Cómo encontrar el ormula cerrada para $\sum _{i=0}^n {i q^i}$?

Question

Estoy teniendo problemas para resolver el cuarto elemento de este conjunto de problemas. Es a partir de una clase de álgebra. Me las he arreglado para resolver los tres anteriores, pero me parece que no puede averiguar cómo hacer frente a la última.

$$\text{i})\sum^n_{i=1}q^i \qquad \qquad \quad \text{ii})\sum^n_{i=0}q^{2i} \qquad \qquad \quad \text{iii})\sum^{2n}_{i=n}q^i \qquad \qquad \quad\text{iv})\sum^n_{i=0}(n-i)q^{i}$$

Más precisamente, no sé cómo resolver el problema de la siguiente suma: $$\sum _{i=0}^n {i q^i}$$

Gracias por sus consejos y sugerencias!

Answer 1

Puede utilizar la siguiente transformación:

$$\sum _{i=0}^n {i q^i}=\sum _{i=1}^n {i q^i}=\sum _{i=1}^n {(i-1+1)q^i}=q\sum _{i=1}^n {(i-1)q^{i-1}}+\sum _{i=1}^n {q^i}.$$

Por lo tanto

$$S=q(S-nq^n)+\sum _{i=1}^n {q^i}.$$

Usted debe ser capaz de concluir. (La mente de partida los índices).

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Más visualmente:

$$\begin{align}S&=q+2q^2+3q^3+4q^4+\cdots\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ nq^n\\ qS&=\ \ \ \ \ \ \ \ \ q^2+2q^3+3q^4+\cdots\ \ (n-1)q^{n-1}+nq^{n+1}\\ S-qS&=q+\ \ q^2+\ \ q^3+\ \ q^4+\cdots\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ q^n\ \ \ -nq^{n+1}\end{align}$$

Answer 2

Utilice el hecho de que $\frac{q^{n+1} - 1}{q-1} = \sum_{i=0}^n q^i$. Ahora, derivados de ambos lados wrt q y la multiplique por $q$ y que finalmente tendrá su fórmula.

Answer 3

$$\begin{align} (n+1)q^{n+1}+\sum_{k=0}^nkq^k & =\sum_{k=0}^{n+1}kq^k \\ & =\sum_{k=1}^{n+1}kq^k \\ & =\sum_{k=0}^n(k+1)q^{k+1} \\ & =\left(q\sum_{k=0}^nkq^k\right)+q\sum_{k=0}^nq^k \\ (n+1)q^{n+1}+\sum_{k=0}^nkq^k & =\left(q\sum_{k=0}^nkq^k\right)+\frac{q(1-q^{n+1})}{1-q} \\ (n+1)q^{n+1} & =\left((q-1)\sum_{k=0}^nkq^k\right)+\frac{q(1-q^{n+1})}{1-q} \\ (q-1)\sum_{k=0}^nkq^k & = (n+1)q^{n+1}-\frac{q(1-q^{n+1})}{1-q} \\ \sum_{k=0}^nkq^k & = \frac{(n+1)q^{n+1}-\frac{q(1-q^{n+1})}{1-q}}{q-1} \end{align}$$

Answer 4

Es útil saber una fórmula para $\sum_{i=1}^niq^i$. De "Cómo calcular la fórmula $\sum \limits_{r=1}^d r \cdot 2^r$?", tenemos $$\sum_{i=0}^niq^i=\frac{nq^{n+2}-q^{n+1}(n+1)+q}{(q-1)^2}$$ (usted puede comprobar esto por inducción, si es necesario, o si está permitido el uso de cálculo se puede utilizar la misma técnica que en el enlace). Entonces \begin{align*} \sum_{i=0}^n(n-i)q^i&=n\sum_{i=0}^nq^i-\sum_{i=0}^niq^i=n\frac{q^{n+1}-1}{q-1}-\frac{nq^{n+2}-q^{n+1}(n+1)+q}{(q-1)^2}\\ &=\frac{n(q^{n+1}-1)(q-1)-nq^{n+2}+nq^{n+1}+q^{n+1}-q}{(q-1)^2}\\ &=\frac{n(q^{n+2}-q^{n+1}-q+1)-n(q^{n+2}-q^{n+1})+q^{n-1}-q}{(q-1)^2}\\ &=\frac{-n(q-1)+q^{n-1}-q}{(q-1)^2} \end{align*}

Answer 5

Cambiar el orden de la suma de la siguiente manera: \begin{align} \sum_{i=0}^{n} (n-i) \, q^i &= n \, q^{0} + (n-1) \, q^{1} + \cdots + (1) \, q^{n-1} + (0) \, q^{n} \\ &= (0) \, q^{n} + (1) \, q^{n-1} + \cdots + n \, q^{0} \\ &= \sum_{i=0}^{n} i \, q^{n-i} \\ &= q^{n} \, \sum_{i=0}^{n} i \, q^{-i} = - q^{n+1} \, \frac{d}{dq} \left( \sum_{i=0}^{n} q^{-i} \right) \\ &= - q^{n+1} \, \frac{d}{dq} \left( \frac{1 - q^{-n-1}}{1 - q^{-1}} \right) \\ &= - q^{n+1} \, \frac{q^2}{(1-q)^2} \, \left[ (1-q^{-1})(n+1) \, q^{-n-2} - q^{-2} (1 - q^{-n-1}) \right] \\ &= \frac{q^{n+1} - (n+1) \, q + n}{(1-q)^2} \end{align}