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现行教材中 $\sum$ 含义及相关运算 - 静雅斋数学
静雅斋数学 · 2026-06-21 · via 博客园 - 静雅斋数学

前情概要

2026年新高考数学二卷中,出现了 \(\sum\) 求和符号,这是个信号,把求和表达式 \(1\) \(+\) \(2\) \(+\) \(\cdots\) \(+\) \(n\)\(\sum\limits_{k=1}^{n}\)\(k\) 来刻画表达,本身就是想传递一个信息,高考命题越来越难了,就这样简单的一个改写,对学生思维的要求噌的一下就上去了。教材对 \(\sum\limits_{k=1}^{n}\)\(k\) 的使用,以前还是遮遮掩掩的,现在已经正式的在教材中使用,在考题中使用了,所以有必要正面学习这个专有数学符号的含义和相关运算法则。

\(\sum\) 基础含义

1.符号定义:\(\sum\limits\) 是希腊字母 sigma(西格玛),高中数学中的专用求和记号,用来快速简写一串数列相加,避免一长串加号书写。标准书写格式:\(\sum\limits_{k=m}^{n} f(k)\)

相关符号解释:下方 \(k=m\):起始下标,变量 \(k\)\(m\) 开始取值;上方 \(n\):终止上标,变量\(k\)取到\(n\)为止; \(f(k)\):通项,每一项的表达式; \(k\):哑变量(只是求和代号,换成\(i,t\)不改变结果)

2.简单引例

例1:\(\sum\limits_{k=1}^{4}\)\(k\)\(=\)\(1\)\(+\)\(2\)\(+\)\(3\)\(+\)\(4\)

例2:\(\sum\limits_{k=2}^{5}\)\((2k-1)\)\(=\)\((4-1)\)\(+\)\((6-1)\)\(+\)\((8-1)\)\(+\)\((10-1)\)\(=\)\(3 + 5 + 7 + 9\)

例3:常数求和 \(\sum\limits_{k=1}^{n}\)\(5=\)\(\underbrace{5+5+5+\cdots+5}_{n个5}\)\(=\)\(5n\)

运算法则

法则1:常数倍提取(线性性质1)

\(\sum\limits_{k=m}^{n}\)\(c\cdot f(k)\) \(=\) \(c\)\(\cdot\)\(\sum\limits_{k=m}^{n}\)\(f(k)\) \(\quad(c为常数)\)

例:\(\sum\limits_{k=1}^{10}\)\(3k\) \(=\) \(3\)\(\sum\limits_{k=10}^{10}\)\(k\)

法则2:和差拆分(线性性质2)

\(\sum\limits_{k=m}^{n}\)\(\big[f(k)\)\(\pm\) \(g(k)\big]\)\(=\)\(\sum\limits_{k=m}^{n}\)\(f(k)\)\(\pm\)\(\sum\limits_{k=m}^{n}\)\(g(k)\)

例:\(\sum\limits_{k=1}^{n}\)\((k^2+2k)\)\(=\)\(\sum\limits_{k=1}^{n}k^2\) \(+\) \(2\sum\limits_{k=1}^{n}\)\(k\)

法则3:区间拆分

\(\sum\limits_{k=1}^{n}\)\(f(k)\) \(=\) \(\sum\limits_{k=1}^{t}\)\(f(k)\) \(+\) \(\sum\limits_{k=t+1}^{n}\)\(f(k)\) \(\quad(1<t<n)\)

常用于分段数列、裂项相消、分段求和大题

法则4:下标平移(换元,选择填空高频)

\(\sum\limits_{k=1}^{n}\)\(f(k)\)\(=\)\(\sum\limits_{t=2}^{n+1}\) \(f(t-1)\),仅改变上下限,总和不变

法则5:哑变量替换

\(\sum\limits_{k=1}^{n}\)\(k\) \(=\) \(\sum\limits_{i=1}^{n}\)\(i\),字母不影响计算结果

核心求和公式

1.自然数和:\(\sum\limits_{k=1}^{n}k\)\(=\)\(1+2+\dots+n\)\(=\)\(\frac{n(n+1)}{2}\)

2.自然数平方和:\(\sum\limits_{k=1}^{n}k^2\)\(=\)\(1^2+2^2+\dots+n^2\)\(=\)\(\dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6}\)

3.自然数立方和:\(\sum\limits_{k=1}^{n}k^3\)\(=\)\(\left[\frac{n(n+1)}{2}\right]^2\)

4.常数项求和:\(\sum\limits_{k=1}^{n}\)\(c\)\(=\)\(nc\)

5.等比数列求和:\(\sum\limits_{k=1}^{n}\)\(a_{1}q^{k-1}\) = \(\begin{cases}na_{1},&q=1\\ \dfrac{a_{1}(1-q^n)}{1-q},&q\neq1\end{cases}\)

高考常见用法

题型1:基础展开化简

\(\sum\limits_{k=1}^{5}(2k+3)\) \(=\sum\limits_{k=1}^52k+\sum\limits_{k=1}^53=2\sum\limits_{k=1}^5k + 3\times5\)

\(=2\times\frac{5\times6}{2}+15=30+15=45\)

题型2:数列大题裂项相消结合 \(\sum\)

已知 \(a_k=\dfrac{1}{k(k+1)}\),求 \(\sum\limits_{k=1}^{n}a_k\)

裂项:\(\dfrac{1}{k(k+1)}=\dfrac1k-\dfrac1{k+1}\)

\(\sum\limits_{k=1}^n\left(\frac1k-\frac1{k+1}\right)=\left(1-\frac12\right)+\left(\frac12-\frac13\right)+\dots+\left(\frac1n-\frac1{n+1}\right)=1-\frac1{n+1}\)

题型3:概率统计(二卷高频),分布列期望公式直接用求和符号:

期望:\(E(X)=\sum\limits_{i=1}^{n}x_i P(X=x_i)\)

方差:\(D(X)=\sum\limits_{i=1}^{n}[x_i-E(X)]^2P(X=x_i)\)

题型4:导数、函数放缩证明不等式

证明 \(\sum\limits_{k=1}^{n}\frac1{k^2}<2\),常结合放缩+求和符号书写过程

失误防范

1.数错项数:上下限\(k=a\)\(k=b\),总项数=\(b-a+1\)

例:\(k=3\)\(k=7\),项数\(7-3+1=5\),不是4

2.常数求和忘记乘项数:\(\sum\limits_{k=1}^4 2=2\times4=8\),不能直接写2

3.不能随意拆分乘积:\(\sum\limits f(k)g(k)\neq \big(\sum\limits f(k)\big)\big(\sum\limits g(k)\big)\),求和无分配乘法

4.哑变量混淆:双重求和\(\sum\limits_{i=1}^m\sum\limits_{j=1}^n a_{ij}\)要分层计算,先内层再外层

书写规范

1.大题第一步优先用∑列式,再拆分公式,最后代入求和公式,步骤清晰得分更高;

2.不能只写结果,必须写出求和拆分过程;

3.分布列、数列求和大题,使用∑会大幅简化书写,减少计算失误。

补充:2026全国二卷考察趋势,近年二卷数学将\(\sum\limits\)融入三大板块:1.数列解答题(等差、等比、裂项、错位相减简写);2.概率统计期望方差计算;3.导数不等式证明(放缩求和),不再单独考符号识别,而是作为工具嵌套在大题中,熟练运算法则能大幅缩短解题时间。

高考用例

【2026年高考全国2卷数学真题第10题】已知等比数列\(\{a_n\}\)的公比\(q\ne1\),且\(a_1>0\)\(2a_3\)\(=\)\(a_1\)\(+\)\(a_2\),记数列\(\{a_n\}\)的前\(n\)项和为\(S_n\),则\(\qquad\)

$A.q=-\dfrac12$ $B.S_n>\dfrac23a_1$ $C.2S_{n+2}=S_{n+1}+S_n$ $D.\sum\limits_{k=1}^n S_k>\dfrac{2n}{3}a_1$

对选项 D 的解析就用到求和符号 \(\sum\limits_{k=1}^n\),摘要部分求解内容贴出来:

由于 \(S_n\)\(=\)\(\dfrac{2a_1}{3}[1-(-\dfrac12)^n]\)\(=\)\(\dfrac{2a_1}{3}\)\(-\) \(\dfrac{2a_1}{3}(-\dfrac12)^n\)

对数列 \(\{S_n\}\) 求和 ,则有

\(\sum\limits_{k=1}^n S_k\) \(=\) \(\sum\limits_{k=1}^n\)\([\dfrac{2a_1}{3}\) \(-\) \(\dfrac{2a_1}{3}\)\((-\dfrac12)^k]\)

\(=n\cdot\dfrac{2a_1}{3}-\dfrac{2a_1}{3}\sum\limits_{k=1}^n(-\dfrac12)^k\)

\(=\dfrac{2n}{3}a_1-\dfrac{2a_1}{3}\times\dfrac{-\dfrac12[1-(-\dfrac12)^n]}{1+\dfrac12}\)

\(\sum\limits_{k=1}^n S_k=\dfrac{2n}{3}a_1-\dfrac{2a_1}{3}\times[-\dfrac13(1-(-\dfrac12)^n)]\)

\(=\dfrac{2n}{3}a_1+\dfrac{2a_1}{9}[1-(-\dfrac12)^n]\)