Summasjon - Summation

I matematikk , summering er tilsetning av en sekvens av enhver form for tall , kalt addends eller summands ; resultatet er deres sum eller sum . Ved siden av tall kan også andre typer verdier summeres: funksjoner , vektorer , matriser , polynomer og generelt elementer av alle typer matematiske objekter der en operasjon betegnet "+" er definert.

Summasjoner av uendelige sekvenser kalles serier . De involverer begrepet grense , og blir ikke vurdert i denne artikkelen.

Summeringen av en eksplisitt sekvens er betegnet som en rekke tillegg. For eksempel er summering av [1, 2, 4, 2] betegnet 1 + 2 + 4 + 2 , og resulterer i 9, det vil si 1 + 2 + 4 + 2 = 9 . Fordi tillegg er assosiativ og kommutativ , er det ikke behov for parenteser, og resultatet er det samme uavhengig av rekkefølgen på summen. Sammendrag av en sekvens av bare ett element resulterer i dette elementet selv. Summering av en tom sekvens (en sekvens uten elementer), etter konvensjon, resulterer i 0.

Svært ofte er elementene i en sekvens definert, gjennom vanlig mønster, som en funksjon av deres plass i sekvensen. For enkle mønstre kan summering av lange sekvenser være representert med de fleste summen erstattet av ellipser. For eksempel kan summering av de første 100 naturlige tallene skrives som 1 + 2 + 3 + 4 + ⋯ + 99 + 100 . Ellers betegnes summering ved å bruke Σ -notasjon , hvor det er en forstørret gresk stor bokstav sigma . For eksempel kan summen av de første n naturlige tallene betegnes som

For lange summeringer og summeringer av variabel lengde (definert med ellipser eller Σ notasjoner), er det et vanlig problem å finne lukkede uttrykk for resultatet. For eksempel,

Selv om slike formler ikke alltid eksisterer, har mange oppsummeringsformler blitt oppdaget - med noen av de vanligste og elementære formlene som er oppført i resten av denne artikkelen.

Notasjon

Capital-sigma notasjon

Oppsummeringssymbolet

Matematisk notasjon bruker et symbol som kompakt representerer summering av mange lignende begreper: den summering symbol , en forstørret form av stående hovedstaden greske bokstaven sigma . Dette er definert som

hvor i er summeringsindeksen ; a i er en indeksert variabel som representerer hver term i summen; m er den nedre grensen for summering , og n er den øvre grensen for summering . " I = m " under summeringssymbolet betyr at indeksen i starter lik m . Indeksen, i , økes med en for hvert påfølgende begrep, og stopper når i = n .

Dette leses som "summen av et i , fra i = m til n ".

Her er et eksempel som viser summeringen av firkanter:

Generelt, mens en hvilken som helst variabel kan benyttes som indeks for summering (forutsatt at ingen tvetydighet pådras), noen av de vanligste er tegn som , , , og ; sistnevnte brukes også ofte for øvre grense for en summering.

Alternativt blir indeks og summeringsgrenser noen ganger utelatt fra definisjonen av summering hvis konteksten er tilstrekkelig klar. Dette gjelder spesielt når indeksen går fra 1 til n . For eksempel kan man skrive at:

Man ser ofte generaliseringer av denne notasjonen der en vilkårlig logisk betingelse er gitt, og summen er ment å bli overtatt alle verdier som tilfredsstiller betingelsen. For eksempel:

er summen av over alle ( heltall ) i det angitte området,

er summen av over alle elementene i settet , og

er summen av over alle positive heltall som deler seg .

Det er også måter å generalisere bruken av mange sigma -tegn. For eksempel,

er det samme som

En lignende notasjon brukes når det gjelder å betegne produktet av en sekvens , som ligner sin summering, men som bruker multiplikasjonsoperasjonen i stedet for addisjon (og gir 1 for en tom sekvens i stedet for 0). Den samme grunnstrukturen brukes, med en forstørret form av den greske store bokstaven pi , som erstatter .

Spesielle tilfeller

Det er mulig å summere færre enn 2 tall:

  • Hvis summeringen har ett summen , er den evaluerte summen .
  • Hvis summeringen ikke har noen summen, er den evaluerte summen null , fordi null er identiteten for tillegg. Dette er kjent som den tomme summen .

Disse degenererte tilfellene brukes vanligvis bare når summeringsnotasjonen gir et degenerert resultat i et spesielt tilfelle. For eksempel, hvis i definisjonen ovenfor, er det bare ett begrep i summen; hvis , så er det ingen.

Formell definisjon

Summasjon kan defineres rekursivt som følger:

, for b < a ;
, for ba .

Mål teorienotasjon

I notasjonen mål og integrasjonsteori kan en sum uttrykkes som en bestemt integral ,

hvor er delsettet av heltallene fra til , og hvor er tellemålet .

Beregning av begrensede forskjeller

Gitt en funksjon f som er definert over heltallene i intervallet [ m , n ] , holder følgende ligning:

Dette er analogen til den grunnleggende teoremet for beregning i beregning av begrensede forskjeller , som sier at:

hvor

er derivatet av f .

Et eksempel på anvendelse av ligningen ovenfor er følgende:

Ved bruk av binomial setning kan dette skrives om til:

Formelen ovenfor er mer vanlig for å invertere differensoperatoren , definert av:

hvor f er en funksjon definert på de ikke -negative heltallene. Således gitt en slik funksjon f , er problemet å beregne antidifferansen til f , en funksjon slik at . Det vil si, Denne funksjonen er definert opp til tillegg av en konstant, og kan velges som

Det er ikke alltid et lukket formuttrykk for en slik summering, men Faulhabers formel gir en lukket form i tilfellet der og, ved lineæritet , for hver polynomfunksjon av n .

Tilnærming av bestemte integraler

Mange slike tilnærminger kan oppnås ved følgende forbindelse mellom summer og integraler , som gjelder for enhver økende funksjon f :

og for eventuell synkende funksjon f :

For mer generelle tilnærminger, se formelen Euler - Maclaurin .

For summeringer der summen er gitt (eller kan interpoleres) av en integrerbar funksjon av indeksen, kan summeringen tolkes som en Riemann -sum som forekommer i definisjonen av det tilsvarende bestemte integralet. Man kan derfor forvente det for eksempel

siden høyre side per definisjon er grensen for venstre side. Imidlertid, for en gitt summering n er fast, og lite kan sies om feilen i den førnevnte tilnærmelsen uten ytterligere antagelser om f : det er klart at for vilt oscillerende funksjoner Riemann summen kan være vilkårlig langt fra Riemann integralet.

Identiteter

Formlene nedenfor innebærer begrensede summer; for uendelige summeringer eller endelige summeringer av uttrykk som involverer trigonometriske funksjoner eller andre transcendentale funksjoner , se liste over matematiske serier .

Generelle identiteter

( distribusjon )
( kommutativitet og assosiativitet )
(indeksskifte)
for en byeksjon σ fra et endelig sett A til et sett B (indeksendring); dette generaliserer den foregående formelen.
(dele en sum ved å bruke assosiativitet )
(en variant av den foregående formelen)
(summen fra det første uttrykket til det siste er lik summen fra det siste ned til det første)
(et spesielt tilfelle av formelen ovenfor)
(kommutativitet og assosiativitet, igjen)
(en annen anvendelse av kommutativitet og assosiativitet)
(dele en sum i oddetall og partall , for jevne indekser)
(dele en sum i oddetall og partall for oddetall)
( distribusjon )
(distribusjon muliggjør faktorisering)
( logaritmen til et produkt er summen av logaritmene til faktorene)
( eksponentiell for en sum er produktet av eksponentiell for summen)

Evner og logaritme for aritmetiske progresjoner

for hver c som ikke er avhengig av i
(Summen av den enkleste aritmetiske progresjonen , bestående av de første n naturlige tallene.)
(Summen av de første oddetallene)
(Summen av de første jevne naturlige tallene)
(En sum av logaritmer er produktets logaritme)
(Summen av de første rutene , se firkantet pyramidaltall .)
( Nicomachos teorem )

Mer generelt har man Faulhabers formel for

hvor betegner et Bernoulli -tall , og er en binomial koeffisient .

Summasjonsindeks i eksponenter

I de følgende summeringene, en antas å være forskjellig fra en.

(summen av en geometrisk progresjon )
(spesialtilfelle for a = 1/2 )
( A ganger den deriverte med hensyn til en av den geometriske progresjon)
(summen av en aritmetisk - geometrisk sekvens )

Binomiske koeffisienter og faktorier

Det finnes veldig mange summeringsidentiteter som involverer binomiske koeffisienter (et helt kapittel i betongmatematikk er viet til bare de grunnleggende teknikkene). Noen av de mest grunnleggende er følgende.

Involverer det binomiske teoremet

den binomialformelen
det spesielle tilfellet der a = b = 1
, det spesielle tilfellet der p = a = 1 - b , som for uttrykker summen av den binomiske fordelingen
verdien ved a = b = 1 av derivatet i forhold til a av binomialsetningen
verdien på a = b = 1 av antiderivativet med hensyn til a på binomialsetningen

Involvering av permutasjonstall

I de følgende summeringene er antall k -permutasjoner av n .

, hvor og betegner gulvfunksjonen .

Andre

Harmoniske tall

(som er den n- te harmoniske nummer )
(det er et generalisert harmonisk tall )

Vekstrater

Følgende er nyttige tilnærminger (ved bruk av theta -notasjon ):

for ekte c større enn -1
(Se Harmonisk nummer )
for ekte c større enn 1
for ikke-negative virkelige c
for ikke-negative virkelige c , d
for ikke-negative virkelige b > 1, c , d

Se også

Merknader

Kilder

Eksterne linker

  • Media relatert til Summation på Wikimedia Commons