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数学女孩 作者:结城浩 近现代)

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7.3 在咖啡店谈二项式定理

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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?

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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 ≤kn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。

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你看,是一样的吧。

运用了下降阶乘幂后,章节插图就可以写得更漂亮些了。

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“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。

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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-kxky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。

这个数字就是章节插图的系数。

“是啊,但是……n-kk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,可以将用章节插图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-kk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。

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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xy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xy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xy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。

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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。

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“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

n为正整数,将以下式子展开。

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我们知道xnyn这两项一定会出现。接着只要在xnyn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xy的恒等式。”

我们关注一下各项中变形的部分,如果用章节插图来表示,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”的式子变成了章节插图这个“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,章节插图nCk完全一样。我经常看到数学书中把组合写成章节插图的形式。对了,矩阵和矢量也用和章节插图相似的形式来表示,虽然它们和组合毫无关系。

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她害羞地嘿嘿笑着,吐了吐舌头。

“学长……有章节插图这个符号后,我突然觉得变难了。”

n个东西中选出k个时组合的个数

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“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xy的指数上,就像把围巾分成两半。

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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章节插图的式子改写成沿着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。

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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,“章节插图是什么呀?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。

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解答 7-2 (x+y)n的展开式(二项式定理)

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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。”

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这个式子和学长所写的式子有所出入啊。”

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嗯,是的,就是组合。选择kyn-kx时,可以用以下式子来表示这个组合。

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