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二项式定理与杨辉三角

核心概念

二项式定理:

(a+b)n=∑k=0nCnk a n−kb k=Cn0an+Cn1an−1b+⋯+Cnnbn.(a+b)^n = \sum_{k=0}^{n} C_n^k\, a^{\,n-k} b^{\,k} = C_n^0 a^n + C_n^1 a^{n-1}b + \cdots + C_n^n b^n.

第 k+1k+1 项(通项)为 Tk+1=Cnkan−kbkT_{k+1} = C_n^k a^{n-k} b^k。

杨辉三角(帕斯卡三角):第 nn 行的数恰是 Cn0,Cn1,…,CnnC_n^0, C_n^1, \dots, C_n^n,且满足

Cnk=Cn−1k−1+Cn−1k(每个数等于上方两数之和).C_n^k = C_{n-1}^{k-1} + C_{n-1}^{k}\quad(\text{每个数等于上方两数之和}).

两个常用求和:

∑k=0nCnk=2n,∑k=0n(−1)kCnk=0 (n≥1).\sum_{k=0}^{n} C_n^k = 2^n,\qquad \sum_{k=0}^{n} (-1)^k C_n^k = 0\ (n\ge1).

直观理解 · 动手试试

二项式定理回答"(a+b)n(a+b)^n 展开后每一项的系数是多少"。展开就是从 nn 个括号里各选一个 aa 或 bb 相乘;要得到 an−kbka^{n-k}b^k,就是从 nn 个括号中选 kk 个出 bb,方法数正是 CnkC_n^k。所以组合数天然就是二项式系数。

杨辉三角把这些系数排成漂亮的三角形:每个数是它上方两数之和,正对应组合恒等式 Cnk=Cn−1k−1+Cn−1kC_n^k=C_{n-1}^{k-1}+C_{n-1}^k(选第 nn 个元素或不选)。而"整行求和等于 2n2^n",其实就是 nn 元集合的子集总数——每个元素选或不选,共 2n2^n 种。

杨辉三角

二项式系数与第 4 行

1
11
121
1331
14641
第 4 行各数之和 = 16 = 24
也就是 4 元集合的子集总数
4

每个数等于上方两数之和(组合恒等式),第 n 行恰是 (a+b)ⁿ 的系数,整行之和总是 2ⁿ。

例题 1展开三次方

展开 (a+b)3(a+b)^3。

▸查看解答步骤

答: a³+3a²b+3ab²+b³

例题 2求指定项系数

求 (1+x)5(1+x)^5 展开式中 x2x^2 的系数。

▸查看解答步骤

答: 10

即时练习

杨辉三角第 44 行(即 (a+b)4(a+b)^4 的系数)所有数之和是多少?

∑kC4k=24=16\sum_k C_4^k = 2^4 = 16。

(1+x)5(1+x)^5 展开式中 x2x^2 的系数是多少?

C52=10C_5^2 = 10。

(a+b)4(a+b)^4 展开式中 a2b2a^2b^2 的系数是多少?

C42=4×32=6C_4^2 = \frac{4\times3}{2} = 6。

一个含 55 个元素的集合有多少个子集?

∑kC5k=25=32\sum_k C_5^k = 2^5 = 32。

杨辉三角中,每个数等于它上方相邻两数之和。

即组合恒等式 Cnk=Cn−1k−1+Cn−1kC_n^k = C_{n-1}^{k-1}+C_{n-1}^k。

易错点

  • 通项项号差一。 第 k+1k+1 项才是 Cnkan−kbkC_n^k a^{n-k}b^k,求"第几项"时注意 +1+1。
  • 幂次配错。 aa 的指数 n−kn-k 与 bb 的指数 kk 之和恒为 nn。
  • 行号与幂次混。 (a+b)n(a+b)^n 用的是杨辉三角第 nn 行,该行共有 n+1n+1 个数。

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