代數與函數 · 求和符號

求和符號

∑k=mnak\sum_{k=m}^{n} a_k的意思是:讓指標kk依序取mm到nn的整數,分別算出每一項aka_k,再全部相加。

這個視覺化中的求和符號

求和符號用希臘大寫字母Σ\Sigma,把多項的和寫成一個式子。指標kk從Σ\Sigma下方的下限mm開始,每次增加1,直到上方的上限nn。每個指標值都給出一項aka_k;相加的是各項,不是指標的值:

求和符號
∑k=mnak=am+am+1+⋯+an(m≤n)\sum_{k=m}^{n} a_k = a_m + a_{m+1} + \cdots + a_n \qquad (m \le n)

當m≤nm \le n時,共有n−m+1n - m + 1項:上下限兩端都算在內。這與某些程式語言中的range(m, n)不同,後者會在nn之前停止。上下限可以是任意整數,同一個和也寫成∑m≤k≤nak\sum_{m \le k \le n} a_k。

這裡每一項是一根柱子,立在它的指標上方;旁邊的累加圖顯示逐次的總和,每一項各有一支箭頭。可以選擇上下限與項,查看任意一項的指標以及加到這項為止的總和;也可以一次加一項,逐項保留一行計算紀錄。

指標只是代用的名字

指標只在這個和的內部有意義。把Σ\Sigma下方和項裡的名字全部換掉,結果不變:∑k=13k2=∑j=13j2=1+4+9=14\sum_{k=1}^{3} k^2 = \sum_{j=1}^{3} j^2 = 1 + 4 + 9 = 14。因此它稱為虛變數。只改一處會改變式子:在∑j=13k2\sum_{j=1}^{3} k^2中,項不依賴jj,所以總和是3k23k^2。指標的工作是指定有哪些項,因此它完全可以不出現在項裡:當m≤nm \le n時,把一個常數從k=mk = m加到nn,就是把這個常數加n−m+1n - m + 1次,即∑k=mnc=(n−m+1) c\sum_{k=m}^{n} c = (n - m + 1)\,c。

移動一個界限

有項時(m≤nm \le n),把一個界限移動1,總和就恰好增減該端的一項,因為兩端都算在內:提高上限會加入下一項,提高下限會移除第一項。

兩端各有一項
∑k=mn+1ak=∑k=mnak+an+1,∑k=m+1nak=∑k=mnak−am\sum_{k=m}^{n+1} a_k = \sum_{k=m}^{n} a_k + a_{n+1}, \qquad \sum_{k=m+1}^{n} a_k = \sum_{k=m}^{n} a_k - a_m

沒有項的時候

如果上限小於下限,例如∑k=54ak\sum_{k=5}^{4} a_k,指標不取任何值,也就沒有任何項。通常約定這個空和為0:總和從0開始,沒有加上任何東西。這個約定讓相鄰界限的遞推關係從起點就成立;∑k=1nak=∑k=1n−1ak+an\sum_{k=1}^{n} a_k = \sum_{k=1}^{n-1} a_k + a_n在n=1n = 1時仍成立,此時右邊的和沒有任何項。沒有項的和,不同於各項互相抵消:在∑k=16(−1)k=0\sum_{k=1}^{6} (-1)^k = 0中,六項全都存在。

操作

  • 點一根柱子即可查看該項;圖形取得焦點時,左右方向鍵逐項移動,Esc回到整個和。
  • 拖動指標軸下方的mm或nn,可以移動界限。

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