是啊。如果“选 择n- 1 个x,一个y进行相乘”的话,会有几种组合的可能性呢?
问得好!k是为了进行一般化计算而引入的变量,表示选择的y的个数。k是整数,满足 0 ≤k≤n这个条件。刚才我就问了当k= 0(全部选择x进行相乘)时的情况和k= 1(选择n- 1 个x,一个y进行相乘)时的情况。
“学……学长!我们回到原来的话题吧。”泰朵拉提醒道。
嗯,比起准备无数个具体的公式,我们只要准备一个引入n这个变量的公式就好了。这就是一般化的公式。各项也引入了k这个变量来表示一般化的公式。
“我背不出来,不好意思啊。”泰朵拉说。
你看,是一样的吧。
运用了下降阶乘幂后,就可以写得更漂亮些了。
“嗯……”泰朵拉好像不太明白。
“让我想想哦。嗯,n是指n个 (x+y) 相乘吧,k是指什么呢?”她问道。
没有,将 (n-k)! 的部分进行约分后你就会发现,其实这两个式子是一样的。比如你考虑一下从5个东西中选出3个时的组合情况……
啊?不是,不是靠背的哦。不是让你回想背过的公式,而是让你思考。思考怎么推导出公式。
对的,完全正确!接着,我们进行一般化。如果“选择n-k个x,k个y进行相乘”的话,会有几种组合的可能性呢?
嗯,这个式子表示将x+y平方后所变成的形式。以下为x+y的三次方的形式。
这个数字就是的系数。
“是啊,但是……n-k啦k啦这样的变量乱七八糟的,背起来好像很困难。”她说。
啊,对不起。我岔开话题了,言归正传。我们刚才快求到 (x+y)n的展开式了吧。为了更容易看出其中的规律,我们将式子写得具体一些,可能会有点冗长。
最初我看到这个展开式,怎么都背不下来。但是,当我亲手把这个公式推导出来后,我发现要背出这个公式也并不困难。如果平时练习自己推导公式的话,在不知不觉中就会记住这些公式,一旦有紧急情况,就没有推导的必要,可以直接写出公式了。我觉得这种说法虽然是一种反论,但还是非常有意思的。
“哈哈,这个平衡点就这样从x开始一点一点地朝y的方向移动吧?”她问。
如果你觉得这么写让你感到不安,可以将用来表示的项一一列举出来。这个方法很重要,一直写到自己习惯为止。
不要把n-k和k分开来考虑,而是要把它们想成是“它们的和为n”。然后,这个和的平衡点由 0 到n进行变化。开始的时候x的指数为n,指数最大,这时y的指数为 0,指数最小。x的指数每次减少 1,y的指数就每次增加 1。到最后,x的指数变为了 0,指数最小,y的指数变为了n,指数最大。我是这样考虑的。k就是现在平衡点的位置。
好了,接下来就是验算了。我们先思考具体例子,然后进行了一般化计算。一般化后一定需要验算。如果不验算的话不可以哦。这里我们就用n= 1, 2, 3, 4 代入验算吧。
“哈哈。那么这就是从n个东西中选择k个时所有情况的个数吧。因为选择的顺序是已经规定好的,所以就要进行组合,是这样吧?”她说。
“这个我可以理解。(x+y)n就是将 (x+y) 连续相乘n次后所得的式子。”泰朵拉说。
是的。另外顺便说一句,将n个 (x+y) 相乘的时候,因为是一个个 (x+y) 的式子,问题也就变为选择x或y中的某一个分别进行乘法计算了。比如说,运算三次方的时候,分别从三个并排的 (x+y) 之中选择x或y中的某一个进行乘法计算。为了考虑到所有可能的选择方式,我们将选中的x和y用圆圈圈出来。
“嗯,我们可以从最右边的一个式子中选择y,剩下的其他式子都选择x;我们也可以从右数第二个式子中选择y,剩下的其他式子都选择x……以此类推都可以,一共有n种组合的可能性。”她说。
“嗯,我明白了。xxx,xxy,xyx, ... ,yyy这几项在排列上好像也有一定的规律啊。”她说。
在电车车站前那家店名叫“豆子”的咖啡店,我们边喝咖啡,边把数学公式展开。
“嗯,我明白了。我还有一个问题,我记得组合的公式是
“嗯,话虽如此,‘组合’竟然是在这种情况下出现的啊。在学习概率的时候,选择白球和红球的组合问题,我记得我算了很多乘法运算呢,好像是进行了约分的练习。但是,像这样进行公式展开,然后算出组合数的方法我还从不知道。”泰朵拉说。
问题 7-2
设n为正整数,将以下式子展开。
我们知道xn和yn这两项一定会出现。接着只要在xn与yn之间省略号的地方填上恰当的项就可以了。
首先,在进行一般化之前,先整理一下自己所掌握的具体知识吧。我们先列出一些具体例子,观察一下其结果。这么做还可以确认自己是否真正理解了题目的意思。“举例是理解的试金石”嘛。将n为 1, 2, 3, 4 的情 况分别代入 (x+y)n进行计算,得到下面的式子。
“是的。嗯……这是关于x和y的恒等式。”
我们关注一下各项中变形的部分,如果用来表示,就可以得到以下式子,这个式子称为二项式定理。
这就是所要求的式子。(x+y)(x+y)(x+y) 这个“先相加再相乘”的式子变成了这个“先相乘再相加”的式子。这就是公式的展开。反过来将“先相乘再相加”的式子变成“先相加再相乘”的式子就是因式分解了。
嗯,确实是,泰朵拉真是一针见血啊。
啊,和nCk完全一样。我经常看到数学书中把组合写成的形式。对了,矩阵和矢量也用和相似的形式来表示,虽然它们和组合毫无关系。
她害羞地嘿嘿笑着,吐了吐舌头。
“学长……有这个符号后,我突然觉得变难了。”
从n个东西中选出k个时组合的个数
“嗯,因为全都选择x,所以只有一种组合的可能性吧。”她答道。
正是如此。指数全部加起来为n次方,然后分别分摊到x和y的指数上,就像把围巾分成两半。
可以将普通的阶乘n! 写成下面这样的下降阶乘幂形式。
在表示组合时使用下降阶乘幂的话,式子会变得更简单。下降阶乘幂是指将含有的式子改写成沿着n阶阶梯逐步下降的乘积形式,也就是可以变成这样的形式。
那么,我们再往下计算吧。从n个 (x+y) 中选择x或者y中的一个。如果“全都选择x进行相乘”的话,有几种组合的可能性呢?
然后,进入到一般化的步骤。现在我们要求的是以下式子。
“学长,我有问题。”泰朵拉把右手举得高高的,“是什么呀?组合是指nCk吧。如果是这样的话,我是明白的。”
虽然算到这里就可以了,但我们还是试着将这个指数进行一般化看看。也就是说,不是光算平方、三次方之类的数学公式,而是计算“n次方的数学公式”,也就是求 (x+y)n的展开式。
这样就罗列出了所有乘法组合的可能性。把这些项都加起来。
我们来这样思考。
比如说,有一个这样的公式。
解答 7-2 (x+y)n的展开式(二项式定理)
泰朵拉把数字代入式子一一确认后频频点头,说:“我看到公式中出现了那么多字母,一开始想‘哇,这么麻烦啊’,但一想到这就是一般化后的结果,不知道怎么的就觉得还能接受。增加那么多字母也是没有办法的。”
这个式子和学长所写的式子有所出入啊。”
即
嗯,是的,就是组合。选择k个y,n-k个x时,可以用以下式子来表示这个组合。