UTF8gbsn

在《具体数学》中第二章第四节主要介绍一些基本的和形式。这一节的内容应该熟记与搞清楚。

common sums

  • ∑j∈J,k∈Kajbk=(∑j∈Jaj)(∑k∈Kbk)\sum_{j\in J,k\in K}a_{j}b_{k}=(\sum_{j\in J}a_j)(\sum_{k\in K}b_k)j∈J,k∈K∑​aj​bk​=(j∈J∑​aj​)(k∈K∑​bk​)

  • mapping

    ∑j∈J∑k∈K(j)aj,k=∑k∈K′∑j∈J′(k)aj,k\sum_{j\in J}\sum_{k\in K(j)}a_{j,k}=\sum_{k\in K^{'}}\sum_{j\in J^{'}(k)}a_{j,k}j∈J∑​k∈K(j)∑​aj,k​=k∈K′∑​j∈J′(k)∑​aj,k​

  • [1⩽j⩽n][j⩽k⩽n]=[1⩽j⩽k⩽n]=[1⩽k⩽n][1⩽j⩽k][1\leqslant j\leqslant n][j\leqslant k\leqslant n]=[1\leqslant j\leqslant k\leqslant n]=[1\leqslant k\leqslant n][1\leqslant j\leqslant k][1⩽j⩽n][j⩽k⩽n]=[1⩽j⩽k⩽n]=[1⩽k⩽n][1⩽j⩽k]

    ∑j=1n∑k=jnaj,k=∑1⩽j⩽k⩽naj,k=∑k=1n∑j=1kaj,k\sum_{j=1}^{n}\sum_{k=j}^{n}a_{j,k}=\sum_{1\leqslant j\leqslant k\leqslant n}a_{j,k}=\sum_{k=1}^{n}\sum_{j=1}^{k}a_{j,k}j=1∑n​k=j∑n​aj,k​=1⩽j⩽k⩽n∑​aj,k​=k=1∑n​j=1∑k​aj,k​

    example 1

    [a1a1a1a2a1a3...a1ana2a1a2a2a2a3...a2ana3a1a3a2a3a3...a3an⋮⋮⋮⋮ana1ana2ana3...anan]\left[ \begin{array}{ccccc} a_1a_1 & a_1a_2 & a_1a_3 & ... & a_1a_n \\ a_2a_1 & a_2a_2 & a_2a_3 & ... & a_2a_n \\ a_3a_1 & a_3a_2 & a_3a_3 & ... & a_3a_n \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_na_1 & a_na_2 & a_na_3 & ... & a_na_n \end{array} \right]⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎡​a1​a1​a2​a1​a3​a1​⋮an​a1​​a1​a2​a2​a2​a3​a2​⋮an​a2​​a1​a3​a2​a3​a3​a3​⋮an​a3​​............​a1​an​a2​an​a3​an​⋮an​an​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎤​

    How about the sum of right upper triangle
    S⊲=∑1⩽j⩽k⩽najakS_{\lhd}=\sum_{1\leqslant j\leqslant k\leqslant n}a_ja_kS⊲​=1⩽j⩽k⩽n∑​aj​ak​

    The question here is how to simplify the formula S⊲S_{\lhd}S⊲​ S⊳+S⊲=∑1⩽j,k⩽najak+∑1⩽j=k⩽najak=(∑1⩽j⩽naj)2+∑i⩽k⩽nak2\left. \begin{aligned} S_{\rhd}+S_{\lhd} &=\sum_{1 \leqslant j,k\leqslant n}a_ja_k+\sum_{1\leqslant j=k\leqslant n}a_ja_k\\ &=(\sum_{1\leqslant j\leqslant n}a_j)^2+\sum_{i\leqslant k \leqslant n}a_k^2 \end{aligned} \right.S⊳​+S⊲​​=1⩽j,k⩽n∑​aj​ak​+1⩽j=k⩽n∑​aj​ak​=(1⩽j⩽n∑​aj​)2+i⩽k⩽n∑​ak2​​

    from
    ∑j=1n∑k=jnaj,k=∑1⩽j⩽k⩽naj,k=∑k=1n∑j=1kaj,k\sum_{j=1}^{n}\sum_{k=j}^{n}a_{j,k}=\sum_{1\leqslant j\leqslant k\leqslant n}a_{j,k}=\sum_{k=1}^{n}\sum_{j=1}^{k}a_{j,k}∑j=1n​∑k=jn​aj,k​=∑1⩽j⩽k⩽n​aj,k​=∑k=1n​∑j=1k​aj,k​,
    we can get S⊳=S⊲S_{\rhd}=S_{\lhd}S⊳​=S⊲​

    at last

    S⊲=12[(∑1⩽j⩽naj)2+∑i⩽k⩽nak2]S_{\lhd} = \frac{1}{2}[(\sum_{1\leqslant j\leqslant n}a_j)^2+\sum_{i\leqslant k \leqslant n}a_k^2]S⊲​=21​[(1⩽j⩽n∑​aj​)2+i⩽k⩽n∑​ak2​]

    example 2

    S=∑1⩽j<k⩽n(ak−aj)(bk−bj)S=\sum_{1\leqslant j <k \leqslant n}(a_k-a_j)(b_k-b_j)S=1⩽j<k⩽n∑​(ak​−aj​)(bk​−bj​)

    The question here is how to simplify the formula of SSS. Let us look
    at the fact below,

    [1⩽j<k⩽n]+[1⩽k<j⩽k]=[1⩽j,k⩽n]−[1⩽j=k⩽n][1\leqslant j < k \leqslant n]+[1\leqslant k < j \leqslant k]=[1\leqslant j, k \leqslant n]-[1\leqslant j = k \leqslant n][1⩽j<k⩽n]+[1⩽k<j⩽k]=[1⩽j,k⩽n]−[1⩽j=k⩽n]

    S=∑1⩽j<k⩽n(ak−aj)(bk−bj)=∑1⩽k<j⩽n(aj−ak)(bj−bk)S=\sum_{1\leqslant j <k \leqslant n}(a_k-a_j)(b_k-b_j)=\sum_{1\leqslant k <j \leqslant n}(a_j-a_k)(b_j-b_k)S=1⩽j<k⩽n∑​(ak​−aj​)(bk​−bj​)=1⩽k<j⩽n∑​(aj​−ak​)(bj​−bk​)

    2S=∑1⩽j,k⩽n(ak−aj)(bk−bj)−∑1⩽j=k⩽n(ak−aj)(bk−bj)2S=\sum_{1\leqslant j,k\leqslant n}(a_k-a_j)(b_k-b_j)-\sum_{1\leqslant j = k \leqslant n}(a_k-a_j)(b_k-b_j)2S=1⩽j,k⩽n∑​(ak​−aj​)(bk​−bj​)−1⩽j=k⩽n∑​(ak​−aj​)(bk​−bj​)

    We should aware that the second part of the left equation is zero.

    2S=∑1⩽j,k⩽n(ak−aj)(bk−bj)2S=\sum_{1\leqslant j,k\leqslant n}(a_k-a_j)(b_k-b_j)2S=1⩽j,k⩽n∑​(ak​−aj​)(bk​−bj​)

    Let’s expand (ak−aj)(bk−bj)(a_k-a_j)(b_k-b_j)(ak​−aj​)(bk​−bj​) to akbk+ajbj−akbj−ajbka_kb_k+a_jb_j-a_kb_j-a_jb_kak​bk​+aj​bj​−ak​bj​−aj​bk​.
    It’s obvious that

    ∑1⩽j,k⩽nakbk=∑1⩽j,k⩽najbj,∑1⩽j,k⩽nakaj=∑1⩽j,k⩽najak\sum_{1\leqslant j,k\leqslant n}a_kb_k=\sum_{1\leqslant j,k\leqslant n}a_jb_j,\sum_{1\leqslant j,k\leqslant n}a_ka_j=\sum_{1\leqslant j,k\leqslant n}a_ja_k1⩽j,k⩽n∑​ak​bk​=1⩽j,k⩽n∑​aj​bj​,1⩽j,k⩽n∑​ak​aj​=1⩽j,k⩽n∑​aj​ak​

    We should get the formula below

    2S=2∑1⩽j,k⩽nakbk−2∑1⩽j,k⩽najbk2S=2\sum_{1\leqslant j,k\leqslant n}a_kb_k-2\sum_{1\leqslant j,k\leqslant n}a_jb_k2S=21⩽j,k⩽n∑​ak​bk​−21⩽j,k⩽n∑​aj​bk​

    Let’s simplify the right part of the upper equation

    • ∑1⩽j,k⩽nakbk=n∑i⩽k⩽nakbk\sum_{1\leqslant j,k\leqslant n}a_kb_k = n \sum_{i\leqslant k\leqslant n}a_kb_k1⩽j,k⩽n∑​ak​bk​=ni⩽k⩽n∑​ak​bk​

    • ∑1⩽j,k⩽najbk=(∑1⩽k⩽nak)(∑1⩽k⩽nbk)\sum_{1\leqslant j,k\leqslant n}a_jb_k = (\sum_{1\leqslant k\leqslant n}a_k)(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}b_k)1⩽j,k⩽n∑​aj​bk​=(1⩽k⩽n∑​ak​)(1⩽k⩽n∑​bk​)

    Finally,

    2S=2n∑i⩽k⩽nakbk−2(∑1⩽k⩽nak)(∑1⩽k⩽nbk)2S=2n \sum_{i\leqslant k\leqslant n}a_kb_k-2(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}a_k)(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}b_k)2S=2ni⩽k⩽n∑​ak​bk​−2(1⩽k⩽n∑​ak​)(1⩽k⩽n∑​bk​)

    Rewrite the upper equation

    (∑1⩽k⩽nak)(∑1⩽k⩽nbk)=n∑k=1nakbk−∑1⩽j<k⩽n(ak−aj)(bk−bj)(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}a_k)(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}b_k) = n \sum_{k=1}^{n}a_kb_k-\sum_{1\leqslant j<k\leqslant n}(a_k-a_j)(b_k-b_j)(1⩽k⩽n∑​ak​)(1⩽k⩽n∑​bk​)=nk=1∑n​ak​bk​−1⩽j<k⩽n∑​(ak​−aj​)(bk​−bj​)

Chebyshev’s monotonic inequlities

We can go back to equation

(∑1⩽k⩽nak)(∑1⩽k⩽nbk)=n∑k=1nakbk−∑1⩽j<k⩽n(ak−aj)(bk−bj)(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}a_k)(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}b_k) = n \sum_{k=1}^{n}a_kb_k-\sum_{1\leqslant j<k\leqslant n}(a_k-a_j)(b_k-b_j)(1⩽k⩽n∑​ak​)(1⩽k⩽n∑​bk​)=nk=1∑n​ak​bk​−1⩽j<k⩽n∑​(ak​−aj​)(bk​−bj​)
If a1⩽a2⩽...⩽ana_1\leqslant a_2\leqslant ...\leqslant a_na1​⩽a2​⩽...⩽an​ and
b1⩽b2⩽...⩽bnb_1\leqslant b_2\leqslant ... \leqslant b_nb1​⩽b2​⩽...⩽bn​, we can get

(∑1⩽k⩽nak)(∑1⩽k⩽nbk)⩽n∑k=1nakbk(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}a_k)(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}b_k)\leqslant n \sum_{k=1}^{n}a_kb_k(1⩽k⩽n∑​ak​)(1⩽k⩽n∑​bk​)⩽nk=1∑n​ak​bk​

If a1⩽a2⩽...⩽ana_1\leqslant a_2\leqslant ...\leqslant a_na1​⩽a2​⩽...⩽an​ and
b1⩾b2⩾...⩾bnb_1\geqslant b_2\geqslant ... \geqslant b_nb1​⩾b2​⩾...⩾bn​, we can get

(∑1⩽k⩽nak)(∑1⩽k⩽nbk)⩽n∑k=1nakbk(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}a_k)(\sum_{1\leqslant k\leqslant n}b_k)\leqslant n \sum_{k=1}^{n}a_kb_k(1⩽k⩽n∑​ak​)(1⩽k⩽n∑​bk​)⩽nk=1∑n​ak​bk​

The original Chebyshev’s monotonic inequalities

[(∫abf(x)dx][∫abg(x)dx]⩽(b−a)∫abf(x)g(x)dx[(\int_{a}^{b}{f(x)dx}][\int_{a}^{b}{g(x)dx}]\leqslant (b-a)\int_{a}^{b}{f(x)g(x)dx}[(∫ab​f(x)dx][∫ab​g(x)dx]⩽(b−a)∫ab​f(x)g(x)dx

the condition is that f(x)f(x)f(x) and g(x)g(x)g(x) are monotonic nodecreasing
functions.

Actually

If a1⩽a2⩽...⩽ana_1\leqslant a_2\leqslant ...\leqslant a_na1​⩽a2​⩽...⩽an​, the
∑k=1nakbk\sum_{k=1}^{n}a_kb_k∑k=1n​ak​bk​ will get the largest value when
b1⩽b2⩽..⩽bnb_1\leqslant b_2\leqslant ..\leqslant b_nb1​⩽b2​⩽..⩽bn​, and the
∑k=1nakbk\sum_{k=1}^{n}a_kb_k∑k=1n​ak​bk​ will get the smallest value when
b1⩾b2⩾...⩾bnb_1\geqslant b_2\geqslant ...\geqslant b_nb1​⩾b2​⩾...⩾bn​

How to proof this simple fact: (Hint1: Draw pictures, Hint2:
Recursive method)

Mapping

f:J→Kf:J \rightarrow Kf:J→K

∑j∈Jaf(j)=∑k∈Kak#f−1(k),f−1(k)={j∣f(j)=k}\sum_{j\in J}a_{f(j)}=\sum_{k\in K}a_k \#f^{-1}(k), f^{-1}(k)=\{j|f(j)=k\}j∈J∑​af(j)​=k∈K∑​ak​#f−1(k),f−1(k)={j∣f(j)=k}

#\## is how many j maps to the same k

example:

Sn=∑1⩽j<k⩽n1k−jS_n=\sum_{1\leqslant j<k\leqslant n}\frac{1}{k-j}Sn​=1⩽j<k⩽n∑​k−j1​

  • method 1 Let’s accumulate jjj first.

    Sn=∑1⩽k⩽n∑1⩽j<k1k−j=∑1⩽k⩽n∑1⩽k−j<k1j=∑1⩽k⩽n∑0<j⩽k−11j=∑1⩽k⩽nHk−1=∑0⩽k<nHk\left. \begin{aligned} S_n&=\sum_{1\leqslant k\leqslant n}\sum_{1\leqslant j< k} \frac{1}{k-j}\\ &=\sum_{1\leqslant k\leqslant n} \sum_{1\leqslant k-j<k}\frac{1}{j}\\ &=\sum_{1\leqslant k\leqslant n} \sum_{0<j\leqslant k-1}\frac{1}{j}\\ &=\sum_{1\leqslant k\leqslant n} H_{k-1}\\ &=\sum_{0\leqslant k<n}H_k \end{aligned} \right.Sn​​=1⩽k⩽n∑​1⩽j<k∑​k−j1​=1⩽k⩽n∑​1⩽k−j<k∑​j1​=1⩽k⩽n∑​0<j⩽k−1∑​j1​=1⩽k⩽n∑​Hk−1​=0⩽k<n∑​Hk​​

    We cannot get closed form at last.

  • method 2

    Let’s accumulate k first.

    Sn=∑0⩽j<nHjS_n=\sum_{0\leqslant j<n}H_jSn​=∑0⩽j<n​Hj​

    It is the same as method 1

  • method 3

    Can we map k to k-j?

    Sn=∑1⩽j<k⩽n1k−j=∑1⩽j<k+j⩽n1k=∑1⩽k⩽n∑1⩽j⩽n−k1k=∑1⩽k⩽nn−kk=∑1⩽k⩽nnk−∑1⩽k⩽n=n∑1⩽k⩽n1k−n=nHn−n\left. \begin{aligned} S_n&=\sum_{1\leqslant j<k\leqslant n}\frac{1}{k-j}\\ &=\sum_{1\leqslant j<k+j\leqslant n}\frac{1}{k}\\ &=\sum_{1\leqslant k\leqslant n}\sum_{1\leqslant j\leqslant n-k}\frac{1}{k}\\ &=\sum_{1\leqslant k\leqslant n}\frac{n-k}{k}\\ &=\sum_{1\leqslant k\leqslant n}\frac{n}{k}-\sum_{1\leqslant k\leqslant n}\\ &=n \sum_{1\leqslant k\leqslant n}\frac{1}{k}-n=nH_n-n \end{aligned} \right.Sn​​=1⩽j<k⩽n∑​k−j1​=1⩽j<k+j⩽n∑​k1​=1⩽k⩽n∑​1⩽j⩽n−k∑​k1​=1⩽k⩽n∑​kn−k​=1⩽k⩽n∑​kn​−1⩽k⩽n∑​=n1⩽k⩽n∑​k1​−n=nHn​−n​

    Three methods have three kinds of direction of sum. (upper and
    down),(left and right) and (diagonal). (k=1k=2k=3k=4j=1111213j=21112j=311j=4)\left( \begin{array}{ccccc} & k=1 & k=2 & k=3 & k=4 \\ j=1 & & \frac{1}{1} & \frac{1}{2} & \frac{1}{3} \\ j=2 & & & \frac{1}{1} & \frac{1}{2} \\ j=3 & & & & \frac{1}{1} \\ j=4 & & & & \end{array} \right)⎝⎜⎜⎜⎜⎛​j=1j=2j=3j=4​k=1​k=211​​k=321​11​​k=431​21​11​​⎠⎟⎟⎟⎟⎞​

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