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  10. ^ Мемуары Королевской академии наук Института Франции за 1825 год, том VIII (на французском языке). Пэрис: Дидо. 1829.стр. 581-622 .
  11. ^ Фурье, Жан-Батист Жозеф (1888–1890). Работы Фурье. Том 2 (на французском языке). Париж: Готье-Виллар. п. 149 .

Библиография [ править ]

Внешние ссылки [ править ]