数论基础

发布时间 2023-06-04 22:01:59作者: TKXZ133

求和符号的定义

为了简化形如 \(a_1+a_2+...+a_n\) 这样求 \(n\) 个数的和的表述,引入求和符号 \(\sum\),将上式重表述为 \(\sum\limits_{i=1}^na_i\)

其中,\(i\) 被称为指标变量,取值为从 \(1\)\(n\) 的整数,\(a_i\) 为关于 \(i\) 的函数。

求和符号的性质

定理1:

\(\sum\limits_{i=1}^na_i=\sum\limits_{i=1}^ma_i+\sum\limits_{i=m+1}^na_i\)

其中 \(1\le m<n\),此定理由加法的结合律易证。

定理2:

\(\sum\limits_{i=1}^n(a_i+b_i)=\sum\limits_{i=1}^na_i+\sum\limits_{i=1}^nb_i\)

由加法的结合律和交换律易证,此定理可以扩展到多项的情况。

定理3:

\(\sum\limits_{i=1}^nCa_i=C\sum\limits_{i=1}^na_i\)

其中 \(C\) 为任意常数,此定理由乘法对加法的分配律易证。

多重求和

\(f(i,j)\) 为一个关于 \(i,j\) 的二元函数,那么可以记 \(\sum\limits_{i=1}^n(\sum\limits_{j=1}^mf(i,j))=\sum\limits_{i=1}^n\sum\limits_{j=1}^mf(i,j)\),其中 \(\sum\limits_{i=1}\sum\limits_{j=1}^m\) 是一个整体,称为双重求和符号。

类似的,可以定义多重求和符号。

在多重求和中,求和顺序可以任意改变,例 \(\sum\limits_{i=1}^n\sum\limits_{j=1}^mf(i,j)=\sum\limits_{j=1}^m\sum\limits_{i=1}^nf(i,j)\)

求和符号的其他简记

我们将 \(\sum\limits_{i=1}^{\infty}[P]a_i\) 简记为 \(\sum\limits_{P}a_i\),其中,\(P\) 是一个关于 \(i\) 的命题,\(a_i\) 是关于 \(i\) 的函数,\([]\) 表示艾佛森括号,当其中的命题为真时其值为 \(1\),否则为 \(0\)。此简记常用于集合表示,整除表示,范围表示,方程解的表示,双求和及多求和的表示,轮换求和和对称求和等。

例:\(\sum\limits_{i\in P}i\)\(\sum\limits_{i|n}i\)\(\sum\limits_{1\le i\le n}i\)\(\sum\limits_{x+y=n}1\)\(\sum\limits_{1\le i\le j\le n}\)\(\sum\limits_{cyc}x^2y\) 等。