Formelsammlung Arithmetik

Notation

• Buchstaben am Anfang des Alphabets ${\displaystyle (a,b,c,\ldots )}$ stehen für beliebige Zahlen.
• Buchstaben in der Mitte des Alphabets ${\displaystyle (i,j,m,n,\ldots )}$ stehen für natürliche Zahlen.
• Buchstaben am Ende des Alphabets ${\displaystyle (x,y,\ldots )}$ stehen für Variablen.
• Es gilt die Operatorrangfolge (Punktrechnung vor Strichrechnung): Rechenoperationen der zweiten Stufe (Multiplikation und Division) binden stärker als die der ersten Stufe (Addition und Subtraktion) und Rechenoperationen der dritten Stufe (Wurzelziehen und Potenzieren) stärker als die der zweiten Stufe.
• Es gilt die Klammerregel: Stehen Operationen in Klammern, so werden diese zuerst ausgeführt. Stehen Operationen der gleichen Stufe ohne Klammern hintereinander, so werden die Operationen von links nach rechts ausgeführt.

Grundrechenarten

Rechenoperationen

Addition

${\displaystyle a+b=c}$   (Summand + Summand = Summe)

Subtraktion

${\displaystyle a-b=c}$   (Minuend − Subtrahend = Differenz)

Multiplikation

${\displaystyle a\cdot b=c}$   (Faktor · Faktor = Produkt)

Division

${\displaystyle a:b=c}$   (Dividend : Divisor = Quotient)

Die Division durch null ist dabei nicht definiert.

Klammerregeln

${\displaystyle a+(b+c)=a+b+c}$

${\displaystyle a+(b-c)=a+b-c}$

${\displaystyle a-(b+c)=a-b-c}$

${\displaystyle a-(b-c)=a-b+c}$

Rechengesetze

Assoziativgesetze

${\displaystyle a+\left(b+c\right)=\left(a+b\right)+c}$

${\displaystyle a\cdot \left(b\cdot c\right)=\left(a\cdot b\right)\cdot c}$

Kommutativgesetze

${\displaystyle a+b=b+a\,}$

${\displaystyle a\cdot b=b\cdot a}$

Distributivgesetze

${\displaystyle a\cdot \left(b+c\right)=a\cdot b+a\cdot c}$

${\displaystyle \left(a+b\right)\cdot c=a\cdot c+b\cdot c}$

Neutralität von ${\displaystyle 0}$ und ${\displaystyle 1}$

${\displaystyle a+0=0+a=a}$

${\displaystyle a\cdot 1=1\cdot a=a}$

Binomische Formeln

${\displaystyle (a+b)^{2}=a^{2}+2\cdot a\cdot b+b^{2}}$

${\displaystyle (a-b)^{2}=a^{2}-2\cdot a\cdot b+b^{2}}$

${\displaystyle (a+b)\cdot (a-b)=a^{2}-b^{2}}$

Bruchrechnung

Bezeichnungen

Definition

${\displaystyle {\frac {a}{b}}=a:b}$   (Zähler : Nenner)

Zähler und Nenner sind ganze Zahlen, wobei der Nenner nicht null sein darf.

Spezialfälle

• Stammbruch: ${\displaystyle a=1}$
• Echter Bruch: ${\displaystyle a<b}$
• Unechter Bruch: ${\displaystyle a>b}$
• Scheinbruch: ${\displaystyle a=b\cdot c}$ mit einer ganzen Zahl ${\displaystyle c}$
• Kehrbruch: ${\displaystyle a}$ und ${\displaystyle b}$ werden vertauscht

Rechenregeln

Vorzeichen

${\displaystyle {\frac {-a}{b}}={\frac {a}{-b}}=-{\frac {a}{b}}}$

${\displaystyle {\frac {-a}{-b}}={\frac {a}{b}}}$

Erweitern u​nd Kürzen

${\displaystyle {\frac {a}{b}}={\frac {a\cdot c}{b\cdot c}}}$   für ${\displaystyle c\neq 0}$

Addition

${\displaystyle {\frac {a}{b}}+{\frac {c}{d}}={\frac {a\cdot d+c\cdot b}{b\cdot d}}}$

Subtraktion

${\displaystyle {\frac {a}{b}}-{\frac {c}{d}}={\frac {a\cdot d-c\cdot b}{b\cdot d}}}$

Multiplikation

${\displaystyle {\frac {a}{b}}\cdot {\frac {c}{d}}={\frac {a\cdot c}{b\cdot d}}}$

Division

${\displaystyle {\frac {a}{b}}:{\frac {c}{d}}={\frac {a}{b}}\cdot {\frac {d}{c}}={\frac {a\cdot d}{b\cdot c}}}$

Prozentrechnung

Definitionen

${\displaystyle p\,\%={\frac {p}{100}}}$   (Prozentsatz = Prozentwert : Grundwert)

${\displaystyle p\,{}^{0\!}\!/\!_{00}={\frac {p}{1{\,}000}}}$   (Promillesatz = Promillewert : Grundwert)

Prozentsätze häufig benutzter Anteile

Anteil am Grundwert	${\displaystyle {\frac {1}{100}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{50}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{40}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{25}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{20}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{16}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{15}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{12}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{11}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{10}}}$
Prozentsatz	1 %	2 %	2,5 %	4 %	5 %	6,25 %	≈6,67 %	≈8,33 %	≈9,09 %	10 %
Anteil am Grundwert	${\displaystyle {\frac {1}{9}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{8}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{7}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{6}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{5}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{4}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{3}}}$	${\displaystyle {\frac {1}{2}}}$	${\displaystyle {\frac {2}{3}}}$	${\displaystyle {\frac {3}{4}}}$
Prozentsatz	≈11,11 %	12,5 %	≈14,29 %	≈16,67 %	20 %	25 %	≈33,33 %	50 %	≈66,67 %	75 %

Elementare Rechenoperationen

Potenz

Definitionen

Natürlicher Exponent:

${\displaystyle a^{n}=\underbrace {a\cdot a\dotsm a} _{n\ \mathrm {Faktoren} }}$   (Potenz = Basis hoch Exponent)

Negativer Exponent:

${\displaystyle a^{-n}={\frac {1}{a^{n}}}}$

Rationaler Exponent:

${\displaystyle x=a^{m/n}\;\Leftrightarrow \;x^{n}=a^{m}}$

Hierbei ist ${\displaystyle a}$ eine nichtnegative rationale Zahl und ${\displaystyle m,n}$ sind natürliche Zahlen.

Spezialfälle

${\displaystyle a^{0}=1}$   für ${\displaystyle a\neq 0}$, siehe Null hoch null

${\displaystyle 0^{n}=0}$   für ${\displaystyle n\neq 0}$

Potenzgesetze

${\displaystyle a^{m}\cdot a^{n}=a^{m+n}}$

${\displaystyle {\frac {a^{m}}{a^{n}}}=a^{m-n}}$

${\displaystyle ({a^{m}})^{n}=a^{m\cdot n}}$

${\displaystyle a^{n}\cdot b^{n}=(a\cdot b)^{n}}$

${\displaystyle {\frac {a^{n}}{b^{n}}}=\left({\frac {a}{b}}\right)^{n}}$

Definition u​nd Rechenregeln können a​uf reelle Zahlen erweitert werden.

Wurzel

Definition

${\displaystyle x={\sqrt[{n}]{a}}\;\Leftrightarrow \;x^{n}=a}$   (n-te Wurzel, a heißt Radikand, n Wurzelexponent)

Hierbei ist ${\displaystyle a}$ eine nichtnegative reelle Zahl und ${\displaystyle n}$ eine natürliche Zahl größer als eins

Spezialfälle

${\displaystyle {\sqrt {a}}={\sqrt[{2}]{a}}}$   (Quadratwurzel)

${\displaystyle {\sqrt[{3}]{a}}}$   (Kubikwurzel)

Wurzelgesetze

${\displaystyle {\sqrt[{n}]{a}}=a^{\frac {1}{n}}}$

${\displaystyle {\sqrt[{n}]{a^{m}}}=({\sqrt[{n}]{a}})^{m}=a^{\frac {m}{n}}}$

${\displaystyle {\sqrt[{n}]{a}}\cdot {\sqrt[{n}]{b}}={\sqrt[{n}]{a\cdot b}}}$

${\displaystyle {{\sqrt[{n}]{a}} \over {\sqrt[{n}]{b}}}={\sqrt[{n}]{a \over b}}}$

${\displaystyle {\sqrt[{n}]{\sqrt[{m}]{a}}}={\sqrt[{n\cdot m}]{a}}}$

${\displaystyle {\sqrt[{n}]{a}}\cdot {\sqrt[{m}]{a}}={\sqrt[{n\cdot m}]{a^{n+m}}}}$

${\displaystyle {\frac {\sqrt[{n}]{a}}{\sqrt[{m}]{a}}}={\sqrt[{n\cdot m}]{a^{m-n}}}}$

Logarithmus

Definition

${\displaystyle x=\log _{b}a\;\Leftrightarrow \;a=b^{x}}$   (Logarithmus der Zahl a zur Basis b)

Hierbei sind ${\displaystyle a,b}$ positive reelle Zahlen.

Spezialfälle

${\displaystyle \log _{2}a=\operatorname {lb} a}$   (binärer Logarithmus)

${\displaystyle \log _{e}a=\ln a}$   (natürlicher Logarithmus)

${\displaystyle \log _{10}a=\lg a}$   (dekadischer Logarithmus)

${\displaystyle \log _{b}1=0}$

${\displaystyle \log _{b}b=1}$

Logarithmengesetze

${\displaystyle \log _{b}(a\cdot c)=\log _{b}a+\log _{b}c}$

${\displaystyle \log _{b}\left({\frac {a}{c}}\right)=\log _{b}a-\log _{b}c}$

${\displaystyle \log _{b}\left(a^{c}\right)=c\cdot \log _{b}a}$

${\displaystyle \log _{b}a={\frac {\log _{c}a}{\log _{c}b}}}$

Elementare Funktionen

Betrag

Definition

${\displaystyle |a|={\begin{cases}\;\;\,a&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \quad a>0\\\;\;\,0&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \quad a=0\\-a&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \quad a<0\\\end{cases}}}$

Eigenschaften

${\displaystyle |a|=0\;\Leftrightarrow \;a=0}$

${\displaystyle |a\cdot b|=|a|\cdot |b|}$

${\displaystyle |a+b|\leq |a|+|b|}$   (Dreiecksungleichung)

Vorzeichen

Definition

${\displaystyle \operatorname {sgn}(a)={\begin{cases}\;\;\,1&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \quad a>0\\\;\;\,0&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \quad a=0\\-1&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \quad a<0\\\end{cases}}}$

Eigenschaften

${\displaystyle \operatorname {sgn}(a)={\frac {a}{|a|}}}$   für ${\displaystyle a\neq 0}$

${\displaystyle \operatorname {sgn} |a|=|\operatorname {sgn} a|}$

${\displaystyle \operatorname {sgn}(a\cdot b)=\operatorname {sgn}(a)\cdot \operatorname {sgn}(b)}$

Ab- und Aufrundung

Definitionen

${\displaystyle \lfloor a\rfloor =\max\{k\in \mathbb {Z} \mid k\leq a\}}$   (Abrundung)

${\displaystyle \lceil a\rceil =\min\{k\in \mathbb {Z} \mid k\geq a\}}$   (Aufrundung)

Eigenschaften

${\displaystyle {\bigl \lfloor }\lfloor a\rfloor {\bigr \rfloor }={\bigl \lceil }\lfloor a\rfloor {\bigr \rceil }=\lfloor a\rfloor }$

${\displaystyle {\bigl \lceil }\lceil a\rceil {\bigr \rceil }={\bigl \lfloor }\lceil a\rceil {\bigr \rfloor }=\lceil a\rceil }$

${\displaystyle \lfloor a\rfloor +\lfloor b\rfloor \leq \lfloor a+b\rfloor \leq \lfloor a\rfloor +\lfloor b\rfloor +1}$

${\displaystyle \lceil a\rceil +\lceil b\rceil \geq \lceil a+b\rceil \geq \lceil a\rceil +\lceil b\rceil -1}$

Gleichungen

Äquivalenzumformungen

Lösen v​on Gleichungen

${\displaystyle a=b\;\Leftrightarrow \;b=a}$

${\displaystyle a=b\;\Leftrightarrow \;a+c=b+c}$

${\displaystyle a=b\;\Leftrightarrow \;a-c=b-c}$

${\displaystyle a=b\;\Leftrightarrow \;a\cdot c=b\cdot c}$   für ${\displaystyle c\neq 0}$

${\displaystyle a=b\;\Leftrightarrow \;a:c=b:c}$   für ${\displaystyle c\neq 0}$

${\displaystyle a=b\;\Leftrightarrow \;f(a)=f(b)}$   für jede bijektive Funktion ${\displaystyle f}$

Lineare Gleichungen

Allgemeine Form

${\displaystyle a\cdot x=b}$

Lösungen

${\displaystyle x={\frac {b}{a}}}$   falls ${\displaystyle a\neq 0}$

keine Lösung falls ${\displaystyle a=0,b\neq 0}$

unendlich viele Lösungen falls ${\displaystyle a=0,b=0}$

Quadratische Gleichungen

Allgemeine Form

${\displaystyle ax^{2}+bx+c=0}$   mit ${\displaystyle a\neq 0}$

Diskriminante

${\displaystyle D=b^{2}-4ac}$

Lösungen

${\displaystyle x_{1,2}={\frac {-b\pm {\sqrt {b^{2}-4ac}}}{2a}}}$   falls ${\displaystyle D>0}$

${\displaystyle x=-{\frac {b}{2a}}}$   falls ${\displaystyle D=0}$

keine reelle Lösung falls ${\displaystyle D<0}$

Quadratische Ergänzung

${\displaystyle ax^{2}+bx+c=a\left(x+{\frac {b}{2a}}\right)^{2}+\left(c-{\frac {b^{2}}{4a}}\right)}$

p-q-Form

${\displaystyle x^{2}+px+q=0}$

Diskriminante

${\displaystyle D={\frac {p^{2}}{4}}-q}$

Lösungen

${\displaystyle x_{1,2}=-{\frac {p}{2}}\pm {\sqrt {{\frac {p^{2}}{4}}-q}}}$   falls ${\displaystyle D>0}$

${\displaystyle x=-{\frac {p}{2}}}$   falls ${\displaystyle D=0}$

keine reelle Lösung falls ${\displaystyle D<0}$

Satz v​on Vieta

${\displaystyle p=-(x_{1}+x_{2})}$

${\displaystyle q=x_{1}\cdot x_{2}}$

Algebraische Gleichungen

Allgemeine Form

${\displaystyle a_{n}x^{n}+a_{n-1}x^{n-1}+a_{n-2}x^{n-2}+\dotsb +a_{2}x^{2}+a_{1}x^{1}+a_{0}=0}$

Lösungen

${\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{n}}$ als komplexe Lösungen, nicht notwendigerweise verschieden (Fundamentalsatz der Algebra)

Zerlegung i​n Linearfaktoren

${\displaystyle a_{n}(x-x_{1})(x-x_{2})\dotsm (x-x_{n})=0}$

Polynomdivision

${\displaystyle p(x)=s(x)q(x)+r(x)}$   wobei ${\displaystyle \operatorname {grad} p\geq \operatorname {grad} q}$

${\displaystyle {\frac {p(x)}{q(x)}}=s(x)+{\frac {r(x)}{q(x)}}}$   wobei ${\displaystyle \operatorname {grad} q\geq 0}$

Ungleichungen

Äquivalenzumformungen

Lösen v​on Ungleichungen

${\displaystyle a<b\;\Leftrightarrow \;b>a}$

${\displaystyle a<b\;\Leftrightarrow \;a+c<b+c}$

${\displaystyle a<b\;\Leftrightarrow \;a-c<b-c}$

${\displaystyle a<b\;\Leftrightarrow \;{\begin{cases}a\cdot c<b\cdot c&{\text{falls}}~c>0\\a\cdot c>b\cdot c&{\text{falls}}~c<0\end{cases}}}$

${\displaystyle a<b\;\Leftrightarrow \;{\begin{cases}a:c<b:c&{\text{falls}}~c>0\\a:c>b:c&{\text{falls}}~c<0\end{cases}}}$

${\displaystyle a<b\;\Leftrightarrow \;{\begin{cases}f(a)<f(b)&{\text{falls}}~f~{\text{bijektiv streng monoton steigend ist}}\\f(a)>f(b)&{\text{falls}}~f~{\text{bijektiv streng monoton fallend ist}}\end{cases}}}$

Die Umformungsregeln gelten analog auch für ${\displaystyle \leq ,\geq }$.

Spezielle Ungleichungen

Dreiecksungleichung

${\displaystyle |a+b|\leq |a|+|b|}$   für alle ${\displaystyle a,b}$

Bernoullische Ungleichung

${\displaystyle (1+a)^{n}\geq 1+a\cdot n}$   für ${\displaystyle a\geq -1}$ und ${\displaystyle n=0,1,2,\ldots }$

Youngsche Ungleichung

${\displaystyle a\cdot b\leq {\frac {a^{p}}{p}}+{\frac {b^{q}}{q}}}$   für ${\displaystyle a,b\geq 0}$ und ${\displaystyle p,q>1}$ mit ${\displaystyle {\tfrac {1}{p}}+{\tfrac {1}{q}}=1}$

Ungleichungen bei Mittelwerten

Ungleichung v​om arithmetischen u​nd geometrischen Mittel

${\displaystyle {\sqrt[{n}]{a_{1}\cdot \ldots \cdot a_{n}}}\leq {\frac {1}{n}}(a_{1}+\ldots +a_{n})}$   für ${\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{n}\geq 0}$ und ${\displaystyle n=2,3,\ldots }$

Ungleichung v​om harmonischen u​nd geometrischen Mittel

${\displaystyle {\frac {n}{{\frac {1}{a_{1}}}+\ldots +{\frac {1}{a_{n}}}}}\leq {\sqrt[{n}]{a_{1}\cdot \ldots \cdot a_{n}}}}$   für ${\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{n}>0}$ und ${\displaystyle n=2,3,\ldots }$

Komplexe Zahlen

Algebraische Form

Darstellung

${\displaystyle z=a+b\cdot \mathrm {i} }$   mit Realteil ${\displaystyle a}$, Imaginärteil ${\displaystyle b}$ und der imaginären Einheit ${\displaystyle \mathrm {i} }$

${\displaystyle {\bar {z}}=a-b\cdot \mathrm {i} }$   (Komplexe Konjugation)

Potenzen d​er imaginären Einheit

${\displaystyle \mathrm {i} ^{0}=1}$

${\displaystyle \mathrm {i} ^{1}=\mathrm {i} }$

${\displaystyle \mathrm {i} ^{2}=-1}$

${\displaystyle \mathrm {i} ^{3}=-\mathrm {i} }$

Allgemein für ${\displaystyle n\in \mathbb {Z} }$:

${\displaystyle \mathrm {i} ^{4n}=1}$

${\displaystyle \mathrm {i} ^{4n+1}=\mathrm {i} }$

${\displaystyle \mathrm {i} ^{4n+2}=-1}$

${\displaystyle \mathrm {i} ^{4n+3}=-\mathrm {i} }$

Arithmetische Operationen

${\displaystyle (a+\mathrm {i} b)+(c+\mathrm {i} d)=(a+c)+\mathrm {i} (b+d)}$

${\displaystyle (a+\mathrm {i} b)-(c+\mathrm {i} d)=(a-c)+\mathrm {i} (b-d)}$

${\displaystyle (a+\mathrm {i} b)\cdot (c+\mathrm {i} d)=ac-bd+\mathrm {i} (ad+bc)}$

${\displaystyle (a+\mathrm {i} b):(c+\mathrm {i} d)={\frac {ac+bd}{c^{2}+d^{2}}}+\mathrm {i} \,{\frac {bc-ad}{c^{2}+d^{2}}}}$   für ${\displaystyle c^{2}+d^{2}\neq 0}$

Polarform

Darstellung

${\displaystyle z=r\cdot (\cos(\varphi )+\mathrm {i} \cdot \sin(\varphi ))}$   mit dem Betrag ${\displaystyle r}$ und dem Argument ${\displaystyle \varphi }$

Betrag

${\displaystyle r=|z|={\sqrt {z\cdot {\bar {z}}}}={\sqrt {a^{2}+b^{2}}}}$

Argument

${\displaystyle \varphi ={\begin{cases}\arctan {\frac {b}{a}}&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \ a>0\\\arctan {\frac {b}{a}}+\pi &\mathrm {f{\ddot {u}}r} \ a<0,b\geq 0\\\arctan {\frac {b}{a}}-\pi &\mathrm {f{\ddot {u}}r} \ a<0,b<0\\\pi /2&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \ a=0,b>0\\-\pi /2&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \ a=0,b<0\end{cases}}}$

oder

${\displaystyle \varphi ={\begin{cases}\arccos {\frac {a}{r}}&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \ b\geq 0\\\arccos \left(-{\frac {a}{r}}\right)-\pi &\mathrm {f{\ddot {u}}r} \ b<0\end{cases}}}$

Exponentialform

Darstellung

${\displaystyle z=r\cdot e^{\mathrm {i} \varphi }}$   mit der eulerschen Zahl ${\displaystyle e}$

${\displaystyle e^{\mathrm {i} \varphi }=\cos \varphi +\mathrm {i} \,\sin \varphi }$   (Eulersche Formel)

Umrechnungsformeln

${\displaystyle \sin \varphi ={\frac {e^{\mathrm {i} \varphi }-e^{-\mathrm {i} \varphi }}{2\mathrm {i} }}}$

${\displaystyle \cos \varphi ={\frac {e^{\mathrm {i} \varphi }+e^{-\mathrm {i} \varphi }}{2}}}$

Arithmetische Operationen

${\displaystyle (r\cdot e^{\mathrm {i} \varphi })\pm (s\cdot e^{\mathrm {i} \psi })={\sqrt {r^{2}+s^{2}\pm 2rs\cos(\varphi -\psi )}}\cdot e^{\mathrm {i} \operatorname {atan2} \left(r\sin \varphi \pm s\sin \psi ,r\cos \varphi \pm s\cos \psi \right)}}$

${\displaystyle (r\cdot e^{\mathrm {i} \varphi })\cdot (s\cdot e^{\mathrm {i} \psi })=(r\cdot s)\cdot e^{\mathrm {i} (\varphi +\psi )}}$

${\displaystyle (r\cdot e^{\mathrm {i} \varphi }):(s\cdot e^{\mathrm {i} \psi })=(r:s)\cdot e^{\mathrm {i} (\varphi -\psi )}}$

Potenzen

${\displaystyle (r\cdot e^{\mathrm {i} \varphi })^{n}=r^{n}\cdot e^{\mathrm {i} n\varphi }}$

Wurzeln

${\displaystyle x^{n}=1\,\Leftrightarrow \,x=e^{2\pi \mathrm {i} k/n}}$   für ${\displaystyle k=0,1,\dots ,n-1}$   (Einheitswurzeln)

${\displaystyle x^{n}=z\,\Leftrightarrow \,x={\sqrt[{n}]{|z|}}\cdot e^{(\mathrm {i} \arg(z)+2\pi \mathrm {i} k)/n}}$   für ${\displaystyle k=0,1,\dots ,n-1}$

Summenformeln

Rechenregeln

${\displaystyle \sum _{i=1}^{n}c=n\cdot c}$

${\displaystyle \sum _{i=m}^{n}c=(n-m+1)\cdot c}$

${\displaystyle \sum _{i=m}^{n}c\cdot a_{i}=c\cdot \sum _{i=m}^{n}a_{i}}$

${\displaystyle \sum _{i=m}^{n}(a_{i}+b_{i})=\sum _{i=m}^{n}a_{i}+\sum _{i=m}^{n}b_{i}}$

${\displaystyle \sum _{i=m}^{n}a_{i}=\sum _{i=m-r}^{n-r}a_{i+r}}$

${\displaystyle \sum _{i=1}^{n}(a_{i}-a_{i-1})=a_{n}-a_{0}}$   (Teleskopsumme)

Arithmetische Reihe

${\displaystyle \sum _{i=1}^{n}i={\frac {n(n+1)}{2}}}$   (Gaußsche Summenformel)

Geometrische Reihe

${\displaystyle \sum _{i=0}^{n}k^{i}={\frac {1-k^{n+1}}{1-k}}}$

Potenzsummen

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

${\displaystyle \sum _{i=1}^{n}i^{3}={\frac {n^{2}(n+1)^{2}}{4}}}$

Für weitere Potenzsummen siehe Faulhabersche Formel.

Kombinatorische Summen

Binomischer Lehrsatz

${\displaystyle (a+b)^{n}=\sum _{k=0}^{n}{n \choose k}a^{n-k}b^{k}}$

Multinomialtheorem

${\displaystyle \left(\sum _{i=1}^{k}a_{i}\right)^{n}=\sum _{n_{1}+\ldots +n_{k}=n}{n \choose n_{1},\ldots ,n_{k}}\,\cdot \,a_{1}^{n_{1}}\cdot a_{2}^{n_{2}}\cdots a_{k}^{n_{k}}}$

Ungleichungen bei Summen

Cauchy-Schwarzsche Ungleichung

${\displaystyle \left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}\cdot b_{i}\right)^{2}\leq \left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}^{2}\right)\cdot \left(\sum _{i=1}^{n}b_{i}^{2}\right)}$   für alle ${\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{n}}$ und ${\displaystyle b_{1},\ldots ,b_{n}}$

Tschebyscheff-Ungleichungen

${\displaystyle n\cdot \left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}\cdot b_{i}\right)\geq \left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}\right)\cdot \left(\sum _{i=1}^{n}b_{i}\right)}$   für alle ${\displaystyle a_{1}\geq \ldots \geq a_{n}}$ und ${\displaystyle b_{1}\geq \ldots \geq b_{n}}$

${\displaystyle n\cdot \left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}\cdot b_{i}\right)\leq \left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}\right)\cdot \left(\sum _{i=1}^{n}b_{i}\right)}$   für alle ${\displaystyle a_{1}\geq \ldots \geq a_{n}}$ und ${\displaystyle b_{1}\leq \ldots \leq b_{n}}$

Minkowski-Ungleichung

${\displaystyle \left(\sum _{i=1}^{n}|a_{i}+b_{i}|^{p}\right)^{1/p}\leq \left(\sum _{i=1}^{n}|a_{i}|^{p}\right)^{1/p}+\left(\sum _{i=1}^{n}|b_{i}|^{p}\right)^{1/p}}$   für alle ${\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{n}}$ und ${\displaystyle b_{1},\ldots ,b_{n}}$ sowie ${\displaystyle p\geq 1}$

Hölder-Ungleichung

${\displaystyle \sum _{i=1}^{n}|a_{i}\cdot b_{i}|\leq \left(\sum _{i=1}^{n}|a_{i}|^{p}\right)^{1/p}\cdot \left(\sum _{i=1}^{n}|b_{i}|^{q}\right)^{1/q}}$   für alle ${\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{n}}$ und ${\displaystyle b_{1},\ldots ,b_{n}}$ sowie ${\displaystyle p,q\geq 1}$ mit ${\displaystyle {\tfrac {1}{p}}+{\tfrac {1}{q}}=1}$

Jensensche Ungleichung

${\displaystyle f\left(\sum _{i=1}^{n}a_{i}\cdot b_{i}\right)\leq \sum _{i=1}^{n}a_{i}\cdot f(b_{i})}$   für jede konvexe Funktion ${\displaystyle f}$, ${\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{n}\geq 0}$ mit ${\displaystyle a_{1}+\ldots +a_{n}=1}$ und alle ${\displaystyle b_{1},\ldots ,b_{n}}$

Literatur

• Bronstein et al.: Taschenbuch der Mathematik. 7. Auflage. Harri Deutsch, 2008, ISBN 978-3-8171-2007-9.