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二项式定理:修订间差异

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<math display="block">(1+t)^4=1+4t+6t^2+4t^3+t^4.</math>
<math display="block">(1+t)^4=1+4t+6t^2+4t^3+t^4.</math>
中间的 6 是从四个括号中选两个取 <math>t</math> 的方案数,不是碰巧的数列。
中间的 6 是从四个括号中选两个取 <math>t</math> 的方案数,不是碰巧的数列。
通常把含 <math>y^k</math> 的一项写为 <math>T_{k+1}=\binom nk x^{n-k}y^k</math>,它是从 <math>k=0</math> 开始数的第 <math>k+1</math> 项。例如 <math>(x+y)^5</math> 中含 <math>x^3y^2</math> 的项是第三项,系数 <math>\binom52=10</math>。项的序号与 <math>y</math> 的指数差 1,做指定项问题时宜先对照两者。
== 系数的对称、峰值与递推 ==
第 <math>k</math> 个系数与第 <math>n-k</math> 个系数相等,因为选中 <math>k</math> 个位置等价于留下 <math>n-k</math> 个位置。相邻系数的比为
<math display="block">\frac{\binom n{k+1}}{\binom nk}=\frac{n-k}{k+1}\qquad(0\le k<n).</math>
当 <math>n-k>k+1</math> 时系数继续增大,反向时开始减小。因此 <math>n</math> 为偶数时中间的 <math>\binom n{n/2}</math> 唯一最大;<math>n</math> 为奇数时中央两项相等且最大。例 <math>n=5</math> 时系数为 <math>1,5,10,10,5,1</math>。
把最后一个括号单独写成 <math>(x+y)^n=(x+y)(x+y)^{n-1}</math>。新的 <math>x^{n-k}y^k</math> 可以从上一行的 <math>x\cdot x^{n-k-1}y^k</math> 来,也可以从 <math>y\cdot x^{n-k}y^{k-1}</math> 来,所以
<math display="block">\binom nk=\binom{n-1}k+\binom{n-1}{k-1}\quad(1\le k\le n-1).</math>
这正是[[杨辉三角]]中“上方相邻两数相加”的规则。它也能直接按“一个指定对象是否被选中”证明;两种证明分别从代数展开与组合分类出发。


== 两种快速核对 ==
== 两种快速核对 ==
令 <math>x=y=1</math>,得到 <math>\sum_{k=0}^n\binom nk=2^n</math>:左边按选中元素数量分组统计所有子集,右边按每个元素收或不收统计。令 <math>x=1,y=-1</math> 且 <math>n\ge1</math>,得到交替和 <math>\sum_{k=0}^n(-1)^k\binom nk=0</math>。这些代入可检验一行系数是否漏项,却不替代上面的组合证明。
令 <math>x=y=1</math>,得到 <math>\sum_{k=0}^n\binom nk=2^n</math>:左边按选中元素数量分组统计所有子集,右边按每个元素收或不收统计。令 <math>x=1,y=-1</math> 且 <math>n\ge1</math>,得到交替和 <math>\sum_{k=0}^n(-1)^k\binom nk=0</math>。这些代入可检验一行系数是否漏项,却不替代上面的组合证明。
将普通和与交替和相加、相减,得到偶数下标系数之和、奇数下标系数之和都等于 <math>2^{n-1}</math>(<math>n\ge1</math>)。若 <math>n=0</math>,唯一的系数是 1,不能把两类说成各占一半。


== 参考资料 ==
== 参考资料 ==
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* [https://ocw.mit.edu/courses/6-042j-mathematics-for-computer-science-fall-2010/93cad640cf3ed0b23ef70688f452d4d5_MIT6_042JF10_notes.pdf MIT 6.042J Fall 2010,Mathematics for Computer Science 课程讲义]。
* [https://ocw.mit.edu/courses/6-042j-mathematics-for-computer-science-fall-2010/93cad640cf3ed0b23ef70688f452d4d5_MIT6_042JF10_notes.pdf MIT 6.042J Fall 2010,Mathematics for Computer Science 课程讲义]。
* 继续阅读:[[组合数学]]、[[帕斯卡恒等式]]、[[幂集]]。
* 继续阅读:[[组合数学]]、[[帕斯卡恒等式]]、[[幂集]]。
[[分类:高中数学]]
[[分类:离散数学]]
[[分类:离散数学]]
[[分类:代数]]
[[分类:代数]]

2026年10月9日 (五) 12:12的最新版本

二项式定理展开两个可交换量的整数次幂: (x+y)n=∑k=0n(nk)xn−kyk,n∈ℕ0. 系数 (nk) 表示从 n 个位置中选 k 个的位置数。这里 x,y 可以是实数、复数或可交换的代数元素;若乘法不交换,不能不加修改地套用同一展开式。

系数从选择位置得到

把 (x+y)n 看成 n 个括号相乘。要得到 xn−kyk,恰需从其中 k 个括号取 y,其余取 x。每种选择都贡献同一个单项式,因此其系数为 (nk)。例如 (1+t)4=1+4t+6t2+4t3+t4. 中间的 6 是从四个括号中选两个取 t 的方案数,不是碰巧的数列。

通常把含 yk 的一项写为 Tk+1=(nk)xn−kyk,它是从 k=0 开始数的第 k+1 项。例如 (x+y)5 中含 x3y2 的项是第三项,系数 (52)=10。项的序号与 y 的指数差 1,做指定项问题时宜先对照两者。

系数的对称、峰值与递推

第 k 个系数与第 n−k 个系数相等,因为选中 k 个位置等价于留下 n−k 个位置。相邻系数的比为 (nk+1)(nk)=n−kk+1(0≤k<n). 当 n−k>k+1 时系数继续增大,反向时开始减小。因此 n 为偶数时中间的 (nn/2) 唯一最大;n 为奇数时中央两项相等且最大。例 n=5 时系数为 1,5,10,10,5,1。

把最后一个括号单独写成 (x+y)n=(x+y)(x+y)n−1。新的 xn−kyk 可以从上一行的 x⋅xn−k−1yk 来,也可以从 y⋅xn−kyk−1 来,所以 (nk)=(n−1k)+(n−1k−1)(1≤k≤n−1). 这正是杨辉三角中“上方相邻两数相加”的规则。它也能直接按“一个指定对象是否被选中”证明;两种证明分别从代数展开与组合分类出发。

两种快速核对

令 x=y=1,得到 ∑k=0n(nk)=2n:左边按选中元素数量分组统计所有子集,右边按每个元素收或不收统计。令 x=1,y=−1 且 n≥1,得到交替和 ∑k=0n(−1)k(nk)=0。这些代入可检验一行系数是否漏项,却不替代上面的组合证明。

将普通和与交替和相加、相减,得到偶数下标系数之和、奇数下标系数之和都等于 2n−1(n≥1)。若 n=0,唯一的系数是 1,不能把两类说成各占一半。

参考资料