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2/23/2017

[基礎數學] 有限項次的雙重加總 (Finite Double Sums)

給定一組有限項次之數列 {ak}nk=1 可以表示為 {ak}nk=1=(a1,a2,...,an)我們知道  此數列之 加總總和 可以用級數 符號簡潔的將其表示,比如說
nk=1ak但若我們考慮的數列為類似於 矩陣的陣列 (rectangular array),比如說
a11a12...a1na21a22...a2nam1am2...amn其中元素一般以 aij 表示,1im1jn。此時我們如何用級數表示此陣列之和?

基本想法:
首先我們可以先將 每一個橫列 之和計算出來:
(nj=1a1j,nj=1a2j,...,nj=1amj)其中第 1個橫列之和為 nk=1a1k 接著我們把前述這些橫列之和加總
nj=1a1j+nj=1a2j+...+nj=1amj=mi=1(nj=1aij)當然如果我們把順序調換,先算直行之和在進行加總答案不變 (why?),故我們有
mi=1nj=1aij=nj=1mi=1aij

現在我們來看一個簡單的例子:
============
Example 1:
(a) 試計算 3i=14j=1(i+aj) 其中 aR
(b) 試驗證 4j=13i=1(i+aj)=3i=14j=1(i+aj)
============

Proof (a):
3i=14j=1(i+aj)=3i=1((i+a1)+(i+a2)+(i+a3)+(i+a4))=3i=1(4i+10a)=((4+10a)+(4(2)+10a)+(4(3)+10a))=24+30a

Proof:(b)
觀察
4j=13i=1(i+aj)=4j=1((1+aj)+(2+aj)+(3+aj))=4j=1(6+3aj)=((6+3a1)+(6+3a(2))+(6+3a(3))+(6+3a(4)))=24+30a=3i=14j=1(i+aj)


下面我們在看個稍微一點點變化的情況,假設今天我們的陣列為所謂三角陣列(triangular array) 如下
a11a21a22a31a32a33am1am2amm 試證明 triangular table 之和可表為
mi=1(ij=1aij)()或者
mj=1(mi=jaij)()Proof:
要證明 (),我們首先將 triangular array 每個橫列之和求出如下
(a11,a21+a22,...,am1+am2...+amm)=(1j=1a1j,2j=1a2j,...,mj=1amj)現在令
bi:=ij=1aij則所有橫列之和等價為
(1j=1a1j,2j=1a2j,...,mj=1amj)=(b1,b2,...,bm)則我們可知 mi=1bi即為 triangular array 之和,故現在觀察
mi=1bi=mi=1(ij=1aij)此即 ()

接著我們證明 (),同前述證明,首先將 triangular array 每個直行之和求出如下
(mi=1ai1,mi=2ai2,...,mi=maim)現在令
cj:=mi=jaij則所有直行之和等價為
mj=1cj:=mj=1(mi=jaij)此即 ()



FACT:
aij 為 rectangular array
a11a12...a1na21a22...a2nam1am2...amni row, 第 j column之元素。現在定義
ˉa:=1mnmr=1s=1ars,ˉaj:=1mmr=1arj試證
mr=1ms=1(arjˉa)(asjˉa)=m2(ˉajˉa)2
Proof: omitted (easy to check)


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