Summation - Summation

I matematik , summation er tilsætning af en sekvens af enhver form for numre , kaldet addends eller summands ; resultatet er deres sum eller total . Udover tal kan andre typer værdier også summeres: funktioner , vektorer , matricer , polynomier og generelt elementer af enhver form for matematiske objekter, hvor en operation betegnet "+" er defineret.

Summationer af uendelige sekvenser kaldes serier . De involverer begrebet grænse og betragtes ikke i denne artikel.

Summationen af ​​en eksplicit sekvens er betegnet som en række tilføjelser. Eksempelvis betegnes summering af [1, 2, 4, 2] 1 + 2 + 4 + 2 og resulterer i 9, det vil sige 1 + 2 + 4 + 2 = 9 . Fordi tilføjelse er associativ og kommutativ , er der ikke behov for parenteser, og resultatet er det samme uanset rækkefølgen af ​​summen. Summation af en sekvens af kun ét element resulterer i dette element selv. Summation af en tom sekvens (en sekvens uden elementer), efter konvention, resulterer i 0.

Meget ofte defineres elementerne i en sekvens gennem et regelmæssigt mønster som en funktion af deres sted i sekvensen. For enkle mønstre kan summering af lange sekvenser repræsenteres med de fleste summands erstattet af ellipser. Eksempelvis kan summering af de første 100 naturlige tal skrives som 1 + 2 + 3 + 4 + ⋯ + 99 + 100 . Ellers betegnes summering ved hjælp af Σ -notation , hvor der er et forstørret græsk stort bogstav sigma . For eksempel kan summen af ​​de første n naturlige tal betegnes som

For lange summeringer og summeringer af variabel længde (defineret med ellipser eller Σ notation) er det et almindeligt problem at finde lukkede udtryk for resultatet. For eksempel,

Selvom sådanne formler ikke altid findes, er der fundet mange summeringsformler - hvor nogle af de mest almindelige og elementære er angivet i resten af ​​denne artikel.

Notation

Capital-sigma notation

Opsummeringssymbolet

Matematisk notation bruger et symbol, der kompakt repræsenterer summation af mange lignende udtryk: den summation symbol , en forstørret form af det opretstående kapital græske bogstav sigma . Dette er defineret som

hvor i er summeringsindekset ; a i er en indekseret variabel, der repræsenterer hvert udtryk i summen; m er den nedre grænse for summering , og n er den øvre grænse for summering . " I = m " under summeringssymbolet betyder, at indekset i starter lig med m . Indekset, i , øges med en for hvert på hinanden følgende udtryk og stopper, når i = n .

Dette læses som "summen af et i , fra i = m til n ".

Her er et eksempel, der viser summeringen af ​​firkanter:

Generelt mens enhver variabel kan anvendes som indeks for summation (forudsat at ingen tvetydighed opstår), nogle af de mest almindelige indbefatter bogstaver såsom , , og ; sidstnævnte bruges også ofte til den øvre grænse for en summering.

Alternativt udelades indeks og summeringsgrænser undertiden fra definitionen af ​​summering, hvis konteksten er tilstrækkelig klar. Dette gælder især, når indekset løber fra 1 til n . For eksempel kan man skrive, at:

Man ser ofte generaliseringer af denne notation, hvori der leveres en vilkårlig logisk betingelse, og summen er beregnet til at blive overtaget af alle værdier, der opfylder betingelsen. For eksempel:

er summen af over alle ( heltal ) i det angivne område,

er summen af over alle elementer i sættet , og

er summen af over alle positive heltal, der deler sig .

Der er også måder at generalisere brugen af ​​mange sigma -tegn. For eksempel,

er det samme som

En lignende notation anvendes, når det kommer til at betegne produktet af en sekvens , der ligner dens summering, men som bruger multiplikationsoperationen i stedet for addition (og giver 1 for en tom sekvens i stedet for 0). Den samme grundstruktur bruges sammen med en forstørret form af det græske store bogstav pi , der erstatter .

Særlige tilfælde

Det er muligt at opsummere færre end 2 tal:

  • Hvis summeringen har et summand , så er den vurderede sum .
  • Hvis summeringen ikke har nogen summands, er den evaluerede sum nul , fordi nul er identiteten for addition. Dette er kendt som den tomme sum .

Disse degenererede tilfælde bruges normalt kun, når summeringsnotationen giver et degenereret resultat i et specielt tilfælde. For eksempel, hvis i definitionen ovenfor, er der kun et udtryk i summen; hvis , så er der ingen.

Formel definition

Summation kan defineres rekursivt som følger:

, for b < a ;
, for ba .

Mål teori notation

I notationen af mål og integrationsteori kan en sum udtrykkes som en bestemt integral ,

hvor er delmængden af heltalene fra til , og hvor er tællemålet .

Beregning af begrænsede forskelle

I betragtning af en funktion f, der er defineret over heltalene i intervallet [ m , n ] , gælder følgende ligning:

Dette er analogen af ​​den grundlæggende sætning i beregning i beregning af begrænsede forskelle , der siger, at:

hvor

er derivatet af f .

Et eksempel på anvendelse af ovenstående ligning er følgende:

Ved hjælp af binomial sætning kan dette omskrives som:

Ovenstående formel bruges mere almindeligt til invertering af differensoperatoren , defineret af:

hvor f er en funktion defineret på de ikke -negative heltal. I betragtning af en sådan funktion f er problemet således at beregne antidifferens af f , en funktion sådan . Det vil sige, at denne funktion er defineret op til tilføjelsen af ​​en konstant, og kan vælges som

Der er ikke altid et lukket formudtryk for en sådan summering, men Faulhabers formel giver en lukket form i det tilfælde, hvor og ved lineæritet for hver polynomfunktion af n .

Tilnærmelse af bestemte integraler

Mange sådanne tilnærmelser kan opnås ved følgende forbindelse mellem summer og integraler , som gælder for enhver stigende funktion f :

og for enhver formindskende funktion f :

For mere generelle tilnærmelser, se formlen Euler – Maclaurin .

For summeringer, hvor summen gives (eller kan interpoleres) af en integrerbar funktion af indekset, kan summeringen tolkes som en Riemann -sum, der forekommer i definitionen af ​​det tilsvarende bestemte integral. Man kan derfor forvente det f.eks

da højre side per definition er grænsen for venstre side. Men for en given summering er n fast, og der kan ikke siges meget om fejlen i ovennævnte tilnærmelse uden yderligere antagelser om f : det er klart, at for vildt oscillerende funktioner kan Riemann -summen være vilkårligt langt fra Riemann -integralet.

Identiteter

Nedenstående formler involverer begrænsede summer; for uendelige summeringer eller endelige summeringer af udtryk, der involverer trigonometriske funktioner eller andre transcendentale funktioner , se liste over matematiske serier .

Generelle identiteter

( distribution )
( kommutativitet og associativitet )
(indeksskift)
for en bijektion σ fra et begrænset sæt A til et sæt B (indeksændring); dette generaliserer den foregående formel.
(opdeling af et beløb ved hjælp af associativitet )
(en variant af den foregående formel)
(summen fra det første udtryk til det sidste er lig med summen fra det sidste ned til det første)
(et bestemt tilfælde af formlen ovenfor)
(kommutativitet og associativitet, igen)
(en anden anvendelse af kommutativitet og associativitet)
(opdeling af en sum i sine ulige og lige dele, for lige indekser)
(opdeling af en sum i sine ulige og lige dele for ulige indekser)
( distribution )
(fordeling muliggør faktorisering)
( logaritmen for et produkt er summen af ​​faktorernes logaritmer)
( eksponentialet for et beløb er produktet af summenes eksponentiale)

Beføjelser og logaritme for aritmetiske fremskridt

for hver c , der ikke afhænger af i
(Summen af ​​den enkleste aritmetiske progression , bestående af de første n naturlige tal.)
(Summen af ​​de første ulige naturlige tal)
(Summen af ​​de første lige naturlige tal)
(En sum af logaritmer er produktets logaritme)
(Summen af ​​de første firkanter , se firkantet pyramidetal .)
( Nicomachos sætning )

Mere generelt har man Faulhabers formel for

hvor betegner et Bernoulli -tal , og er en binomial koefficient .

Summationsindeks i eksponenter

I de følgende summationer, en antages at være forskellig fra 1.

(summen af ​​en geometrisk progression )
(special case for a = 1/2 )
( en gange derivatet med hensyn til a af den geometriske progression)
(summen af ​​en aritmetisk -geometrisk sekvens )

Binomiske koefficienter og faktorier

Der findes meget mange summeringsidentiteter, der involverer binomiske koefficienter (et helt kapitel i betonmatematik er afsat til bare de grundlæggende teknikker). Nogle af de mest basale er følgende.

Involvering af binomial sætning

den binomiale sætning
det særlige tilfælde, hvor a = b = 1
, det særlige tilfælde, hvor p = a = 1 - b , som for udtrykker summen af ​​den binomiske fordeling
værdien ved a = b = 1 for derivatet med hensyn til a af binomial sætningen
værdien ved a = b = 1 af antiderivatet i forhold til a i binomial sætningen

Involvering af permutationstal

I de følgende summeringer er antallet af k -permutationer af n .

, hvor og betegner gulvfunktionen .

Andre

Harmoniske tal

(dvs. den n th harmoniske nummer )
(det er et generaliseret harmonisk tal )

Væksthastigheder

Følgende er nyttige tilnærmelser (ved hjælp af theta -notation ):

for reel c større end -1
(Se Harmonisk nummer )
for reel c større end 1
for ikke-negative reelle c
for ikke-negativ reel c , d
for ikke-negativ reel b > 1, c , d

Se også

Noter

Kilder

eksterne links

  • Medier relateret til Summation på Wikimedia Commons