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二项式定理:通项、系数和与赋值法

二项式定理不是纯代数公式,它本质上也是计数:展开 $(a+b)^n$ 时,每一项都来自 $n$ 个括号中分别选择 $a$ 或 $b$。

定理

$$ (a+b)^n=\sum_{r=0}^{n}C_n^r a^{n-r}b^r. $$

其中第 $r+1$ 项为

$$ T_{r+1}=C_n^r a^{n-r}b^r. $$

注意:通项中的 $r$ 从 $0$ 开始,第 $r+1$ 项才对应 $C_n^r$。

指定项和常数项

求指定项时,先写通项,再根据指数条件解 $r$。

例如求 $(x+\frac{1}{x})^8$ 的常数项:

$$ T_{r+1}=C_8^r x^{8-r}\left(\frac1x\right)^r=C_8^r x^{8-2r}. $$

常数项要求指数为 0,所以 $8-2r=0$,得 $r=4$。常数项为 $C_8^4=70$。

系数和

多项式

$$ f(x)=a_0+a_1x+\cdots+a_nx^n $$

所有系数和为

$$ f(1). $$

偶次项系数和与奇次项系数和可由 $f(1)$ 和 $f(-1)$ 联立得到:

$$ E+O=f(1),\quad E-O=f(-1). $$

二项式系数与项的系数

二项式系数是 $C_n^r$。项的系数还要把 $a^{n-r}b^r$ 中的常数因子算进去。

比如 $(2x-1)^5$ 中 $x^3$ 项的系数不是 $C_5^2$,而是

$$ C_5^2(2x)^3(-1)^2=80x^3. $$

最小例子

求 $(1-2x)^6$ 中 $x^3$ 项的系数。

查看解答

通项为

$$ T_{r+1}=C_6^r 1^{6-r}(-2x)^r=C_6^r(-2)^r x^r. $$

要求 $x^3$ 项,令 $r=3$。系数为

$$ C_6^3(-2)^3=20\cdot(-8)=-160. $$

费曼讲题任务

让学生说清:

  1. 通项里的 $r$ 从哪里来。
  2. 指数条件是什么。
  3. 求的是二项式系数,还是项的系数。
  4. 能否用 $x=1,-1$ 快速处理系数和。