展开式的系数,从哪里来?
如果同一个括号要自乘很多次,比如 ,会得到什么?把每一次相乘都写出来很快就会变得很长,可这样的展开却经常出现。例如,求 这样一条曲线的斜率,就需要展开 ;导数页面对 用到的正是同一类式子。计数问题也会出现同样的结构,因为每个括号都给我们一次“二选一”。展开两个括号的方法,是用一个括号里的每一项去乘另一个括号里的每一项(因式分解页面用过这个方法);这里我们要找一个更快的办法来处理很多个括号。曲线斜率只是这类展开出现的一个地方;如果还没有见过它,可以先跳过这个例子,后面的内容从括号相乘和数取法讲起。
我们先看 ,也就是 。为什么最后会出现 ,而不是只有一个 ?先把四次相乘逐个写出来,再增加一个括号。把这些选择记录清楚,就能找出更高次幂的规律。
01两个括号,四种取法
分配律告诉我们 :分别相乘,再把结果相加。对两个括号都这样做:第一个括号取 a 或 b,第二个括号再取 a 或 b。可以播放、暂停,也可以逐项收集。
指数 2 表示 2 个 (a+b) 相乘。展开时,从每个括号各取一个字母,把取出的字母相乘。
取法 ab 与 ba 的括号位置不同,但普通数的乘法满足 ab = ba,所以它们的乘积相等。相加就是 ab + ab = 2ab。注意:a² 中的 2 数的是相乘的 a;2ab 中的 2 数的是相加的同类项。
02三个括号,开始数位置
现在每一种取法都包含三个字母,因此指数之和总是 3。要得到 ,就需要两个括号取 、剩下一个括号取 。图中保留了全部八种取法,你可以找出其中得到 的三种,并比较它们选中了哪些位置。
指数 3 表示 3 个 (a+b) 相乘。展开时,从每个括号各取一个字母,把取出的字母相乘。
为什么 会出现三次?
三个括号各占一个不同的位置。选两个位置取 a,剩下的位置就必须取 b。也可以反过来,只选出那一个取 b 的位置。
选择位置 1, 2
选择位置 1, 3
选择位置 2, 3
这是对同样三种取法的两种计数方式,不是六种不同取法。组合数只数选中了哪些位置,不把点击这些位置的先后顺序重复计算。
这两种写法都读作「从 个中选 个」。 是可选位置的总数, 是需要选的位置数。这里 ;数 的位置时 ,数 的位置时 。
03 个括号,选 个取
用 表示取 的括号数。其余括号都取 ,所以有 个 ,乘积就是 。系数是「从 个位置中选 个」的组合数,因为每一种这样的位置选择都会得到相同乘积。这里的 就是前面 中的 。
2 个 a 与 3 个 b 相乘。点击上方任意括号,即可切换它选取的字母。
= 10 种不同取法,得到同一种乘积。
从 5 个位置中选 2 个取 a,剩下 3 个位置必须取 b。这样的取法共有 10 种,所以 a²b³ 的系数就是 10。
各项按 a 的个数从 0 到 n 排列。点击某一项,即可查看它的系数所对应的全部取法。项的顺序改变,不影响相加的结果。
从 开始:每个括号都取 ,得到一次 。让 逐个增加,直到 :每个括号都取 ,得到一次 。这样就把全部取法恰好列了一遍,并按乘积归为同类项。
是「把这些项相加」的简写。下方 告诉我们从哪里开始,上方 告诉我们在哪里结束。指数告诉你选了什么,系数告诉你有多少种取法。这就是二项式定理。
这里 是非负整数。指数为零的因子省略不写; 时展开式为 1。交互演示最多取 ,但上述计数方法适用于任意非负整数 。
