수열의 합

수열의 합
참고문헌

수열의 합

다음과 같은 수열 $\{ a_n \}$ 이 있다고 하자.

{a_{n}} = a_{m}, a_{m + 1}, a_{m + 2}, . . ., a_{n}

$\{ a_n \} = a_m, a_{m+1}, a_{m+2}, ..., a_n$

이 수열 $\{ a_n \}$ 의 모든 항의 sum을 다음과 같이 표기한다.

n \sum i = m a_{i} = a_{m} + a_{m + 1} + a_{m + 2} . . . + a_{n - 1} + a_{n}

$\sum_{i=m}^n a_i = a_m + a_{m+1} + a_{m+2} ... + a_{n-1} + a_{n}$

다음과 같이 범위를 사용해 표기하기도 한다.

\sum m \leq i \leq n a_{i} = a_{m} + a_{m + 1} + a_{m + 2} . . . + a_{n - 1} + a_{n}

$\sum_\color{red}{ m ≤ i ≤ n } a_i = a_m + a_{m+1} + a_{m+2} ... + a_{n-1} + a_{n}$

이것을 " $a_i$ 의 $i = m$ 부터 $n$ 까지의 합"이라 읽는다.

JavaScript 로 따지면 그냥 m 번 인덱스부터 n 번 인덱스까지 더하라는 뜻이다.

let sum = 0;
for (let i = m; i <= n; i++) {
    sum += a[i];
}

등비수열의 합

$a, r$ 이 실수이고, $r \ne 0$ 일 때

n \sum j = 0 a r^{j} = {\begin{matrix} \frac{a r^{n + 1} - a}{r - 1} & if r \neq 1 (n + 1) \times a & if r = 1 \end{matrix}

$\sum_{j=0}^n ar^j = \begin{cases} { ar^{n+1} - a \over r-1 } & \text{ if $ r \ne 1$ } \\ (n + 1) \times a & \text{ if $ r = 1 $ } \\ \end{cases}$

증명

\begin{matrix} S_{n} & = \sum_{j = 0}^{n} a r^{j} r S_{n} & = r \times \sum_{j = 0}^{n} a r^{j}^{(a)} = \sum_{j = 0}^{n} a r^{(j + 1)} = \sum_{j = 0}^{n} a r^{k}^{(b)} = \sum_{k = 1}^{n + 1} a r^{k} = (\sum_{k = 0}^{n + 1} a r^{k}) - a r^{0} = (\sum_{k = 0}^{n + 1} a r^{k}) - a = (\sum_{k = 0}^{n} a r^{k}) - a + a r^{n + 1} = S_{n} - a + a r^{n + 1} r S_{n} - S_{n} & = - a + a r^{n + 1} S_{n} (r - 1) & = - a + a r^{n + 1} S_{n} & = \frac{- a + a r^{n + 1}}{r - 1} (단, r \neq 1) \end{matrix}

$\begin{array}{rlll} S_n & = \sum_{j=0}^n ar^j \\ rS_n & = r \times \sum_{j=0}^n ar^{j} \ ^\color{red}{(a)} \\ & = \sum_{j=0}^n ar^{(j+1)} \\ & = \sum_{j=0}^n ar^{k} \ ^\color{red}{(b)} \\ & = \sum_{k=1}^{n+1} ar^{k} \\ & = \left( \sum_{ \color{red}{k=0}}^{n+1} ar^{k} \right) - ar^0 \\ & = \left( \sum_{k=0}^{n+1} ar^{k} \right) - a \\ & = \left( \sum_{k=0}^{\color{red}n} ar^{k} \right) - a + ar^{n+1} \\ & = S_n - a + ar^{n+1} \\ rS_n - S_n & = - a + ar^{n+1} \\ S_n ( r - 1 ) & = - a + ar^{n+1} \\ S_n & = { - a + ar^{n+1} \over r - 1} \ \text{ (단, $ r \ne 1 $) }\\ \end{array}$

(a) 양 변에 $r$ 을 곱한다.
(b) $j+1$ 이 성가시므로 $k=j+1$ 이라 하자.

이중합

4 \sum i = 1 3 \sum j = 1 i j

$\sum_{i=1}^4 \sum_{j=1}^3 ij$

$\sum$ 이 두 개 나왔다고 당황할 필요는 없다.

위의 식은 다음 코드와 똑같다.

let sum = 0;
for (let i = 1; i <= 4; i++) {
    for (let j = 1; j <= 3; j++) {
        sum += i * j;
    }
}

유명한 공식들

적당히 외워두자.

\begin{matrix} \sum_{k = 0}^{n} a r^{k} & = \frac{a r^{n + 1} - a}{r - 1} 단, r \neq 1 \sum_{k = 1}^{n} k & = \frac{n (n + 1)}{2} \sum_{k = 1}^{n} k^{2} & = \frac{n (n + 1) (2 n + 1)}{6} \sum_{k = 1}^{n} k^{3} & = \frac{n^{2} (n + 1)^{2}}{4} \end{matrix}

$\begin{array}{rl} \sum_{k=0}^n ar^k & = { ar^{n+1} - a \over r-1 } \quad \text{ 단, } r \ne 1 \\ \sum_{k=1}^n k & = { n(n+1) \over 2 } \\ \sum_{k=1}^n k^2 & = { n(n+1)(2n+1) \over 6 } \\ \sum_{k=1}^n k^3 & = { n^2 (n+1)^2 \over 4 } \\ \end{array}$

다음은 $\lvert x \rvert < 1$ 일 때 성립한다.

$\begin{array}{rl} \sum_{k=0}^\infty x^k & = \frac{1}{1-x} \\ \sum_{k=1}^\infty k x^{k-1} & = \frac{1}{ (1-x)^2 } \\ \end{array}$

참고문헌

Rosen의 이산수학 / Kenneth H. Rosen 저 / 공은배 등저 / 한국맥그로힐(McGraw-Hill KOREA) / 2017년 01월 06일