Sommatoria

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La sommatoria è un simbolo matematico che abbrevia, in una notazione sintetica, la somma di un certo insieme di addendi. La notazione prevede:

  • una lettera sigma maiuscola: \Sigma
  • una lettera speciale chiamata indice della sommatoria (in genere si usano le lettere k, i, j o n minuscole)
  • un'espressione algebrica alla destra della Sigma in cui può comparire l'indice della sommatoria
  • un intervallo di valori (interi) in cui può variare l'indice da indicare sopra e sotto la sigma.

Nel caso più generale possibile abbiamo quindi una scrittura del tipo

\sum_{k=N}^M f(k)

dove N e M sono dei numeri interi, detti rispettivamente limite inferiore della sommatoria e limite superiore della sommatoria. La scrittura si legge "sommatoria per k che va da N a M di f(k)". Con questa notazione si indica la somma di tutti gli addendi che si ottengono sostituendo all'indice k di f(k) tutti i valori interi che vanno dal numero N al numero M compresi.

Esempi[modifica | modifica sorgente]

Se f(k)=k^2

\sum_{k=4}^{10} k^2 = 4^2+5^2+6^2+7^2+8^2+9^2+10^2 = 371.

O ancora, se f(m)=m

\sum_{m=1}^{10} m = 1+2+3+4+5+6+7+8+9+10 = 55.

Sommatorie infinite[modifica | modifica sorgente]

È anche possibile utilizzare questa notazione per somme di un numero infinito di termini; esse sono chiamate serie infinite. Al posto dell'n sopra il simbolo di sommatoria si usa il simbolo di infinito (∞). La somma di una serie siffatta è definita come il limite della somma dei primi n termini, al crescere di n oltre un qualsivoglia valore. In formule,

 \sum_{i=m}^{\infty} x_{i} := \lim_{n\to\infty} \sum_{i=m}^{n} x_{i}.

Si può anche rimpiazzare m con un infinito negativo, e avere

\sum_{i=-\infty}^\infty x_i := \lim_{n\to\infty}\sum_{i=-n}^m x_i + \lim_{n\to\infty}\sum_{i=m+1}^n x_i,

per un intero a scelta m, ammesso che entrambi i limiti esistano.

Altri usi[modifica | modifica sorgente]

È in uso lo stesso simbolo anche per descrivere somme i cui addendi non sono in corrispondenza con i numeri interi, ma soddisfano condizioni più generali, come ad esempio

\sum_{p|n}f(p)

dove la somma si estende a tutti i numeri che dividono un dato numero n,

\sum_{0\le x< 100 \atop x \in \Z} f(x)

la somma di f(x) su tutti gli x interi nell'intervallo specificato,

\sum_{x\in S} f(x)

la somma su tutti gli x appartenenti all'insieme S.

Nella matematica del continuo, l'equivalente della somma è l'integrale, il cui simbolo nasce appunto dalla deformazione del simbolo di sommatoria.

Albert Einstein introdusse per matrici e serie una notazione semplificata che da lui prende nome.

Proprietà della sommatoria[modifica | modifica sorgente]

Proprietà associativa-dissociativa[modifica | modifica sorgente]

Nella notazione di sommatoria vale la seguente uguaglianza:

\sum_{k=N}^M f(k)\pm\sum_{k=N}^M g(k)=\sum_{k=N}^M f(k)\pm g(k)

Si noti che perché l'uguaglianza sia valida, i limiti superiori ed inferiori delle due sommatorie devono essere uguali, altrimenti l'uguaglianza non è valida.

Proprietà distributiva[modifica | modifica sorgente]

Nella notazione di sommatoria vale la seguente uguaglianza:

a \cdot \sum_{k=N}^M f(k)=\sum_{k=N}^M a \cdot f(k)

questo vuol dire che un fattore che si trova all'interno di una sommatoria può essere estratto da essa e, viceversa, un fattore esterno alla sommatoria può essere portato al suo interno.

Dalla dimostrazione si può dedurre che questa proprietà è equivalente alla proprietà distributiva della moltiplicazione rispetto all'addizione. Ovviamente questa proprietà vale anche nel caso in cui un rapporto abbia una sommatoria al numeratore, infatti:

\frac{\sum_{k=N}^M f(k)}{a}=\frac{1}{a}\sum_{k=N}^M f(k)=\sum_{k=N}^M \frac{1}{a}f(k)=\sum_{k=N}^M\frac{f(k)}{a}\Rightarrow \frac{\sum_{k=N}^M f(k)}{a}=\sum_{k=N}^M\frac{f(k)}{a}

Alcune identità in cui compaiono sommatorie[modifica | modifica sorgente]

La formula per la somma di tutti gli interi da m a n è

\sum_{i=m}^{n} i = \frac{(n-m+1)(n+m)}{2}

ad es.

\sum_{i=10}^{15} i = \frac{(15-10+1)(15+10)}{2} = \frac{150}{2} = 75

Quindi in particolare la somma dei primi n interi positivi è

\sum_{i=0}^{n} i = \sum_{i=1}^{n} i = \frac{n(n+1)}{2}

ad es.

\sum_{i=0}^{10} i = \sum_{i=1}^{10} i = \frac{10(10+1)}{2} = \frac{110}{2} = 55

La formula della somma dei primi n quadrati invece è

\sum_{i=0}^{n} i^2 = \sum_{i=1}^{n} i^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}

ad es.

\sum_{i=0}^{5} i^2 = \sum_{i=1}^{5} i^2 = \frac{5(5+1)(2\cdot 5+1)}{6} = \frac{330}{6} = 55
\sum_{i=1}^{5} i^2 = 1^2+2^2+3^2+4^2+5^2 = 55

Da queste formule si può anche ricavare quella relativa alla somma dei primi n cubi.

Una relazione che lega i primi n cubi ai primi n numeri è la seguente:

\sum_{i=1}^{n} i^{3} = \left(\sum_{i=1}^{n} i\right)^{2}
\sum_{i=1}^{3} i^{3} = 1^3+2^3+3^3=36=(1+2+3)^{2}
\sum_{i=1}^n \left( \sum_{k=1}^i k \right)=\frac{n(n+1)(n+2)}{6}

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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