Знак суммы как считать
Перейти к содержимому

Знак суммы как считать

  • автор:

Как легко понять знаки Σ и П с помощью программирования

Вот говорят, что если ты не закончил Физтех, ФПМ или Бауманку, тебе в программировании делать нечего. Почему так говорят? Потому что, дескать, ты не учил сложную математику, а в программировании без неё никуда.

Это всё чушь, конечно. Если вы плохо знаете математику, вы можете быть блестящим разработчиком. Вы вряд ли напишете драйверы для видеокарты, но вы запросто сделаете мобильное приложение или веб-сервис. А это — основные деньги в этой среде.

Но всё же, чтобы получить некоторое интеллектуальное превосходство, вот вам пара примеров из страшного мира математики. Пусть они покажут вам, что не все закорючки в математике — это ад и ужас. Вот две нестрашные закорючки.

Знак Σ — сумма

Когда математикам нужно сложить несколько чисел подряд, они иногда пишут так:

Как легко понять знаки Σ и П с помощью программирования

Σ (читается «сигма») — это знак алгебраической суммы, который означает, что нам нужно сложить все числа от нижнего до верхнего, а перед этим сделать с ними то, что написано после знака Σ.

На картинке выше написано следующее: «посчитать сумму всех чисел от 5 до 15, умноженных на два». То есть:

  1. Взять все числа от 5 до 15 (снизу и сверху знака Σ).
  2. С каждым из этих чисел сделать то, что написано справа от Σ, — то есть умножить на два.
  3. Сложить результаты этих операций.

Давайте для закрепления ещё один пример. На картинке ниже будет сказано «Найди сумму квадратов чисел от 5 до 10». То есть «возьми все числа от 5 до 10, каждое из них возведи в квадрат, а результаты сложи».

Как легко понять знаки Σ и П с помощью программирования

Но мы с вами как программисты видим, что здесь есть повторяющиеся действия: мы много раз складываем числа, которые меняются по одному и тому же правилу. А раз мы знаем это правило и знаем, сколько раз надо его применить, то это легко превратить в цикл. Для наглядности мы показали, какие параметры в Σ за что отвечают в цикле:

Как легко понять знаки Σ и П с помощью программирования

Любите данные? Посмотрите вот это

Любите данные? Посмотрите вот это

Произведение П

С произведением в математике работает точно такое же правило, только мы не складываем все элементы, а перемножаем их друг на друга:

Как легко понять знаки Σ и П с помощью программирования

А если это перевести в цикл, то алгоритм получится почти такой же, что и в сложении:

Как легко понять знаки Σ и П с помощью программирования

Что дальше

Сумма и произведение — простые математические операции, пусть они и обозначаются страшными символами. Впереди нас ждут интегралы, дифференциалы, приращения и бесконечные ряды. С ними тоже всё не так сложно, как кажется на первый взгляд.

Простые и двойные суммы

В математике часто приходится рассматривать суммы большого количества чисел или элементов некоторого множества с операцией сложения в нем, когда слагаемые имеют одинаковый вид и различаются лишь индексами, например суммы вида

Кратко такие суммы записывают следующим образом:

где символ ? — символ суммы: г — индекс суммирования.

Индекс суммирования можно обозначать любой буквой, т.е.

Множитель, не зависящий от индекса суммирования, можно выносить за знак суммы, т.е.

Часто также приходится суммировать слагаемые по двум индексам, каждый из которых независимо пробегает определенные значения. Это приводит к двойным суммам типа

При действиях с двойными суммами можно изменять порядок суммирования, т.е.

Отмеченное правило распространяется на случай суммирования по любому конечному числу индексов.

Перестановки и подстановки

Пусть дано конечное множество М, состоящее из п элементов. Элементы этого множества можно перенумеровать натуральными числами 1, 2, п. Поскольку нас не будут интересовать свойства элементов множества, то можно принять, что элементами множества М являются сами эти числа. Всякое расположение чисел 1, 2, . п в определенном порядке называют перестановкой из п чисел (или из п символов). В общем случае перестановку из п символов записывают в виде i . in, где каждое число is, s = 1, 2. п, есть одно из чисел 1, 2, . п и ни одно из этих чисел не повторяется.

Теорема 1.1. Общее количество различных перестановок из п символов равно n! = 1 • 2 • 3 •. • п.

> Действительно, в перестановке ii2—in за i можно принять любое из чисел 1, 2, . п. Таких возможностей всего п. При выбранном значении i за г 2 можно принять одно из п — 1 не совпадающих с i чисел. Значит, различных возможностей выбора пары символов i и %2 существует п(п — 1). Продолжая подсчет вариантов, через п шагов получим общее количество перестановок, равное п-(п —1)-. -3-2-1 = п. ?

Говорят, что числа г и j, стоящие в перестановке, составляют инверсию, или беспорядок, если i > j, в то время как i в этой перестановке стоит раньше (левее) числа j. Так, в перестановке 2 15 4 3 числа 2 и 1, 5 и 4, 4 и 3, 5 и 3 составляют инверсии.

Перестановку называют четной, если число всех инверсий в ней четно, и нечетной, если число всех инверсий в ней нечетно.

Подсчет числа инверсий в перестановке удобно проводить следующим образом. Сначала подсчитывают, сколько чисел в перестановке, больших единицы, стоит левее единицы. Затем подсчитывают, сколько чисел, больших двух, стоит левее двойки и т.д. Пусть левее единицы стоит к чисел, больших единицы, левее двух — чисел, больших двух и т.д. Наконец, пусть левее числа п — 1 стоит кп чисел, больших п — 1. Тогда общее число инверсий в перестановке будет равно

Так, при подсчете числа инверсий в перестановке 3 2 1 5 4 получим: к = 2, к2 = 1, к’з = 0, = 1. Поэтому общее число инверсий в этой

перестановке равно 2 + 1 + 0+1 = 4, а перестановка является четной.

Перемену местами каких-либо двух символов в перестановке (не обязательно соседних) называют транспозицией этих символов. Транспозицию символов г и j в перестановке обозначают через (i,j). Транспозиция в перестановке из п символов приводит к другой перестановке из тех же символов. При помощи последовательности транспозиций можно перейти от одной перестановки из п символов к любой другой перестановке из тех же символов.

Теорема 1.2. Всякая транспозиция меняет четность перестановки.

О Рассмотрим случай транспозиции рядом стоящих символов г и j, т.е. случай транспозиции этих символов в перестановке вида Aij В, где А — группа символов, стоящих в перестановке слева от символа г, а В — группа символов, стоящих в перестановке справа от символа

j. Транспозиция (г, j) переводит данную перестановку в перестановку Aj iB. В обеих перестановках символ г составляет одни и те же инверсии с символами из групп А и В. То же самое справедливо и для символа j. Если в данной перестановке символы г и j не составляли инверсии, то в новой перестановке появится одна новая инверсия, т.е. число инверсий увеличится на единицу. Если же символы г и j в данной перестановке составляли инверсию, то в новой перестановке она пропадет, т.е. число инверсий уменьшится на единицу. В обоих случаях четность перестановки меняется.

Теперь рассмотрим общий случай, когда символы г и j в перестановке разделены группой из s символов (s > 0). Здесь перестановка имеет вид:

После транспозиции (г, j) эта перестановка примет вид:

Такое преобразование можно рассматривать как последовательность транспозиций, сперва символа г с символами ki, k,2, . ks, j, a затем символа j с символами ks, . ki, поэтому рассматриваемая транспозиция эквивалентна последовательности из 2 s + 1 транспозиций стоящих рядом символов. При этом четность перестановки будет меняться нечетное число 2 s + 1 раз, т.е. данная и полученная перестановки имеют разную четность. ?

Теорема 1.3. Число четных перестановок из п символов при п > 2 равно числу нечетных перестановок из п символов и составляет п!/2.

math serfer .narod.ru

В математике для записи сумм, содержащих много слагаемых, или в случае, когда число слагаемых обозначено буквой, применяется следующая запись:

которая расшифровывается так

( 14 .1)

где — функция целочисленного аргумента. Здесь символ (большая греческая буква «сигма») означает суммирование. Запись внизу символа суммирования показывает, что переменная, которая меняет свои значения от слагаемого к слагаемому, обозначена буквой и что начальное значение этой переменной равно . Запись вверху обозначает последнее значение, которое принимает переменная .

Пример 14 . 2 Вычислим несколько сумм:

1) .

2) . Так как в правой части стоит сумма геометрической прогрессии с первым членом равным и знаменателем прогрессии равным , то эту сумму легко найти

3) .

4) .

5) .

В курсе линейной алгебры чаще всего будут встречаться суммы вида . Здесь переменная с индексом рассматривается как функция от своего индекса. Поэтому

С помощью знака суммы формулу (10.1) скалярного произведения векторов можно записать так:

( 14 .2)

где для трехмерного пространства , для плоскости .

Для единообразия будем считать, что

и говорить, что это сумма, содержащая одно слагаемое.

Замечание 14 . 1 Буква, стоящая внизу под знаком суммы (индекс суммирования), не влияет на результат суммирования. Важно лишь, как от этого индекса зависит суммируемая величина. Например,

в правой части никакой буквы нет, значит, и результат от не зависит.

Предложение 14 . 1 Множитель, не зависящий от индекса суммирования, может быть вынесен за знак суммы:

Доказательство этого предложения предоставляется читателю.

Предложение 14 . 2

( 14 .3)

Это предложение является частным случаем следующего утверждения.

( 14 .4)

Раскроем скобки в правой части этого равенства. Получим сумму элементов при всех допустимых значениях индексов суммирования. Слагаемые сгруппируем по-другому, а именно, сначала соберем все слагаемые, у которых первый индекс равен 1, потом, у которых первый индекс равен 2 и т.д. Получим

Заменив в этом равенстве в левой части его выражением через знаки суммирования, получим формулу (14.4).

Замечание 14 . 2 Двойные суммы из равенства (14.4) можно записывать и без использования скобок

Нужно помнить, что двойная сумма означает сумму элементов для всех допустимых значений индексов суммирования. По этой же причине, если встречается запись, содержащая подряд три или более символов суммирования, то порядок расстановки этих символов можно менять произвольно.

Если границы изменения всех индексов суммирования одинаковы, то можно для суммирования по нескольким индексам использовать запись вида

Иногда под символом суммы указывают дополнительные условия, налагаемые на индексы суммирования. Так запись

означает, что в сумму не включаются величины , . , то есть с равными индексами.

Иногда в записи суммы не указываются границы изменения индексов, например,

Такая запись используется, когда значения, которые могут принимать индексы, очевидны из предыдущего текста или будут оговорены сразу после окончания формулы.

Математика, вышка, высшая математика, математика онлайн, вышка онлайн, онлайн математика, онлайн решение математики, ход решения, процес решения, решение, задачи, задачи по математике, математические задачи, решение математики онлайн, решение математики online, online решение математики, решение высшей математики, решение высшей математики онлайн, матрицы, решение матриц онлайн, векторная алгебра онлайн, решение векторов онлайн, система линейных уравнений, метод Крамера, метод Гаусса, метод обратной матрицы, уравнения, системы уравнений, производные, пределы, интегралы, функция, неопределенный интеграл, определенный интеграл, решение интегралов, вычисление интегралов, решение производных, интегралы онлайн, производные онлайн, пределы онлайн, предел функции, предел последовательности, высшие производные, производная неявной функции

Как найти сумму ряда?

Рассмотрим небольшую задачу, которая обычно предлагается в самом начале практической работы по теме. И такая привилегия не случайна. Для решения типового примера на нахождение суммы ряда не требуется тяжёлый багаж признаков сравнения, признаков Даламбера, Коши и т.д. – достаточно самых минимальных знаний о числовых рядах. Необходимо понимать, что такое ряд , уметь расписывать его подробно и не округлять глаза после словосочетаний «ряд сходится», «ряд расходится», «сумма ряда». Поэтому, если ваше настроение совсем на нуле, пожалуйста, уделите 5-10 минут статье Ряды для чайников (буквально первые 2-3 страницы), а потом возвращайтесь сюда и смело начинайте решать примеры!

Следует отметить, что в большинстве случаев найти сумму ряда непросто, и этот вопрос обычно решается через функциональные ряды (доживём-доживём:)). Так, например, сумма популярного артиста выводится через ряды Фурье. В этой связи на практике почти всегда требуется установить сам факт сходимости, но не найти конкретное число (многие, думаю, уже успели это заметить). Однако среди великого множества числовых рядов есть немногочисленные представители, которые позволяют без особых проблем прикоснуться к святая святых даже полному чайнику. И на вводном уроке я приводил пример бесконечно убывающей геометрической прогрессии , сумма которой легко рассчитывается по известной школьной формуле.

В данной статье мы продолжим рассматривать похожие примеры, кроме того, узнаем строгое определение суммы и попутно познакомимся с некоторыми свойствами рядов. Разомнёмся… да прямо на прогрессиях и разомнёмся:

Найти сумму ряда

Решение: представим наш ряд в виде суммы двух рядов:

Почему в данном случае так можно сделать? Выполненные действия основаны на двух простейших утверждениях:

1) Если сходятся ряды , то будут сходиться и ряды, составленные из сумм или разностей соответствующих членов: . При этом существенно то обстоятельство, что речь идёт о сходящихся рядах. В нашём примере мы заранее знаем, что обе геометрические прогрессии сойдутся, а значит, без всяких сомнений раскладываем исходный ряд в два ряда.

2) Второе свойство ещё очевиднее. Константу можно вынести за пределы ряда: , и это не повлияет на его сходимость или расходимость и итоговую сумму. Зачем выносить константу? Да просто чтобы она «не мешалась под ногами». Но иногда бывает выгодно этого и не делать

Чистовое оформление примера выглядит примерно так:

Дважды используем формулу для нахождения суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии: , где – первый член прогрессии, – основание прогрессии.

Ответ: сумма ряда

Начало решения можно оформить несколько в другом стиле – расписать ряд напрямую и перегруппировать его члены:

Дальше по накатанной.

Найти сумму ряда

Это пример для самостоятельного решения. Полное решение и ответ в конце урока.

Каких-либо особых изысков здесь нет, но однажды мне попался необычный ряд , который может застать врасплох неискушенного человека. Это… тоже бесконечно убывающая геометрическая прогрессия! Действительно, , и сумма рассчитывается буквально за пару мгновений: .

А сейчас живительный глоток математического анализа, необходимый для решения дальнейших задач:

Что такое сумма ряда?

Строгое определение сходимости/расходимости и суммы ряда в теории даётся через так называемые частичные суммы ряда. Частичные – значит неполные. Распишем частичные суммы числового ряда :

И особую роль играет частичная сумма «эн» членов ряда:

Если предел частичных сумм числового ряда равен конечному числу: , то такой ряд называют сходящимся, а само число – суммой ряда. Если же предел бесконечен либо его не существует, то ряд называют расходящимся.

Вернёмся к демонстрационному ряду и распишем его частичные суммы:

Предел частичных сумм – есть в точности бесконечно убывающая геометрическая прогрессия, сумма которой равна: . Похожий предел мы рассматривали на уроке о числовых последовательностях. Собственно, и сама формула – это прямое следствие вышеизложенных теоретических выкладок (см. 2-ой том матана).

Таким образом, прорисовывается общий алгоритм решения нашей задачи: необходимо составить энную частичную сумму ряда и найти предел . Посмотрим, как это осуществляется на практике:

Вычислить сумму ряда

Решение: на первом шаге нужно разложить общий член ряда в сумму дробей. Используем метод неопределённых коэффициентов:

Сразу же полезно провести обратное действие, выполнив тем самым проверку:

Получен общий член ряда в исходном виде, следовательно, разложение в сумму дробей проведено успешно.

Теперь составим частичную сумму ряда . Вообще это делается устно, но один раз я максимально подробно распишу, что откуда взялось:

Как записать совершенно понятно, но чему равен предыдущий член ? В общий член ряда ВМЕСТО «эн» подставляем :

Частичная сумма ряда

Почти все слагаемые частичной суммы благополучно взаимоуничтожаются:

Прямо такие пометки и делаем карандашом в тетради. Чертовски удобно.

Осталось вычислить элементарный предел и узнать сумму ряда:

Ответ:

Аналогичный ряд для самостоятельного решения:

Вычислить сумму ряда

Примерный образец чистового оформления решения в конце урока.

Очевидно, что нахождение суммы ряда – это само по себе доказательство его сходимости (помимо признаков сравнения, Даламбера, Коши и др.), о чём, в частности, намекает формулировка следующего задания:

Найти сумму ряда или установить его расходимость

По внешнему виду общего члена можно сразу сказать, как ведёт себя этот товарищ. Без комплексов. С помощью предельного признака сравнения легко выяснить (причём даже устно), что данный ряд будет сходиться вместе с рядом . Но перед нами редкий случай, когда без особых хлопот рассчитывается ещё и сумма.

Решение: разложим знаменатель дроби в произведение. Для этого нужно решить квадратное уравнение:

Множители лучше расположить в порядке возрастания: .

Выполним промежуточную проверку:

Таким образом, общий член ряда:

Коэффициенты получились целые и это радует:

На всякий случай выполним ещё одну промежуточную проверку:

Поэтапные проверки – королевы зачётов 😉

При нахождении частичной суммы целесообразно делать пометки карандашом

Составим энную частичную сумму и уничтожим всё, что можно уничтожить:

Как видите, в этот раз противоположные числа не расположены рядышком. Поэтому на практике всегда лучше перестраховаться и записать побольше членов ряда – чтобы наверняка понять, какие слагаемые исчезнут, а какие – нет. По той же причине крайне желательно выполнять пометки карандашом.

Опыт показывает, что чаще всего студенты испытывают затруднения с хвостом суммы. В этой связи ещё раз повторим принцип, по которому записаны члены . Отчего ж не повторить?

В общий член ряда :
– ВМЕСТО «эн» подставляем : ;
– ВМЕСТО «эн» подставляем : ;
– ВМЕСТО «эн» подставляем : .

На завершающем этапе находим сумму ряда:

Ответ:

Изящный ряд для самостоятельного решения:

Найти сумму ряда или установить его расходимость

Решение и ответ в конце урока.

Вероятно, на этом рубеже у многих посетителей возникла уверенность в своих навыках и желание раствориться на просторах Интернета. Рекомендую немного задержаться, поскольку ниже по течению среди, казалось бы, такого однообразия приветливо моргают глазами большие крокодилы.

Усложняем задание и набиваем руку:

Вычислить сумму ряда

Решение: со знаменателем тут никаких проблем:

Множители, как я уже отмечал, целесообразно расположить в порядке возрастания.

Здесь на последних шагах проведено почленное сложение двух уравнений системы.

Что и требовалось проверить.

Запишем частичную сумму «эн» членов ряда, при этом обращаем внимание на тот факт, что «счётчик» ряда «начинает работать» с номера . Как и в предыдущих примерах, надёжнее растянуть кобру на приличную длину:

Члены частичной суммы удобно располагать друг под другом

Однако если мы запишем в одну-две строчки, то всё равно будет довольно трудно сориентироваться в слагаемых (их таки 3 в каждом члене). И здесь нам на помощь придёт… геометрия. Заставим плясать змею под свою дудочку:

Да, прямо так и пишем в тетради один член под другим и прямо так их вычёркиваем. Кстати, собственное изобретение. Как понимаете, не от самого лёгкого задания в этой жизни =)

В результате зачистки получаем:

И, наконец, сумма ряда:

Ответ:

Вычислить сумму ряда

Это пример для самостоятельного решения.

Рассматриваемая задача, конечно, не радует нас разнообразием – на практике встречается либо бесконечно убывающая геометрическая прогрессия, либо ряд с дробно-рациональным общим членом и разложимым многочленом в знаменателе (к слову, далеко не каждый такой многочлен даёт возможность найти сумму ряда). Но, тем не менее, иногда попадаются необычные экземпляры, и по сложившейся доброй традиции я завершаю урок какой-нибудь любопытной задачей:

Вычислить сумму ряда, если она существует

Решение: формулировка уже интригует. Интересен тот факт, что все члены данного ряда отрицательны. Почему? На интервале логарифм меньше нуля, а за счёт аргумента при любом натуральном «эн» (начиная с ) мы каждый раз и попадаем в этот интервал.

Таким образом, если ряд сходится, то будет отрицательна и его сумма. Только вот есть мааааленькая проблемка – найти это значение, если оно существует =)

Алгоритм такой же, главное, догадаться, с какой стороны подступиться к решению. Предыдущий опыт подсказывает, что нужно попытаться представить общий член ряда в виде суммы двух или бОльшего количества слагаемых. Из этих соображений преобразуем выражение в скобках и используем свойства логарифма:

Слагаемые частичной суммы располагаются в геометрически правильном порядке

Ну что же, выглядит вполне перспективно, давайте разберёмся с частичной суммой ряда:

В целях устранения неопределённости вновь используем свойство логарифма:

Получено конечное число, а значит, ряд сходится. Как и ожидалось, сумма получилась отрицательной.

Ответ:

Поздравляю со знаменательным событием! Коль скоро вы читаете эти строки, то сегодня на вашу долю выпал редкий и счастливый случай – когда в частичной сумме ряда удалось массово ликвидировать слагаемые. Удалось же? =)

Не каждый день бывает! Но то ли ещё будет 😉

Решения и ответы:

Пример 2: Решение:

Дважды используем формулу для нахождения суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии: .
Для первого ряда: , для второго ряда: .

Ответ: сумма ряда

Пример 4: Решение: Методом неопределенных коэффициентов разложим общий член ряда в сумму дробей:

Таким образом:

Найдём частичную сумму ряда:

Вычислим сумму ряда:

Ответ:

Пример 6: Решение: разложим знаменатель общего члена в произведение и методом неопределённых коэффициентов получим сумму дробей:

Таким образом:
Составим частичную сумму и проведём упрощения:

Вычислим сумму ряда:

Ответ:

Пример 8: Решение: представим общий член ряда в виде:

Методом неопределённых коэффициентов разложим его в сумму дробей:

Таким образом:
Запишем частичную сумму:

Вычислим сумму ряда:

Ответ:

Автор: Емелин Александр

Блог Емелина Александра

(Переход на главную страницу)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *