La suma de una secuencia explícita se denota como una sucesión de adiciones. Por ejemplo, la suma de [1, 2, 4, 2] se denota 1 + 2 + 4 + 2 , y da como resultado 9, es decir, 1 + 2 + 4 + 2 = 9 . Como la adición es asociativa y conmutativa , no hay necesidad de paréntesis y el resultado es el mismo independientemente del orden de los sumandos. La suma de una secuencia de un solo elemento da como resultado este elemento en sí mismo. La suma de una secuencia vacía (una secuencia sin elementos), por convención, da como resultado 0.
Muy a menudo, los elementos de una secuencia se definen, a través de un patrón regular, como una función de su lugar en la secuencia. Para patrones simples, la suma de secuencias largas se puede representar con la mayoría de los sumandos reemplazados por elipses. Por ejemplo, la suma de los primeros 100 números naturales se puede escribir como 1 + 2 + 3 + 4 + ⋯ + 99 + 100 . De lo contrario, la suma se denota utilizando la notación Σ, donde es una letra griega mayúscula agrandada sigma . Por ejemplo, la suma de los primeros n números naturales se puede denotar como .
En el caso de sumas largas y sumas de longitud variable (definidas con elipses o notación Σ), es un problema común encontrar expresiones de forma cerrada para el resultado. Por ejemplo, [a]
Aunque dichas fórmulas no siempre existen, se han descubierto muchas fórmulas de suma; algunas de las más comunes y elementales se enumeran en el resto de este artículo.
Notación
Notación sigma-mayúscula
La notación matemática utiliza un símbolo que representa de forma compacta la suma de muchos términos similares: el símbolo de suma , , una forma ampliada de la letra griega mayúscula vertical sigma . [1] Esto se define como
donde i es el índice de la sumatoria ; a i es una variable indexada que representa cada término de la suma; m es el límite inferior de la sumatoria y n es el límite superior de la sumatoria . El " i = m " debajo del símbolo de sumatoria significa que el índice i comienza igual a m . El índice, i , se incrementa en uno para cada término sucesivo, deteniéndose cuando i = n . [b]
Esto se lee como "suma de un i , desde i = m hasta n ".
A continuación se muestra un ejemplo que muestra la suma de cuadrados:
En general, si bien cualquier variable puede usarse como índice de suma (siempre que no haya ninguna ambigüedad), algunas de las más comunes incluyen letras como , [c] , y ; esta última también se usa a menudo para el límite superior de una suma.
Alternativamente, el índice y los límites de la suma a veces se omiten de la definición de suma si el contexto es suficientemente claro. Esto se aplica particularmente cuando el índice va de 1 a n . [2] Por ejemplo, se podría escribir que:
A menudo se utilizan generalizaciones de esta notación, en las que se proporciona una condición lógica arbitraria y se pretende que la suma se realice sobre todos los valores que satisfacen la condición. Por ejemplo:
es una notación alternativa para la suma de todos los números enteros en el rango especificado. De manera similar,
es la suma de todos los elementos del conjunto , y
es la suma de todos los números enteros positivos dividiendo . [d]
También existen formas de generalizar el uso de muchos signos sigma. Por ejemplo,
es lo mismo que
Se utiliza una notación similar para el producto de una secuencia , donde , una forma ampliada de la letra mayúscula griega pi , se utiliza en lugar de
Casos especiales
Es posible sumar menos de 2 números:
Si la suma tiene un sumando , entonces la suma evaluada es .
Si la suma no tiene sumandos, entonces la suma evaluada es cero , porque cero es la identidad de la adición. Esto se conoce como suma vacía .
Estos casos degenerados se suelen utilizar solo cuando la notación de suma arroja un resultado degenerado en un caso especial. Por ejemplo, si en la definición anterior, entonces solo hay un término en la suma; si , entonces no hay ninguno.
Suma algebraica
La frase "suma algebraica" se refiere a una suma de términos que pueden tener signos positivos o negativos. Los términos con signos positivos se suman, mientras que los términos con signos negativos se restan.
Definición formal
La suma puede definirse recursivamente de la siguiente manera:
La fórmula anterior se utiliza más comúnmente para invertir el operador de diferencia , definido por:
donde f es una función definida sobre los números enteros no negativos. Por lo tanto, dada una función f , el problema consiste en calcular la antidiferencia de f , una función tal que . Es decir,
Esta función está definida hasta la adición de una constante, y puede elegirse como [3]
Muchas de estas aproximaciones se pueden obtener mediante la siguiente conexión entre sumas e integrales , que es válida para cualquier función creciente f :
Para las sumas en las que el sumando está dado (o puede interpolarse) por una función integrable del índice, la suma puede interpretarse como una suma de Riemann que aparece en la definición de la integral definida correspondiente. Por lo tanto, se puede esperar que, por ejemplo,
ya que el lado derecho es por definición el límite para el lado izquierdo. Sin embargo, para una suma dada n es fija, y poco se puede decir acerca del error en la aproximación anterior sin suposiciones adicionales sobre f : es claro que para funciones que oscilan fuertemente la suma de Riemann puede estar arbitrariamente lejos de la integral de Riemann.
Existen muchas identidades de suma que involucran coeficientes binomiales (un capítulo entero de Matemáticas Concretas está dedicado sólo a las técnicas básicas). Algunas de las más básicas son las siguientes:
En 1675, Gottfried Wilhelm Leibniz , en una carta a Henry Oldenburg , sugiere el símbolo ∫ para marcar la suma de diferenciales ( latín : calculus summatorius ), de ahí la forma de S. [5] [6] [7] El cambio de nombre de este símbolo a integral surgió más tarde en intercambios con Johann Bernoulli . [7]
En 1772, el uso de Σ y Σ n está atestiguado por Lagrange . [8] [10]
En 1823 se atestigua el uso de la letra S mayúscula como símbolo de suma de series. Este uso aparentemente estaba muy extendido. [8]
En 1829, el símbolo de suma Σ es atestiguado por Fourier y CGJ Jacobi . [8] El uso de Fourier incluye límites inferiores y superiores, por ejemplo: [11] [12]
^ Para una exposición detallada sobre la notación de suma y la aritmética con sumas, véase Graham, Ronald L.; Knuth, Donald E.; Patashnik, Oren (1994). "Capítulo 2: Sumas". Matemáticas concretas: una base para la informática (2.ª ed.). Addison-Wesley Professional. ISBN978-0201558029.
^ en contextos donde no hay posibilidad de confusión con la unidad imaginaria
^ Aunque el nombre de la variable ficticia no importa (por definición), normalmente se usan letras del medio del alfabeto ( hasta ) para denotar números enteros, si existe riesgo de confusión. Por ejemplo, incluso si no debería haber dudas sobre la interpretación, podría resultar ligeramente confuso para muchos matemáticos ver en lugar de en las fórmulas anteriores que involucran .
Referencias
^ Apostol, Tom M. (1967). Cálculo . Vol. 1 (2.ª ed.). Estados Unidos: John Wiley & Sons. pág. 37. ISBN.0-471-00005-1.{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)
^ "Notación de sumatoria". www.columbia.edu . Consultado el 16 de agosto de 2020 .
^ abcd Manual de matemáticas discretas y combinatorias , Kenneth H. Rosen, John G. Michaels, CRC Press, 1999, ISBN 0-8493-0149-1 .
^ ab "Cálculo I - Notación de sumatoria". tutorial.math.lamar.edu . Consultado el 16 de agosto de 2020 .
^ Burton, David M. (2011). La historia de las matemáticas: una introducción (7.ª ed.). McGraw-Hill. pág. 414. ISBN978-0-07-338315-6.
^ Leibniz, Gottfried Wilhelm (1899). Gerhardt, Karl Immanuel (ed.). Der Briefwechsel von Gottfried Wilhelm Leibniz mit Mathematikern. Erster Band. Berlín: Mayer & Müller. pag. 154.