Квант

37

ВЫЧИСЛЕНИЕ СУММ

Вычисление сумм — один из важнейших и интереснейших вопросов математики. Существуют различные методы вычисления сумм. В статье рассказывается о двух из них.

  1. В математике и ее многочисленных приложениях для сокращенной записи суммы употребляется специальный знак. Это Σ — буква греческого алфавита «сигма». Запись суммы посредством знака Σ часто бывают очень удобной. Познакомимся с этим знаком.

Пусть дана сумма вида
a1+a2+⋯+an.a_1 + a_2 + \dots + a_n.
Все слагаемые этой суммы обозначаны одной буквой, для отличия использования индексы. Данную сумму сокращенно можно записать в следующем виде:

∑k=1nak.\sum_{k=1}^{n} a_k.
Читается: «сигма aka_k, kk меняется от 1 до nn». Для такой записи берется «типичное» слагаемое суммы, в нашем случае ak∗a_k^*, перед ним пишется знак Σ и указавются границы изменения kk. Например, запись

∑k=110k\sum_{k=1}^{10} k
означает сумму
1+2+3+4+5+6+7+8+9+10,1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10,
*) aka_k называется общим членом суммы.

а запись
∑k=1n1k(k+1)\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)}

— сумму
11⋅2+12⋅3+⋯+1(n−1)n+1n(n+1)\frac{1}{1 \cdot 2} + \frac{1}{2 \cdot 3} + \dots + \frac{1}{(n-1)n} + \frac{1}{n(n+1)}.

Нетрудно проверить следующие свойства знака Σ:
∑k=1n1=n,∑k=1ncak=c∑k=1nak,\sum_{k=1}^{n} 1 = n, \quad \sum_{k=1}^{n} ca_k = c \sum_{k=1}^{n} a_k,
∑k=1n(ak+bk)=∑k=1nak+∑k=1nbk.\sum_{k=1}^{n} (a_k + b_k) = \sum_{k=1}^{n} a_k + \sum_{k=1}^{n} b_k.

Проверим, к примеру, второе свойство.

По определению
∑k=1ncak=ca1+ca2+⋯+can,\sum_{k=1}^{n} ca_k = ca_1 + ca_2 + \dots + ca_n,

позтому, согласно известному свойству суммы, имеем:
∑k=1ncak=c(a1+a2+⋯+an).\sum_{k=1}^{n} ca_k = c(a_1 + a_2 + \dots + a_n).

Но выражение в скобках есть не что иное, как
∑k=1nak\sum_{k=1}^{n} a_k
и, следовательно,
∑k=1ncak=c∑k=1nak.\sum_{k=1}^{n} ca_k = c \sum_{k=1}^{n} a_k.

38

Аналогичное проверяются остальные два свойства.

  1. Рассмотрим вопрос о вычислении суммы вида

∑k=1nf(k)=f(1)+f(2)+⋯+f(n),\sum_{k=1}^{n} f(k) = f(1) + f(2) + \dots + f(n),

где ff — известная функция целочисленного аргумента, определяная на отрезке [1,n][1, n] натурального ряда.

Эту сумму легко вычислить, если удасссянная тайку функцию FF, определяную на отрезке [1,n+1][1, n+1] натурального ряда, что при всех k,1≤k≤nk, 1 \leq k \leq n, справедливо равенство

f(k)=F(k+1)−F(k).f(k) = F(k+1) - F(k).

В самом деле, полагая в этом равенстве последовательно k=1,2,…,n−1,nk = 1, 2, \dots, n-1, n, получим:

f(1)=F(2)−F(1),f(1) = F(2) - F(1),
f(2)=F(3)−F(2),f(2) = F(3) - F(2),
f(3)=F(4)−F(3),f(3) = F(4) - F(3),

f(n−1)=F(n)−F(n−1),f(n-1) = F(n) - F(n-1),
f(n)=F(n+1)−F(n).f(n) = F(n+1) - F(n).

Складывая эти равенства, приходим к следующей формуле:

∑k=1nf(k)=F(n+1)−F(1).\sum_{k=1}^{n} f(k) = F(n+1) - F(1).

Таким образом, если функция FF найдена, сумма (1) вычисляется элементарно.

Проиллюстрируем формулу (3) геометрической прогрессии.

На рисунке 1 нам нужно найти сумму (1), обозначенную просто через Σ\Sigma, как длину вертикального отрезка. Каждый член вида f(k)f(k) соответствует длине красного отрезка, равной разности длины зеленьх отрезков F(k+1)F(k+1) и F(k)F(k). Очевидно, сумма длины всех красных отрезков равна разности длини первого и последнего из зеленьх отрезков.

Пример 1. Вычислим сумму

11.2+12.3+13.4+⋯+1n(n+1),\frac{1}{1.2} + \frac{1}{2.3} + \frac{1}{3.4} + \dots + \frac{1}{n(n+1)},

то есть

∑k=1n1k(k+1).\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)}.

Здесь

f(k)=1k(k+1),f(k) = \frac{1}{k(k+1)},

и, как нетрудно проверить, ее можно представить в виде следующей разности:

f(k)=1k−1k+1.f(k) = \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}.

Поэтому, если обозначить

F(k)=−1k,F(k) = -\frac{1}{k},

то формула (2) будет выполнена для всех натуральных kk:

f(k)=F(k+1)−F(k).f(k) = F(k+1) - F(k).

Приимена формулу (3), легко получим

∑k=1n1k(k+1)=1−1n+1=nn+1.\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)} = 1 - \frac{1}{n+1} = \frac{n}{n+1}.

Пример 2. Найдем сумму членов следующей геометрической прогрессии:

q,q2,q3,…,qn(q≠1).q, q^2, q^3, \dots, q^n \quad (q \neq 1).

Здесь f(k)=qkf(k) = q^k, и, воспользоваться равенством qk+1−qk=qk(q−1)q^{k+1} - q^k = q^k(q-1), можно написать

qk=qk+1q−1−qkq−1.q^k = \frac{q^{k+1}}{q-1} - \frac{q^k}{q-1}.

Отсюда видно, что можно положить

F(k)=qkq−1,F(k) = \frac{q^k}{q-1},

и, следовательно,

∑k=1nqk=qn+1q−1−qq−1=qn+1−qq−1.\sum_{k=1}^{n} q^k = \frac{q^{n+1}}{q-1} - \frac{q}{q-1} = \frac{q^{n+1}-q}{q-1}.

Получили известную формулу.

39

Пример 3. Вычислим сумму
∑k=1nsin⁡kx(x≠2πn).\sum_{k=1}^{n} \sin kx (x \neq 2\pi n).
Нетрудно проверить, что
sin⁡kx=cos⁡(k−0,5)x−cos⁡(k+0,5)x2sin⁡0,5x,\sin kx = \frac{\cos(k-0,5)x - \cos(k+0,5)x}{2\sin 0,5x},
то есть
sin⁡kx=F(k+1)−F(k),\sin kx = F(k+1) - F(k),
где
F(k)=−cos⁡(k−0,5)x2sin⁡0,5x.F(k) = -\frac{\cos(k-0,5)x}{2\sin 0,5x}.
Тепер на основании формулы (3) после несложных преобразований получим
∑k=1nsin⁡kx=sin⁡0,5(n+1)xsin⁡0,5nx2sin⁡0,5x.\sum_{k=1}^{n} \sin kx = \frac{\sin 0,5(n+1)x \sin 0,5nx}{2\sin 0,5x}.
Читатель сам убедился, что формула (3) дает эффективный способ вычисления суммы (1). Главное — нахождение функции FF. Нередко, к сожалению, это — задача не из легких, а иногда даже незарешимая.
3. Пусть теперь заданы две конечные последовательности чисел
u1,u2,…,un,u_1, u_2, \dots, u_n,
и
v1,v2,…,vnv_1, v_2, \dots, v_n
и требуется вычислить сумму
∑k=1nukvk.\sum_{k=1}^{n} u_k v_k.
Здесь часто бывают полезным одно преобразование, которое было указано замещенным норвежским математиком Абелем. Именно пусть VkV_k — сумма первых kk членов последовательности (4), то есть
Vk=∑i=1kvi=v1+v2+⋯+vk.V_k = \sum_{i=1}^{k} v_i = v_1 + v_2 + \dots + v_k.
Ясно, что v1=V1v_1 = V_1; если же k>1k > 1, то
vh=Vh−Vh−1.v_h = V_h - V_{h-1}.

Позтому
∑k=1nukvk=u1v1+u2v2+⋯+unvn=u1V1+u2(V2−V1)+⋯+un(Vn−Vn−1)\sum_{k=1}^{n} u_k v_k = u_1 v_1 + u_2 v_2 + \dots + u_n v_n = u_1 V_1 + u_2 (V_2 - V_1) + \dots + u_n (V_n - V_{n-1})
Раскрывая скобки и группируя слагаемые по два, получим
∑k=1nukvk=(u1−u2)V1+(u2−u3)V2+⋯+(un−1−un)Vn−1+unVn\sum_{k=1}^{n} u_k v_k = (u_1 - u_2) V_1 + (u_2 - u_3) V_2 + \dots + (u_{n-1} - u_n) V_{n-1} + u_n V_n
или окончательно:
∑k=1nukvk=unVn−∑k=1n−1(uk+1−uk)Vk.\sum_{k=1}^{n} u_k v_k = u_n V_n - \sum_{k=1}^{n-1} (u_{k+1} - u_k) V_k. (5)
Геометрическая интерпретация этого способа дана на рисунке 2. Каждый член вида ukvku_k v_k соответствует площади прямоугольника (зеленого). Члены вида (uk+1−uk)Vn(u_{k+1} - u_k) V_n соответствуют площадям красных прямоугольников. Выражение unVnu_n V_n есть площадь всего прямоугольника. После этого формула (5) становится очень видно.

Пример 4. Вычислим сумму
12+22+⋯+n2.1^2 + 2^2 + \dots + n^2.
Обозначим искому сумму через SS и запишем ее, используя знак Σ\Sigma:
S=∑k=1nk2.S = \sum_{k=1}^{n} k^2.