问题

R语言,累计求和号连续几个∑∑∑∑这样的怎么编码?

回答
好的,我们来聊聊 R 语言中处理连续求和(也就是多重求和,用多个 $sum$ 来表示)的编码方式。

在数学里,多重求和 $sum_{i=1}^{n} sum_{j=1}^{m} f(i, j)$ 表示的是对函数 $f$ 的两个变量 $i$ 和 $j$ 分别在指定范围内进行求和。在 R 语言中,我们并没有一个直接的符号来写出像 $sum sum sum$ 这样看起来的符号。但我们可以通过 嵌套循环 的方式来实现多重求和的计算。

核心思想:嵌套循环

理解多重求和在 R 中的实现,关键在于“嵌套”。就像你在纸上写 $sum_{i} sum_{j} f(i,j)$ 时,你是先确定一个 $i$ 的值,然后对所有 $j$ 求和,再将这些求和结果对所有 $i$ 累加起来。在 R 里,这个过程就对应着写一个外层循环来控制第一个求和变量,再在里面写一个内层循环来控制第二个求和变量,以此类推。

示例:二重求和 $sum_{i=1}^{n} sum_{j=1}^{m} f(i, j)$

假设我们要计算一个函数 $f(i, j) = i + j$ 的二重求和,其中 $i$ 从 1 到 $n$, $j$ 从 1 到 $m$。

1. 定义函数和范围

首先,我们需要定义我们的函数 $f(i, j)$,以及求和的上下限 $n$ 和 $m$。

```R
定义函数 f(i, j)
my_function < function(i, j) {
return(i + j)
}

定义求和的上限
n < 3
m < 4
```

2. 使用嵌套 `for` 循环

这是最直接、最容易理解的方式。

```R
初始化一个变量来存储总和
total_sum_nested < 0

外层循环控制第一个求和变量 i
for (i in 1:n) {
内层循环控制第二个求和变量 j
for (j in 1:m) {
计算当前 i 和 j 对应的函数值
current_value < my_function(i, j)
将当前值累加到总和中
total_sum_nested < total_sum_nested + current_value
}
}

打印结果
print(paste("嵌套 for 循环计算结果:", total_sum_nested))
```

解释:

`total_sum_nested < 0`: 我们需要一个变量来存放累加的结果,初始值设为 0。
`for (i in 1:n)`: 这个循环会依次让 `i` 取值为 1, 2, ..., $n$。
`for (j in 1:m)`: 对于每一个 `i` 的值,这个内层循环会依次让 `j` 取值为 1, 2, ..., $m$。
`current_value < my_function(i, j)`: 在最内层,我们调用 `my_function` 来计算当前的函数值。
`total_sum_nested < total_sum_nested + current_value`: 把计算出的 `current_value` 加到 `total_sum_nested` 上。

这样,当外层和内层循环都结束后,`total_sum_nested` 就存储了 $sum_{i=1}^{n} sum_{j=1}^{m} f(i, j)$ 的结果。

示例:三重求和 $sum_{i=1}^{n} sum_{j=1}^{m} sum_{k=1}^{p} f(i, j, k)$

如果我们有三个求和符号,例如 $sum_{i=1}^{n} sum_{j=1}^{m} sum_{k=1}^{p} f(i, j, k)$,那么就需要三个嵌套的 `for` 循环。

1. 定义函数和范围

```R
定义一个三变量函数
my_function_3d < function(i, j, k) {
return(i + j + k)
}

定义求和的上限
n < 2
m < 3
p < 4
```

2. 使用嵌套 `for` 循环

```R
初始化总和
total_sum_triple_nested < 0

最外层循环
for (i in 1:n) {
第二层循环
for (j in 1:m) {
最内层循环
for (k in 1:p) {
计算函数值并累加
total_sum_triple_nested < total_sum_triple_nested + my_function_3d(i, j, k)
}
}
}

打印结果
print(paste("三重嵌套 for 循环计算结果:", total_sum_triple_nested))
```

推而广之: 如果有 $D$ 个求和符号,就需要 $D$ 层嵌套的 `for` 循环。

更简洁的 R 方式:`apply` 系列函数和 `sum`

虽然嵌套 `for` 循环是基础,但在 R 中,我们通常会追求更“R 式”的、更简洁的代码。对于多重求和,我们可以利用 `expand.grid` 来生成所有可能的变量组合,然后使用 `apply` 函数族来计算,最后再用 `sum` 累加。

回到二重求和 $sum_{i=1}^{n} sum_{j=1}^{m} f(i, j)$

```R
定义函数和范围(同上)
my_function < function(i, j) {
return(i + j)
}
n < 3
m < 4

1. 生成所有 (i, j) 的组合
expand.grid 会生成一个数据框,每一行代表一个组合
index_combinations < expand.grid(i = 1:n, j = 1:m)

2. 对每一对 (i, j) 计算函数值
sapply 会将结果以向量或列表的形式返回
apply(index_combinations, 1, ...) 也可以,但 sapply 可能更直接
values < sapply(1:nrow(index_combinations), function(row_index) {
从数据框中提取 i 和 j 的值
current_i < index_combinations$i[row_index]
current_j < index_combinations$j[row_index]
计算函数值
return(my_function(current_i, current_j))
})

3. 对所有计算出的值求和
total_sum_apply < sum(values)

打印结果
print(paste("apply/sapply 方式计算结果:", total_sum_apply))
```

解释:

`expand.grid(i = 1:n, j = 1:m)`: 这个函数非常有用,它会创建一个所有参数组合的“网格”。对于 `i` 从 1 到 3,`j` 从 1 到 4,它会生成一个包含 3 4 = 12 行的数据框,每一行是 `(i, j)` 的一个配对。
`sapply(1:nrow(index_combinations), function(row_index) { ... })`: 这里我们遍历 `index_combinations` 数据框的每一行。对于每一行(`row_index`),我们从数据框中取出对应的 `i` 和 `j` 值,然后调用 `my_function` 计算。`sapply` 会把这些计算结果收集到一个向量 `values` 里。
`sum(values)`: 最后,我们将 `values` 向量中的所有元素加起来,就是我们想要的总和。

为什么这种方式“R 式”?

向量化操作: R 的一个强大之处在于它对向量化操作的支持。虽然 `expand.grid` 生成的是数据框,但我们后续的 `sapply` (或 `apply`)以及 `sum` 都可以看作是对这个“集合”进行操作,而不是显式地写出循环的每个步骤。
代码可读性: 对于一些熟悉 R 的用户来说,这种方式可能更直观地表达了“生成所有组合,然后对每个组合应用函数,最后求和”的意图。

进一步的优化:直接利用 `expand.grid` 的输出

我们可以更进一步,直接在 `sapply` 中利用 `expand.grid` 生成的列:

```R
定义函数和范围(同上)
my_function < function(i, j) {
return(i + j)
}
n < 3
m < 4

生成所有 (i, j) 的组合
index_combinations < expand.grid(i = 1:n, j = 1:m)

直接对 expand.grid 生成的每一行应用函数
MARGIN = 1 表示按行操作
FUN 是一个函数,它接收一行数据框作为输入
values_apply < apply(index_combinations, 1, function(row) {
row 是一个向量,包含了数据框的一行值
return(my_function(row["i"], row["j"]))
})

total_sum_apply_direct < sum(values_apply)
print(paste("apply(index_combinations, 1, ...) 方式计算结果:", total_sum_apply_direct))
```

或者,如果你的函数支持直接接收向量作为输入(这就是 R 的向量化能力):

```R
定义一个向量化函数
my_function_vec < function(i_vec, j_vec) {
return(i_vec + j_vec)
}

n < 3
m < 4

生成所有 (i, j) 的组合
index_combinations < expand.grid(i = 1:n, j = 1:m)

直接将 index_combinations 的列传入向量化函数
这里的 my_function_vec(index_combinations$i, index_combinations$j)
会在内部处理所有 i 和 j 的组合,并返回一个向量
values_vectorized < my_function_vec(index_combinations$i, index_combinations$j)

total_sum_vectorized < sum(values_vectorized)
print(paste("向量化函数计算结果:", total_sum_vectorized))
```

请注意: 这种向量化函数的写法是最 R 式的,也是效率最高的。如果你的函数本身就可以处理向量输入,那么就尽量这样写。很多 R 的内置函数(如 `+`, ``, ``, `/` 等)都天然支持向量化。

什么时候用嵌套循环,什么时候用 apply/expand.grid?

嵌套 `for` 循环:
优点: 最直观,容易理解,尤其适合初学者。对于非常复杂的逻辑(例如,内层循环的运行次数依赖于外层循环的值),或者需要处理状态变化的场景,循环可能更方便。
缺点: 通常比向量化操作慢,尤其是当循环次数很大时。代码会比较冗长。

`expand.grid` + `apply`/`sapply`:
优点: 更具 R 的风格,代码通常比嵌套循环短。`expand.grid` 提供了一种系统生成组合的方式。
缺点: 对于非常高维(多个嵌套求和)的情况,`expand.grid` 生成的数据框可能会非常庞大,占用大量内存。

向量化函数:
优点: 效率最高,代码最简洁。是 R 中最推荐的处理方式。
缺点: 要求你的函数本身就是为向量输入设计的,或者你需要将现有函数包装成向量化版本(这有时会涉及更高级的技术,如 `Vectorize()` 函数)。

总结

在 R 语言中,连续的求和符号 $sumsumsumdots$ 并没有直接对应的 R 语法。但其计算过程完全可以通过 嵌套循环 来实现。更“R 式”且通常更高效的方法是利用 `expand.grid` 生成所有组合,然后结合 `apply` 系列函数,或者直接使用 向量化函数 来进行计算。

选择哪种方法取决于你的具体函数、数据规模以及你对 R 语言熟悉程度。对于简单的多重求和,我个人更倾向于使用 `expand.grid` 结合向量化操作,因为它在简洁性和效率之间取得了很好的平衡。如果函数本身无法向量化,并且需要逐项计算,那么 `apply(index_combinations, 1, ...)` 是一个不错的选择。而嵌套 `for` 循环则作为最后的、最直观的备选方案。

网友意见

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献丑了。期待看到更好的方案。

高维数据的存储

如果是问高维数据如何存储,我建议用列表:

        A = list(1:3, 4:6, 7:9)  B = list(11:13, 14:16, 16:19)  C = list(21:23, 24:26, 27:29)  T = list(A, B, C) > T [[1]] [[1]][[1]] [1] 1 2 3  [[1]][[2]] [1] 4 5 6  [[1]][[3]] [1] 7 8 9   [[2]] [[2]][[1]] [1] 11 12 13  [[2]][[2]] [1] 14 15 16  [[2]][[3]] [1] 17 18 19   [[3]] [[3]][[1]] [1] 21 22 23  [[3]][[2]] [1] 24 25 26  [[3]][[3]] [1] 27 28 29     

这样我们就得到一个 的立方阵,至于求和那就很简单了:

       > sum(as.vector(unlist(T))) [1] 405     

可以验证

       S = 0 for(i in 1:3)for(j in 1:3)for(k in 1:3) S = S + T[[i]][[j]][[k]] > S [1] 405     

指标的排列

如何将多重求和转化为如下的形式,

这需要将求和指标 按某种顺序不重不漏地排列。

       #可重复元素的树形图,以矩阵形式列出 CC<-function(n,m) {   M = n^m; N = m*M     C = rep(0, N); C = matrix(C, ncol = m)       a = 1:n     for(i in m:1)     {   B = c()         for(j in a) {copy = n^(m - i); b = rep(j, copy); B = c(B, b)}         B = rep(B, M/(n*copy))         C[,i] = t(B)     }     C  } #例:3 表示每层求和次数,2 表示求和重数 > CC(3,2)       [,1] [,2]  [1,]    1    1  [2,]    1    2  [3,]    1    3  [4,]    2    1  [5,]    2    2  [6,]    2    3  [7,]    3    1  [8,]    3    2  [9,]    3    3     

这样一来,求和指标就完美地排列下来,然后在构造计算 的函数时,定义自变量为指标向量 的函数:

       P <- function(I) expr     

于是,无论是求几重的求和,都可以用 重循环就搞定了(尽管是形式上的):

       # n 表示每层求和次数,m 表示求和重数 S = 0; L = n^m; C = CC(n, m) for(i in L){ I = C[i, ]; S = S + P(I) } S     

副产品

我以前写过不可重复元素的树形图的函数:

       #树形图,n  size, m 为初始数 #树形图采用矩阵形式表示  #这里本来直接定义阶乘函数就行了,但不知道当时抽了什么筋,非要定义成 gamma 函数 gamma <- function(n) {   g = 1     for(i in 2:(n-1)){ g = g*i }     g }  #在Tree的基础上转化为矩阵形式 TT<-function(n,m) {   M = gamma(n); N = n*M     TT = rep(0,N); TT = matrix(TT,ncol = n); TT[,1] = m     a = 1:n     T = list(c(m),a[which(a != m)])     TT[,2] = T[[2]]; TT[,2] = sort(TT[,2])     for(i in a[-(1:2)])     {         p = n - i + 2         T[[i]] = 0         q = length(T[[i - 1]])/p         for(j in 1:q)         {   t = T[[i-1]][((j-1)*p+1):(j*p)]             r = length(t)             for(k in 1:r) T[[i]] = c(T[[i]],t[which(t != t[k])])         }         T[[i]] = T[[i]][-1]         L = length(T[[i]])         TT[,i] = as.vector(t(matrix(rep(T[[i]],M/L),L)))     }     TT  } #例: TT(4,4) 表示以 4 为起始,123 作为分叉的树形图 > TT(4,4)      [,1] [,2] [,3] [,4] [1,]    4    1    2    3 [2,]    4    1    3    2 [3,]    4    2    1    3 [4,]    4    2    3    1 [5,]    4    3    1    2 [6,]    4    3    2    1     

如果去掉第一列,

       > TT(4,4)[,-1]       [,1] [,2] [,3]  [1,]    1    2    3  [2,]    1    3    2  [3,]    2    1    3  [4,]    2    3    1  [5,]    3    1    2  [6,]    3    2    1     

就可以得到 的全排列。

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