为了理清定积分,我们首先介绍一个标准的数学符号,它用于缩写长的求和公式。这就所谓sigma符号,用希腊字母Σ表示。在希腊字母表中,字母Σ对应于英语字母的S,也就是sum的第一个字母。这可以帮助我们记住这个符号,提示我们是和或加运算。
如果给定一些数a1,a2,…,an,他们的和表示为
∑k=1nak(1)
其中k的变化范围是1到n(即a1,a2,…,an),所有这些数相加得到:
∑k=1nak=a1+a2+⋯+an
在(1)中σ下面是k=1,上面是n,也就说求和项ak从k=1开始终止于k=n。下标k叫做和的索引,也可以用任何其他字母(如i,j)。
∑k=15k3,∑i=15i3,and∑j=15j5
他们都表示同一个和,即13+23+33+43+53=225。
这里再给一些其他的例子:
∑k=13kk2+1∑k=14(−1)k+11k2∑k=1nk∑k=1n2k∑k=1n(2k−1)=112+1+222+1+332+1=112−122+132−142=1+2+⋯+n=2+4+⋯+2n=1+3+⋯+(2n−1)
注意第二个求和公式中的因子(−1)k+1用于产生交替的正负符号+,−,+,−。后三个分别是所有正整数之和,偶数之和,奇数之和。
还有一些来自基本代数的公式:
∑k=1nk∑k=1nk2∑k=1nk3=1+2+⋯+n=n(n+1)2=12+22+⋯+n2=n(n+1)(2n+1)6=13+23+⋯+n3=[n(n+1)2]2(2)(3)(4)
这些公式可以用数学归纳法来证明。然而,得到(2)更简单的方法是按自然顺序写出求和公式,再按相反的顺序写出来:
ss=1+2+⋯+n=n+(n−1)+⋯+1
将等式相加得2s=n(n+1),从而立马得到(2)。
还有一种方法可以来证明(2),这需要知道一个事实,即(k+1)2=k2+2k=1,等价地
(k+1)2−k2=2k+1(5)
如果我们让k取1,2,3,…,n,就得到
22−1232−2242−32⋯(n+1)2−n2=2⋅1+1=2⋅2+1=2⋅3+1=2⋅n+1
将他们相加并消元得
(n+1)2−12=2[∑k=1nk]+n
求出括号里的值即可得到(2):
∑k=1nk=12[(n+1)2−12−n]=12[n2+n]=n(n+1)2