和 式(sums)

数学求和符号与技巧

数学中处处都有和式,所以我们需要一些基本的工具来处理它们。这一讲要建立一些记号与一般性的技巧时的求和简单易行。

  • 记号 NOTATION
    我们在求 1~n 的和时,通常把它写为 1+2+…+(n-1)+n,公式中的 “…” 告诉我们要完整计算包含的项所确定的模式。当然了,对于 1+7+…+41.7 这样的和式,他没有释疑的上下文,所以他并没有意义。
    我们将研究一般形式的和

    a1+a2+...+ana_1+a_2+...+a_na1+a2+...+an

    其中的每个 aka_kak 表示某种方式定义的一个数。
    和式的每个元素 aka_kak 称之为 (term),有时我们为了更好理解他的意义,通常会把他展开,例如,如果设想

    1+2+...+2n−11+2+...+2^{n-1}1+2+...+2n1

    表示 n 项之和,而不是 n-1 项之和,我们就应该更明确地把它写成

    20+21+...+2n−12^0+2^1+...+2^{n-1}20+21+...+2n1.

    这个 “…” 符号有多种用途,不过他可能含糊不清或有点冗长累赘,所以我们还可以用其他方式,尤其是有界限的表达形式

    ∑i=1nai\sum\limits_{i=1}^na_ii=1nai

    这个符号的含义为 “对i从1到n求和”,∑\sum\limits 后面的量为被加数(summand),i作为被加数的下标。

    我们也可以把一个或多个条件写在 ∑\sum\limits 的下面,依次指定求和所应该指的指标集,所以上面的式子也可以写成

    ∑1≤i≤nai\sum\limits_{1\leq i\leq n}a_i1inai

    一般形式的和允许我们对不限于连续整数的指标求和,例如,我们可以将不超过 100 的所有正奇数的平方和表示为
    ∑1≤i<100,i是奇数i2\sum\limits_{1\leq i< 100,i是奇数}i^21i<100,ii2

    这个和式的有确定界限的等价形式

    ∑i=049(2i+1)2\sum\limits_{i=0}^{49}(2i+1)^2i=049(2i+1)2

    要更加繁琐不便,且不清晰。类似的,1与 N 之间的所有素数的倒数之和为

    ∑p≤N,p是素数\sum\limits_{p\leq N,p是素数}pN,p1p\frac{1}{p}p1

    而有确定界限的形式则需要写成

    ∑k=1π(N)\sum\limits_{k=1}^{π(N)}k=1π(N)1pk\frac{1}{p_k}pk1

    其中 pkp_kpk 表示第 k 个素数,π(N) 是 ≤N\leq NN 的素数因子。这个和式给出了接近 N 的随机整数平均而言有多少个素因子,因为那些整数中大约有 1/p1/p1/p 个可以被 ppp 整除,对于大的 N,它的值近似为 lnlnln lnN+MlnN+MlnN+M,其中

    M≈0.2614972128476427837554268386086958590515666.M \approx 0.2614972128476427837554268386086958590515666.M0.2614972128476427837554268386086958590515666.

    是麦尔腾常数,lnxlnxlnx 表示 x 的自然对数,而 lnlnln lnxlnxlnx表示 ln(lnx)ln(lnx)ln(lnx).

    一般 ∑\sum\limits 符号的最大好处就是比有确定界限的形式更容易处理。例如,假设要将指标变量 k 改变成 k+1。由一般形式我们就有

    ∑i=1nai=∑i=0n−1ai+1\sum\limits_{i=1}^na_i=\sum\limits_{i=0}^{n-1}a_{i+1}i=1nai=i=0n1ai+1
    不容易看出他发生了什么变化,而且更容易犯错误

总结:

当我们需要陈述一个问题或者表述一个结论时,常会使用上下确定界限的 ∑\sum\limits;即 ∑i=1nai\sum\limits_{i=1}^na_ii=1nai
当我们处理一个需要对指标变量做变换的和式时,则更愿意使用在∑\sum\limits 下方列出关系的形式。即∑1≤i≤nai\sum\limits_{1\leq i\leq n}a_i1inai

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