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, il sigma maiuscolo: ${\displaystyle \sum }$
• una lettera chiamata indice della sommatoria (spesso si usano le lettere ${\displaystyle k}$, ${\displaystyle i}$, ${\displaystyle j}$ o ${\displaystyle n}$ minuscole)
• un'espressione algebrica alla destra del 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 il sigma.

Nel caso più generale possibile abbiamo quindi una scrittura del tipo

${\displaystyle \sum _{k=m}^{n}f(k),}$

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

${\displaystyle \sum _{k=m}^{n}f(k)=f(m)+f(m+1)+f(m+2)+\ldots +f(n-1)+f(n).}$

Se ${\displaystyle f(k)=0}$

${\displaystyle \sum _{k=1}^{3}0=0+0+0=0.}$

Se ${\displaystyle f(k)=1}$

${\displaystyle \sum _{k=0}^{5}1=1+1+1+1+1+1=6.}$

Se ${\displaystyle f(k)=k^{2}}$

${\displaystyle \sum _{k=4}^{10}k^{2}=4^{2}+5^{2}+6^{2}+7^{2}+8^{2}+9^{2}+10^{2}=371.}$

Oppure se ${\displaystyle f(m)=m}$

${\displaystyle \sum _{m=1}^{10}m=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10=55.}$

Lo stesso argomento in dettaglio: Serie (matematica).

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

${\displaystyle \sum _{i=m}^{\infty }x_{i}:=\lim _{n\to \infty }\sum _{i=m}^{n}x_{i}.}$

Si può anche rimpiazzare ${\displaystyle m}$ con un infinito negativo, e avere

${\displaystyle \sum _{i=-\infty }^{\infty }x_{i}:=\lim _{n\to \infty }\sum _{i=-n}^{m}x_{i}+\lim _{n\to \infty }\sum _{i=m+1}^{n}x_{i},}$

per un intero a scelta ${\displaystyle m}$, ammesso che entrambi i limiti esistano.

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

${\displaystyle \sum _{d|n}f(d),}$

dove la somma si estende a tutti i numeri che dividono un dato numero ${\displaystyle n}$,

${\displaystyle \sum _{0\leq x<100 \atop x\in \mathbb {Z} }f(x)}$

la somma di ${\displaystyle f(x)}$ su tutti gli ${\displaystyle x}$ interi nell'intervallo specificato,

${\displaystyle \sum _{x\in S}f(x)}$

la somma su tutti gli ${\displaystyle x}$ appartenenti all'insieme ${\displaystyle S}$.

Nella matematica del continuo, l'equivalente della somma è l'integrale, il cui simbolo nasce appunto dalla deformazione del simbolo di sommatoria^{[senza fonte]}.

Per sommatorie coinvolgenti vettori, matrici e tensori, Albert Einstein introdusse una notazione semplificata che da lui prende nome.

Nella notazione di sommatoria vale la seguente uguaglianza:

${\displaystyle \sum _{k=N}^{M}f(k)\pm \sum _{k=N}^{M}g(k)=\sum _{k=N}^{M}f(k)\pm g(k).}$

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.

Nella notazione di sommatoria vale la seguente uguaglianza:

${\displaystyle a\cdot \sum _{k=N}^{M}f(k)=\sum _{k=N}^{M}a\cdot f(k),}$

questo vuol dire che un fattore indipendente dall'indice 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:

${\displaystyle {\frac {\sum _{k=N}^{M}f(k)}{a}}={\frac {1}{a}}\sum _{k=N}^{M}f(k)=\sum _{k=N}^{M}{\frac {1}{a}}f(k)=\sum _{k=N}^{M}{\frac {f(k)}{a}}\Rightarrow {\frac {\sum _{k=N}^{M}f(k)}{a}}=\sum _{k=N}^{M}{\frac {f(k)}{a}}.}$

Scomposizione:

${\displaystyle \sum _{k=1}^{n+m}a_{k}=\sum _{k=1}^{n}a_{k}+\sum _{k=n+1}^{n+m}a_{k}.}$

Traslazione di indici:

${\displaystyle \sum _{k=1}^{n}a_{k}=\sum _{k=1+m}^{n+m}a_{k-m}.}$

Nel caso in cui il termine della sommatoria sia un polinomio la traslazione dei limiti superiore e inferiore può essere fatta alterando opportunamente i soli termini dipendenti dall'indice:

${\displaystyle \sum _{x=B+1}^{C}3x^{2}-3x+1=\sum _{x=1}^{C-B}3(x+B)^{2}-3(x+B)+1.}$

Riflessione di indici:

${\displaystyle \sum _{k=1}^{n}a_{k}=\sum _{k=1}^{n}a_{n-k+1}=\sum _{k=0}^{n-1}a_{n-k}}$. Più in generale abbiamo (quando ${\displaystyle n>m}$): ${\displaystyle \sum _{k=m}^{n}a_{k}=\sum _{k=m}^{n}a_{n-k+m}.}$

La formula per la somma di tutti gli interi da ${\displaystyle m}$ a ${\displaystyle n}$ è

${\displaystyle \sum _{i=m}^{n}i={\frac {(n-m+1)(n+m)}{2}}.}$       Esempio: ${\displaystyle \sum _{i=10}^{15}i={\frac {(15-10+1)(15+10)}{2}}={\frac {150}{2}}=75.}$

Quindi in particolare la somma dei primi ${\displaystyle n}$ interi positivi è

${\displaystyle \sum _{i=0}^{n}i=\sum _{i=1}^{n}i={\frac {n(n+1)}{2}}.}$          Esempio: ${\displaystyle \sum _{i=0}^{10}i=\sum _{i=1}^{10}i={\frac {10(10+1)}{2}}={\frac {110}{2}}=55.}$

La formula della somma dei primi ${\displaystyle n}$ quadrati invece è

${\displaystyle \sum _{i=0}^{n}i^{2}=\sum _{i=1}^{n}i^{2}={\frac {n(n+1)(2n+1)}{6}}.}$    Esempio: ${\displaystyle \sum _{i=0}^{5}i^{2}=\sum _{i=1}^{5}i^{2}={\frac {5(5+1)(2\cdot 5+1)}{6}}={\frac {330}{6}}=55}$; ${\displaystyle \sum _{i=1}^{5}i^{2}=1^{2}+2^{2}+3^{2}+4^{2}+5^{2}=55.}$

Da queste formule si può anche ricavare quella relativa alla somma dei primi ${\displaystyle n}$ cubi.

Una relazione che lega i primi ${\displaystyle n}$ cubi ai primi ${\displaystyle n}$ numeri è la seguente:

${\displaystyle \sum _{i=1}^{n}i^{3}=\left(\sum _{i=1}^{n}i\right)^{2}.}$               Esempio: ${\displaystyle \sum _{i=1}^{3}i^{3}=1^{3}+2^{3}+3^{3}=36=(1+2+3)^{2}.}$

${\displaystyle \sum _{i=1}^{n}\left(\sum _{k=1}^{i}k\right)={\frac {n(n+1)(n+2)}{6}}.}$

• Addizione
• Somma vuota
• Produttoria
• Serie (matematica)

• Wikizionario contiene il lemma di dizionario «sommatoria»
• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su sommatoria

• (EN) summand, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) Eric W. Weisstein, Sommatoria, su MathWorld, Wolfram Research.

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