人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。
这一节的页(第 36–48 页)上印着四批题 ,本份全收,共 30 道 :
第 36 页「练习」5 道——它们考的是上一小节 §6.3 的二项式定理与通项 ,但印在第 36 页上,
而第 36 页属于本节目录,所以归这一份(§6.3 那一份只有讲解,它的三页上没有印练习);
第 39 页「练习」4 道,正是本小节的二项式系数性质;
第 39–40 页「习题 6.3」11 道;
第 42–43 页「复习参考题 6」10 道。它是全章的复习题 ,其中一大半(第 1、2、3、4、7、8 题)
考的是计数原理、排列与组合(§6.1–§6.2),不属于本节主题;但一道题只能落在印它那几页所在的
目录里,所以照样在这里收齐。
不收 的是三处没有唯一解答的开放材料:第 41–42 页「小结·回顾与思考」的 5 个问题、
第 44–47 页「数学探究:杨辉三角的性质与应用」的探究活动,以及习题 6.3 第 11 题的第 (2) 问
(查阅史料并撰写过程)。它们要的是写作与查阅,不是可复核的解答——第 11 题的第 (1) 问是
实打实的数学推广,照收。
本站解答没有官方答案可比 (人教A版学生用书不含答案),所以每道题都过了一次独立 verifier 的复核。
每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。
练习(第 36 页)第 1 题
写出 ( p + q ) 5 (p+q)^{5} ( p + q ) 5 的展开式.
直接套二项式定理,n = 5 n=5 n = 5 、a = p a=p a = p 、b = q b=q b = q ,二项式系数是杨辉三角第 5 行 1 , 5 , 10 , 10 , 5 , 1 1,5,10,10,5,1 1 , 5 , 10 , 10 , 5 , 1 :
( p + q ) 5 = p 5 + 5 p 4 q + 10 p 3 q 2 + 10 p 2 q 3 + 5 p q 4 + q 5 . (p+q)^{5}=p^{5}+5p^{4}q+10p^{3}q^{2}+10p^{2}q^{3}+5pq^{4}+q^{5}. ( p + q ) 5 = p 5 + 5 p 4 q + 10 p 3 q 2 + 10 p 2 q 3 + 5 p q 4 + q 5 .
自检 :共 6 6 6 项(n + 1 = 6 n+1=6 n + 1 = 6 )✓;每项的次数都是 5 5 5 (p p p 的指数从 5 5 5 降到 0 0 0 、q q q 的从 0 0 0 升到 5 5 5 )✓;
系数左右对称 ✓;令 p = q = 1 p=q=1 p = q = 1 得 2 5 = 32 2^{5}=32 2 5 = 32 ,而 1 + 5 + 10 + 10 + 5 + 1 = 32 1+5+10+10+5+1=32 1 + 5 + 10 + 10 + 5 + 1 = 32 ✓。
这道题的动作 :把 n + 1 n+1 n + 1 个二项式系数先写出来(小 n n n 直接用杨辉三角,不必算组合数),
再给每一项配上降幂/升幂。
练习(第 36 页)第 2 题
求 ( 2 a + 3 b ) 6 (2a+3b)^{6} ( 2 a + 3 b ) 6 的展开式的第3项.
通项是 T k + 1 = C 6 k ( 2 a ) 6 − k ( 3 b ) k T_{k+1}=\mathrm{C}_6^k(2a)^{6-k}(3b)^k T k + 1 = C 6 k ( 2 a ) 6 − k ( 3 b ) k 。第 3 3 3 项对应 k = 2 k=2 k = 2 (项号比 k k k 大 1 1 1 ):
T 3 = C 6 2 ( 2 a ) 4 ( 3 b ) 2 = 15 × 16 a 4 × 9 b 2 = 2160 a 4 b 2 . T_{3}=\mathrm{C}_6^{2}(2a)^{4}(3b)^{2}=15\times16a^{4}\times9b^{2}=2160a^{4}b^{2}. T 3 = C 6 2 ( 2 a ) 4 ( 3 b ) 2 = 15 × 16 a 4 × 9 b 2 = 2160 a 4 b 2 .
自检 :C 6 2 = 15 \mathrm{C}_6^2=15 C 6 2 = 15 ,2 4 = 16 2^4=16 2 4 = 16 ,3 2 = 9 3^2=9 3 2 = 9 ,15 × 16 × 9 = 2160 15\times16\times9=2160 15 × 16 × 9 = 2160 ✓;次数 4 + 2 = 6 4+2=6 4 + 2 = 6 ✓。
这道题的动作 :2 2 2 与 3 3 3 是系数,必须整体代进括号的幂 ——写成 15 a 4 b 2 15a^4b^2 15 a 4 b 2 是最常见的错。
练习(第 36 页)第 3 题
写出 ( x 3 − 1 2 x 3 ) n \left(\sqrt[3]{x} - \frac{1}{2\sqrt[3]{x}}\right)^n ( 3 x − 2 3 x 1 ) n 的展开式的第 r + 1 r + 1 r + 1 项.
先把两项都化成 x x x 的幂:x 3 = x 1 3 \sqrt[3]{x}=x^{\frac13} 3 x = x 3 1 ,− 1 2 x 3 = − 1 2 x − 1 3 -\dfrac{1}{2\sqrt[3]{x}}=-\dfrac12x^{-\frac13} − 2 3 x 1 = − 2 1 x − 3 1 。
于是第 r + 1 r+1 r + 1 项(取 k = r k=r k = r )为
T r + 1 = C n r ( x 1 3 ) n − r ( − 1 2 x − 1 3 ) r = ( − 1 ) r 1 2 r C n r x n − r 3 − r 3 = ( − 1 ) r C n r 2 r x n − 2 r 3 . T_{r+1}=\mathrm{C}_n^{r}\left(x^{\frac13}\right)^{n-r}\left(-\frac12x^{-\frac13}\right)^{r}
=(-1)^{r}\frac{1}{2^{r}}\mathrm{C}_n^{r}\,x^{\frac{n-r}{3}-\frac r3}
=(-1)^{r}\frac{\mathrm{C}_n^{r}}{2^{r}}\,x^{\frac{n-2r}{3}} . T r + 1 = C n r ( x 3 1 ) n − r ( − 2 1 x − 3 1 ) r = ( − 1 ) r 2 r 1 C n r x 3 n − r − 3 r = ( − 1 ) r 2 r C n r x 3 n − 2 r .
其中 0 ≤ r ≤ n 0\le r\le n 0 ≤ r ≤ n 、r ∈ N r\in\mathbf{N} r ∈ N (x > 0 x>0 x > 0 时上式各步都有意义)。
自检 :令 r = 0 r=0 r = 0 得 x n 3 = ( x 3 ) n x^{\frac n3}=\left(\sqrt[3]{x}\right)^n x 3 n = ( 3 x ) n ,正是首项 ✓;令 r = n r=n r = n 得
( − 1 ) n 1 2 n x − n 3 (-1)^n\dfrac{1}{2^n}x^{-\frac n3} ( − 1 ) n 2 n 1 x − 3 n ,正是末项 ( − 1 2 x 3 ) n \left(-\dfrac{1}{2\sqrt[3]{x}}\right)^n ( − 2 3 x 1 ) n ✓。
这道题的动作 :负号与 1 2 \dfrac12 2 1 都要整体进 b r b^r b r ,指数则合并成一个关于 r r r 的一次式
n − 2 r 3 \dfrac{n-2r}{3} 3 n − 2 r ——后面凡是「求常数项/某次项」的题,都是解这个一次式等于目标次数。
练习(第 36 页)第 4 题
( x − 1 ) 10 (x - 1)^{10} ( x − 1 ) 10 的展开式的第6项的系数是().(A) C 10 6 \mathrm{C}_{10}^{6} C 10 6 (B) − C 10 6 -\mathrm{C}_{10}^{6} − C 10 6 (C) C 10 5 \mathrm{C}_{10}^{5} C 10 5 (D) − C 10 5 -\mathrm{C}_{10}^{5} − C 10 5
把 ( x − 1 ) 10 (x-1)^{10} ( x − 1 ) 10 看成 ( x + ( − 1 ) ) 10 \bigl(x+(-1)\bigr)^{10} ( x + ( − 1 ) ) 10 ,通项 T k + 1 = C 10 k x 10 − k ( − 1 ) k T_{k+1}=\mathrm{C}_{10}^{k}x^{10-k}(-1)^{k} T k + 1 = C 10 k x 10 − k ( − 1 ) k 。
第 6 6 6 项对应 k = 5 k=5 k = 5 :
T 6 = C 10 5 x 5 ( − 1 ) 5 = − C 10 5 x 5 , T_{6}=\mathrm{C}_{10}^{5}x^{5}(-1)^{5}=-\mathrm{C}_{10}^{5}x^{5}, T 6 = C 10 5 x 5 ( − 1 ) 5 = − C 10 5 x 5 ,
所以第 6 6 6 项的系数是 − C 10 5 -\mathrm{C}_{10}^{5} − C 10 5 ,选 (D) 。
自检 :k = 5 k=5 k = 5 为奇数,符号必为负,(A)(C) 当场排除;上标应是 k = 5 k=5 k = 5 而不是项号 6 6 6 ,(B) 排除 ✓。
这道题的动作 :这道题专考两个错位——项号与上标差 1 1 1 、负号跟着 ( − 1 ) k (-1)^k ( − 1 ) k 走 。
练习(第 36 页)第 5 题
在 ( x − 1 ) ( x − 2 ) ( x − 3 ) ( x − 4 ) ( x − 5 ) (x-1)(x-2)(x-3)(x-4)(x-5) ( x − 1 ) ( x − 2 ) ( x − 3 ) ( x − 4 ) ( x − 5 ) 的展开式中,含 x 4 x^{4} x 4 的项的系数是____.
五个因式相乘,展开后每一项由「每个括号各取一项」得到。要得到 x 4 x^{4} x 4 ,
必须恰好四个括号取 x x x 、剩下一个括号取常数 ,这个常数就贡献了系数:
( − 1 ) + ( − 2 ) + ( − 3 ) + ( − 4 ) + ( − 5 ) = − 15. (-1)+(-2)+(-3)+(-4)+(-5)=-15 . ( − 1 ) + ( − 2 ) + ( − 3 ) + ( − 4 ) + ( − 5 ) = − 15.
所以 x 4 x^{4} x 4 的系数是 − 15 \boxed{-15} − 15 。
自检 :换一个角度核——( x − 1 ) ⋯ ( x − 5 ) (x-1)\cdots(x-5) ( x − 1 ) ⋯ ( x − 5 ) 是首一五次多项式,它的根是 1 , 2 , 3 , 4 , 5 1,2,3,4,5 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ,
由根与系数的关系,x 4 x^{4} x 4 的系数等于根之和的相反数 ,即 − ( 1 + 2 + 3 + 4 + 5 ) = − 15 -(1+2+3+4+5)=-15 − ( 1 + 2 + 3 + 4 + 5 ) = − 15 ✓。
这道题的动作 :因式不同 时别硬套二项式定理,回到「每个括号各取一项」的计数本源;
x 4 x^{4} x 4 少一个 x x x ,就说明只有一个括号出了常数。
练习(第 39 页)第 1 题
填空题
(1) C 11 1 + C 11 3 + C 11 5 + ⋯ + C 11 11 = C_{11}^{1} + C_{11}^{3} + C_{11}^{5} + \cdots + C_{11}^{11} = C 11 1 + C 11 3 + C 11 5 + ⋯ + C 11 11 = ____ ;
(2) C n 0 + C n 1 + C n 2 + ⋯ + C n n C n + 1 0 + C n + 1 1 + C n + 1 2 + ⋯ + C n + 1 n + 1 = ‾ . \frac{\mathrm{C}_n^0 + \mathrm{C}_n^1 + \mathrm{C}_n^2 + \cdots + \mathrm{C}_n^n}{\mathrm{C}_{n+1}^0 + \mathrm{C}_{n+1}^1 + \mathrm{C}_{n+1}^2 + \cdots + \mathrm{C}_{n+1}^{n+1}} = \underline{\quad}. C n + 1 0 + C n + 1 1 + C n + 1 2 + ⋯ + C n + 1 n + 1 C n 0 + C n 1 + C n 2 + ⋯ + C n n = .
(1) 这是 n = 11 n=11 n = 11 时上标为奇数 的那一半二项式系数之和。设
S 奇标 = C 11 1 + C 11 3 + ⋯ + C 11 11 , S 偶标 = C 11 0 + C 11 2 + ⋯ + C 11 10 . S_{\text{奇标}}=\mathrm{C}_{11}^{1}+\mathrm{C}_{11}^{3}+\cdots+\mathrm{C}_{11}^{11},\qquad
S_{\text{偶标}}=\mathrm{C}_{11}^{0}+\mathrm{C}_{11}^{2}+\cdots+\mathrm{C}_{11}^{10} . S 奇标 = C 11 1 + C 11 3 + ⋯ + C 11 11 , S 偶标 = C 11 0 + C 11 2 + ⋯ + C 11 10 .
在 ( 1 + x ) 11 (1+x)^{11} ( 1 + x ) 11 中令 x = 1 x=1 x = 1 得 S 偶标 + S 奇标 = 2 11 S_{\text{偶标}}+S_{\text{奇标}}=2^{11} S 偶标 + S 奇标 = 2 11 ;令 x = − 1 x=-1 x = − 1 得
S 偶标 − S 奇标 = 0 S_{\text{偶标}}-S_{\text{奇标}}=0 S 偶标 − S 奇标 = 0 。两式相减:
S 奇标 = 2 11 2 = 2 10 = 1024. S_{\text{奇标}}=\frac{2^{11}}{2}=2^{10}=1024 . S 奇标 = 2 2 11 = 2 10 = 1024.
(2) 分子是 n n n 的全部二项式系数之和 = 2 n =2^{n} = 2 n ,分母是 n + 1 n+1 n + 1 的全部二项式系数之和 = 2 n + 1 =2^{n+1} = 2 n + 1 ,
所以
2 n 2 n + 1 = 1 2 . \frac{2^{n}}{2^{n+1}}=\frac12 . 2 n + 1 2 n = 2 1 .
自检 :(1) 用对称性也能核——C 11 k = C 11 11 − k \mathrm{C}_{11}^{k}=\mathrm{C}_{11}^{11-k} C 11 k = C 11 11 − k 把奇标项一一对应到偶标项,
故两半必然相等,各占 2 11 2^{11} 2 11 的一半 ✓。(2) 与 n n n 无关,答案是常数 ✓。
这道题的动作 :赋值 x = 1 x=1 x = 1 取全和、x = − 1 x=-1 x = − 1 取差,两式加减就分离出「一半」。
练习(第 39 页)第 2 题
证明: C n 0 + C n 2 + C n 4 + ⋯ + C n n = 2 n − 1 C_{n}^{0}+C_{n}^{2}+C_{n}^{4}+\cdots+C_{n}^{n}=2^{n-1} C n 0 + C n 2 + C n 4 + ⋯ + C n n = 2 n − 1 (n 是偶数).
证明. 在二项式定理
( 1 + x ) n = C n 0 + C n 1 x + C n 2 x 2 + ⋯ + C n n x n (1+x)^{n}=\mathrm{C}_n^{0}+\mathrm{C}_n^{1}x+\mathrm{C}_n^{2}x^{2}+\cdots+\mathrm{C}_n^{n}x^{n} ( 1 + x ) n = C n 0 + C n 1 x + C n 2 x 2 + ⋯ + C n n x n
中分别令 x = 1 x=1 x = 1 与 x = − 1 x=-1 x = − 1 :
C n 0 + C n 1 + C n 2 + ⋯ + C n n = 2 n , \mathrm{C}_n^{0}+\mathrm{C}_n^{1}+\mathrm{C}_n^{2}+\cdots+\mathrm{C}_n^{n}=2^{n}, C n 0 + C n 1 + C n 2 + ⋯ + C n n = 2 n ,
C n 0 − C n 1 + C n 2 − ⋯ + ( − 1 ) n C n n = ( 1 − 1 ) n = 0. \mathrm{C}_n^{0}-\mathrm{C}_n^{1}+\mathrm{C}_n^{2}-\cdots+(-1)^{n}\mathrm{C}_n^{n}=(1-1)^{n}=0 . C n 0 − C n 1 + C n 2 − ⋯ + ( − 1 ) n C n n = ( 1 − 1 ) n = 0.
因为 n n n 是偶数,第二式里上标为偶数的项符号全为正、上标为奇数的项符号全为负,
即它就是「偶标之和 − - − 奇标之和 = 0 =0 = 0 」。把两式相加,奇标项两两抵消,得
2 ( C n 0 + C n 2 + C n 4 + ⋯ + C n n ) = 2 n , 2\bigl(\mathrm{C}_n^{0}+\mathrm{C}_n^{2}+\mathrm{C}_n^{4}+\cdots+\mathrm{C}_n^{n}\bigr)=2^{n}, 2 ( C n 0 + C n 2 + C n 4 + ⋯ + C n n ) = 2 n ,
于是
C n 0 + C n 2 + C n 4 + ⋯ + C n n = 2 n − 1 . ■ \mathrm{C}_n^{0}+\mathrm{C}_n^{2}+\mathrm{C}_n^{4}+\cdots+\mathrm{C}_n^{n}=2^{n-1}. \qquad\blacksquare C n 0 + C n 2 + C n 4 + ⋯ + C n n = 2 n − 1 . ■
为什么题目要写「n n n 是偶数」 :结论 2 n − 1 2^{n-1} 2 n − 1 对任何 n ≥ 1 n\ge1 n ≥ 1 都成立,但写法 依赖 n n n 的奇偶——
左边这串以 C n n \mathrm{C}_n^{n} C n n 收尾,只有 n n n 为偶数时最后这个上标才是偶数。n n n 为奇数时同样的结论
应写成 C n 0 + C n 2 + ⋯ + C n n − 1 = 2 n − 1 \mathrm{C}_n^{0}+\mathrm{C}_n^{2}+\cdots+\mathrm{C}_n^{n-1}=2^{n-1} C n 0 + C n 2 + ⋯ + C n n − 1 = 2 n − 1 。
自检 :取 n = 4 n=4 n = 4 :C 4 0 + C 4 2 + C 4 4 = 1 + 6 + 1 = 8 = 2 3 \mathrm{C}_4^0+\mathrm{C}_4^2+\mathrm{C}_4^4=1+6+1=8=2^{3} C 4 0 + C 4 2 + C 4 4 = 1 + 6 + 1 = 8 = 2 3 ✓。
练习(第 39 页)第 3 题
写出 n 从 1 到 10 的二项式系数表.
用性质 C n r = C n − 1 r − 1 + C n − 1 r \mathrm{C}_n^{r}=\mathrm{C}_{n-1}^{r-1}+\mathrm{C}_{n-1}^{r} C n r = C n − 1 r − 1 + C n − 1 r (两腰全是 1 1 1 ,其余每数等于它肩上两数之和),
从 n = 1 n=1 n = 1 逐行加下去即得:
n n n 二项式系数 C n 0 , C n 1 , … , C n n \mathrm{C}_n^0,\mathrm{C}_n^1,\dots,\mathrm{C}_n^n C n 0 , C n 1 , … , C n n 1 1 1 1 1 1\ \ 1 1 1 2 2 2 1 2 1 1\ \ 2\ \ 1 1 2 1 3 3 3 1 3 3 1 1\ \ 3\ \ 3\ \ 1 1 3 3 1 4 4 4 1 4 6 4 1 1\ \ 4\ \ 6\ \ 4\ \ 1 1 4 6 4 1 5 5 5 1 5 10 10 5 1 1\ \ 5\ \ 10\ \ 10\ \ 5\ \ 1 1 5 10 10 5 1 6 6 6 1 6 15 20 15 6 1 1\ \ 6\ \ 15\ \ 20\ \ 15\ \ 6\ \ 1 1 6 15 20 15 6 1 7 7 7 1 7 21 35 35 21 7 1 1\ \ 7\ \ 21\ \ 35\ \ 35\ \ 21\ \ 7\ \ 1 1 7 21 35 35 21 7 1 8 8 8 1 8 28 56 70 56 28 8 1 1\ \ 8\ \ 28\ \ 56\ \ 70\ \ 56\ \ 28\ \ 8\ \ 1 1 8 28 56 70 56 28 8 1 9 9 9 1 9 36 84 126 126 84 36 9 1 1\ \ 9\ \ 36\ \ 84\ \ 126\ \ 126\ \ 84\ \ 36\ \ 9\ \ 1 1 9 36 84 126 126 84 36 9 1 10 10 10 1 10 45 120 210 252 210 120 45 10 1 1\ \ 10\ \ 45\ \ 120\ \ 210\ \ 252\ \ 210\ \ 120\ \ 45\ \ 10\ \ 1 1 10 45 120 210 252 210 120 45 10 1
自检 (每行两条):第 n n n 行有 n + 1 n+1 n + 1 个数、左右对称 ✓;第 n n n 行之和应为 2 n 2^{n} 2 n ——
n = 10 n=10 n = 10 行相加 1 + 10 + 45 + 120 + 210 + 252 + 210 + 120 + 45 + 10 + 1 = 1024 = 2 10 1+10+45+120+210+252+210+120+45+10+1=1024=2^{10} 1 + 10 + 45 + 120 + 210 + 252 + 210 + 120 + 45 + 10 + 1 = 1024 = 2 10 ✓。
另外抽查一个组合数:C 10 5 = 10 × 9 × 8 × 7 × 6 5 ! = 252 \mathrm{C}_{10}^{5}=\dfrac{10\times9\times8\times7\times6}{5!}=252 C 10 5 = 5 ! 10 × 9 × 8 × 7 × 6 = 252 ✓。
这道题的动作 :加法比乘除快 ——列表时不要逐个算 C n r \mathrm{C}_n^r C n r ,把上一行错位相加即可。
练习(第 39 页)第 4 题
若一个集合含有 n n n 个元素,则这个集合共有多少个子集?
解法一(按元素个数分类) :含 k k k 个元素的子集有 C n k \mathrm{C}_n^{k} C n k 个(k = 0 , 1 , … , n k=0,1,\dots,n k = 0 , 1 , … , n ,
其中 k = 0 k=0 k = 0 对应空集),各类互不相同也不重复,由分类加法计数原理,子集总数为
C n 0 + C n 1 + ⋯ + C n n , \mathrm{C}_n^{0}+\mathrm{C}_n^{1}+\cdots+\mathrm{C}_n^{n}, C n 0 + C n 1 + ⋯ + C n n ,
再由本节的「各二项式系数之和等于 2 n 2^n 2 n 」(在 ( 1 + x ) n (1+x)^n ( 1 + x ) n 里令 x = 1 x=1 x = 1 )得它等于 2 n 2^{n} 2 n 。
解法二(逐个元素定去留) :给每个元素独立地作一次「要 / 不要」的选择,共 n n n 步、每步 2 2 2 种,
由分步乘法计数原理得 2 n 2^{n} 2 n 个子集。
这两条路一比,还白送一个证明 ——但得把解法一停在求和式那一步 ,不许再去引用
∑ k C n k = 2 n \sum_k\mathrm{C}_n^k=2^n ∑ k C n k = 2 n 。左端「按大小分类」数出 ∑ k = 0 n C n k \sum_{k=0}^{n}\mathrm{C}_n^{k} ∑ k = 0 n C n k ,右端「逐元素定去留」
数出 2 n 2^{n} 2 n ,数的是同一堆子集,于是
∑ k = 0 n C n k = # { S ∣ S ⊆ A } = 2 n , \sum_{k=0}^{n}\mathrm{C}_n^{k}=\#\{S\mid S\subseteq A\}=2^{n}, k = 0 ∑ n C n k = # { S ∣ S ⊆ A } = 2 n ,
这才是该恒等式的一个组合证明 (两条计数路径彼此独立,谁也没用到对方)。反过来,若解法一
一开头就调用该恒等式换出 2 n 2^n 2 n ,那两边相等是构造上必然的,只是 2 n = 2 n 2^n=2^n 2 n = 2 n ,那样就只能说
「两法互相印证答案」,不能说「又证了一次恒等式」——这是用结论证结论 。
自检 :n = 3 n=3 n = 3 时 2 3 = 8 2^3=8 2 3 = 8 ,而 { a , b , c } \{a,b,c\} { a , b , c } 的子集是 ∅ , { a } , { b } , { c } , { a , b } , { a , c } , { b , c } , { a , b , c } \varnothing,\{a\},\{b\},\{c\},\{a,b\},\{a,c\},\{b,c\},\{a,b,c\} ∅ , { a } , { b } , { c } , { a , b } , { a , c } , { b , c } , { a , b , c } ,
正好 8 8 8 个 ✓(空集与自身都算子集)。
习题 6.3 第 1 题
选择题
(1) 在 ( 1 − x ) 5 + ( 1 − x ) 6 + ( 1 − x ) 7 + ( 1 − x ) 8 (1-x)^{5}+(1-x)^{6}+(1-x)^{7}+(1-x)^{8} ( 1 − x ) 5 + ( 1 − x ) 6 + ( 1 − x ) 7 + ( 1 − x ) 8 的展开式中,含 x 3 x^{3} x 3 的项的系数是().
(A) 74 (B) 121 (C) -74 (D) -121
(2) ( x + 1 ) n (x+1)^{n} ( x + 1 ) n 的展开式中 x 2 x^{2} x 2 的系数为15,则n=().
(A) 7 (B) 6 (C) 5 (D) 4
(1) 在 ( 1 − x ) m (1-x)^{m} ( 1 − x ) m 中,x 3 x^{3} x 3 的系数是 C m 3 ( − 1 ) 3 = − C m 3 \mathrm{C}_m^{3}(-1)^{3}=-\mathrm{C}_m^{3} C m 3 ( − 1 ) 3 = − C m 3 。四个式子的
x 3 x^{3} x 3 系数相加:
− ( C 5 3 + C 6 3 + C 7 3 + C 8 3 ) = − ( 10 + 20 + 35 + 56 ) = − 121 , -\bigl(\mathrm{C}_5^{3}+\mathrm{C}_6^{3}+\mathrm{C}_7^{3}+\mathrm{C}_8^{3}\bigr)
=-(10+20+35+56)=-121 , − ( C 5 3 + C 6 3 + C 7 3 + C 8 3 ) = − ( 10 + 20 + 35 + 56 ) = − 121 ,
选 (D) 。
(2) ( x + 1 ) n (x+1)^{n} ( x + 1 ) n 的通项是 C n k x n − k \mathrm{C}_n^{k}x^{n-k} C n k x n − k ,x 2 x^{2} x 2 出现在 n − k = 2 n-k=2 n − k = 2 处,其系数为
C n n − 2 = C n 2 \mathrm{C}_n^{n-2}=\mathrm{C}_n^{2} C n n − 2 = C n 2 (用了对称性)。由
C n 2 = n ( n − 1 ) 2 = 15 ⟹ n 2 − n − 30 = 0 ⟹ n = 6 或 n = − 5 , \mathrm{C}_n^{2}=\frac{n(n-1)}{2}=15\ \Longrightarrow\ n^{2}-n-30=0\ \Longrightarrow\ n=6\ \text{或}\ n=-5 , C n 2 = 2 n ( n − 1 ) = 15 ⟹ n 2 − n − 30 = 0 ⟹ n = 6 或 n = − 5 ,
而 n ∈ N ∗ n\in\mathbf{N}^* n ∈ N ∗ 且 n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 ,故 n = 6 n=6 n = 6 ,选 (B) 。
自检 :(1) 四项系数全为负,正的选项 (A)(B) 可直接排除;杨辉三角第 8 行的第 4 个数确是 56 56 56 ✓。
(2) 回代 n = 6 n=6 n = 6 :C 6 2 = 15 \mathrm{C}_6^2=15 C 6 2 = 15 ✓。
习题 6.3 第 2 题
( x + y ) ( x − y ) 5 (x + y)(x - y)^{5} ( x + y ) ( x − y ) 5 的展开式中 x 3 y 3 x^{3}y^{3} x 3 y 3 的系数是
x 3 y 3 x^{3}y^{3} x 3 y 3 有两个来源 ,一个都不能漏:
前面的 x x x 乘 ( x − y ) 5 (x-y)^{5} ( x − y ) 5 里的 x 2 y 3 x^{2}y^{3} x 2 y 3 项:该项为 C 5 3 x 2 ( − y ) 3 = − 10 x 2 y 3 \mathrm{C}_5^{3}x^{2}(-y)^{3}=-10x^{2}y^{3} C 5 3 x 2 ( − y ) 3 = − 10 x 2 y 3 ,
贡献系数 − 10 -10 − 10 ;
前面的 y y y 乘 ( x − y ) 5 (x-y)^{5} ( x − y ) 5 里的 x 3 y 2 x^{3}y^{2} x 3 y 2 项:该项为 C 5 2 x 3 ( − y ) 2 = + 10 x 3 y 2 \mathrm{C}_5^{2}x^{3}(-y)^{2}=+10x^{3}y^{2} C 5 2 x 3 ( − y ) 2 = + 10 x 3 y 2 ,
贡献系数 + 10 +10 + 10 。
两者相加,x 3 y 3 x^{3}y^{3} x 3 y 3 的系数是
− 10 + 10 = 0. -10+10=0 . − 10 + 10 = 0.
自检 (换一条路):( x + y ) ( x − y ) 5 = ( x + y ) ( x − y ) ⋅ ( x − y ) 4 = ( x 2 − y 2 ) ( x − y ) 4 (x+y)(x-y)^{5}=(x+y)(x-y)\cdot(x-y)^{4}=(x^{2}-y^{2})(x-y)^{4} ( x + y ) ( x − y ) 5 = ( x + y ) ( x − y ) ⋅ ( x − y ) 4 = ( x 2 − y 2 ) ( x − y ) 4 。
而 ( x − y ) 4 = x 4 − 4 x 3 y + 6 x 2 y 2 − 4 x y 3 + y 4 (x-y)^{4}=x^{4}-4x^{3}y+6x^{2}y^{2}-4xy^{3}+y^{4} ( x − y ) 4 = x 4 − 4 x 3 y + 6 x 2 y 2 − 4 x y 3 + y 4 ,于是 x 3 y 3 x^{3}y^{3} x 3 y 3 只能来自
x 2 ⋅ ( − 4 x y 3 ) = − 4 x 3 y 3 x^{2}\cdot(-4xy^{3})=-4x^{3}y^{3} x 2 ⋅ ( − 4 x y 3 ) = − 4 x 3 y 3 与 ( − y 2 ) ⋅ ( − 4 x 3 y ) = + 4 x 3 y 3 (-y^{2})\cdot(-4x^{3}y)=+4x^{3}y^{3} ( − y 2 ) ⋅ ( − 4 x 3 y ) = + 4 x 3 y 3 ,
合计 0 0 0 ✓。
这道题的动作 :多项式乘二项展开式,要把前一个因式的每一项都配一次 ;
本题两条贡献恰好抵消,答案是 0 0 0 而不是「没有这一项」——它是有这一项、系数为零。
习题 6.3 第 3 题
用二项式定理展开:
(1) ( a + b 3 ) 9 (a+\sqrt[3]{b})^{9} ( a + 3 b ) 9 ;
(2) ( x 2 − 2 x ) 7 \left(\frac{\sqrt{x}}{2}-\frac{2}{\sqrt{x}}\right)^{7} ( 2 x − x 2 ) 7
(1) n = 9 n=9 n = 9 的二项式系数是 1 , 9 , 36 , 84 , 126 , 126 , 84 , 36 , 9 , 1 1,9,36,84,126,126,84,36,9,1 1 , 9 , 36 , 84 , 126 , 126 , 84 , 36 , 9 , 1 ,把 b 3 \sqrt[3]{b} 3 b 写成 b 1 3 b^{\frac13} b 3 1 代入:
( a + b 3 ) 9 = a 9 + 9 a 8 b 1 3 + 36 a 7 b 2 3 + 84 a 6 b + 126 a 5 b 4 3 + 126 a 4 b 5 3 + 84 a 3 b 2 + 36 a 2 b 7 3 + 9 a b 8 3 + b 3 . \begin{aligned}
(a+\sqrt[3]{b})^{9}=\ &a^{9}+9a^{8}b^{\frac13}+36a^{7}b^{\frac23}+84a^{6}b+126a^{5}b^{\frac43}\\
&+126a^{4}b^{\frac53}+84a^{3}b^{2}+36a^{2}b^{\frac73}+9ab^{\frac83}+b^{3}.
\end{aligned} ( a + 3 b ) 9 = a 9 + 9 a 8 b 3 1 + 36 a 7 b 3 2 + 84 a 6 b + 126 a 5 b 3 4 + 126 a 4 b 3 5 + 84 a 3 b 2 + 36 a 2 b 3 7 + 9 a b 3 8 + b 3 .
(写成根式即 b 1 3 = b 3 b^{\frac13}=\sqrt[3]{b} b 3 1 = 3 b 、b 2 3 = b 2 3 b^{\frac23}=\sqrt[3]{b^{2}} b 3 2 = 3 b 2 、b 4 3 = b b 3 b^{\frac43}=b\sqrt[3]{b} b 3 4 = b 3 b ,等等,
这里 b ≥ 0 b\ge0 b ≥ 0 或按三次根式对一切实数 b b b 都有意义。)
(2) 通项为
T k + 1 = C 7 k ( x 1 2 2 ) 7 − k ( − 2 x − 1 2 ) k = ( − 1 ) k C 7 k 2 2 k − 7 x 7 − 2 k 2 ( x > 0 ) , T_{k+1}=\mathrm{C}_7^{k}\left(\frac{x^{\frac12}}{2}\right)^{7-k}\left(-2x^{-\frac12}\right)^{k}
=(-1)^{k}\mathrm{C}_7^{k}\,2^{2k-7}\,x^{\frac{7-2k}{2}}\qquad(x>0), T k + 1 = C 7 k ( 2 x 2 1 ) 7 − k ( − 2 x − 2 1 ) k = ( − 1 ) k C 7 k 2 2 k − 7 x 2 7 − 2 k ( x > 0 ) ,
因为 1 2 7 − k ⋅ 2 k = 2 2 k − 7 \dfrac{1}{2^{7-k}}\cdot 2^{k}=2^{2k-7} 2 7 − k 1 ⋅ 2 k = 2 2 k − 7 。逐个 k k k 代(C 7 k \mathrm{C}_7^k C 7 k 依次为 1 , 7 , 21 , 35 , 35 , 21 , 7 , 1 1,7,21,35,35,21,7,1 1 , 7 , 21 , 35 , 35 , 21 , 7 , 1 ):
( x 2 − 2 x ) 7 = 1 128 x 7 2 − 7 32 x 5 2 + 21 8 x 3 2 − 35 2 x 1 2 + 70 x − 1 2 − 168 x − 3 2 + 224 x − 5 2 − 128 x − 7 2 . \begin{aligned}
\left(\frac{\sqrt{x}}{2}-\frac{2}{\sqrt{x}}\right)^{7}
=\ &\frac{1}{128}x^{\frac72}-\frac{7}{32}x^{\frac52}+\frac{21}{8}x^{\frac32}-\frac{35}{2}x^{\frac12}\\
&+70x^{-\frac12}-168x^{-\frac32}+224x^{-\frac52}-128x^{-\frac72}.
\end{aligned} ( 2 x − x 2 ) 7 = 128 1 x 2 7 − 32 7 x 2 5 + 8 21 x 2 3 − 2 35 x 2 1 + 70 x − 2 1 − 168 x − 2 3 + 224 x − 2 5 − 128 x − 2 7 .
自检 :(1) 共 10 10 10 项、a a a 的指数从 9 9 9 降到 0 0 0 、系数对称 ✓;令 a = b = 1 a=b=1 a = b = 1 得两边都是 2 9 = 512 2^{9}=512 2 9 = 512
(系数和 1 + 9 + 36 + 84 + 126 + 126 + 84 + 36 + 9 + 1 = 512 1+9+36+84+126+126+84+36+9+1=512 1 + 9 + 36 + 84 + 126 + 126 + 84 + 36 + 9 + 1 = 512 )✓。
(2) 共 8 8 8 项,x x x 的指数依次为 7 2 , 5 2 , … , − 7 2 \frac72,\frac52,\dots,-\frac72 2 7 , 2 5 , … , − 2 7 (每次降 1 1 1 )✓;
末项应为 ( − 2 x ) 7 = − 128 x 7 / 2 \left(-\dfrac{2}{\sqrt x}\right)^{7}=-\dfrac{128}{x^{7/2}} ( − x 2 ) 7 = − x 7/2 128 ,与算出的 − 128 x − 7 2 -128x^{-\frac72} − 128 x − 2 7 相符 ✓;
再验一项:k = 4 k=4 k = 4 时 ( − 1 ) 4 C 7 4 2 1 = 35 × 2 = 70 (-1)^4\mathrm{C}_7^4 2^{1}=35\times2=70 ( − 1 ) 4 C 7 4 2 1 = 35 × 2 = 70 ✓。
习题 6.3 第 4 题
化简:
(1) ( 1 + x ) 5 + ( 1 − x ) 5 (1+\sqrt{x})^{5}+(1-\sqrt{x})^{5} ( 1 + x ) 5 + ( 1 − x ) 5 ; (2) ( 2 x 1 2 + 3 x − 1 2 ) 4 + ( 2 x 1 2 − 3 x − 1 2 ) 4 (2x^{\frac{1}{2}}+3x^{-\frac{1}{2}})^{4}+(2x^{\frac{1}{2}}-3x^{-\frac{1}{2}})^{4} ( 2 x 2 1 + 3 x − 2 1 ) 4 + ( 2 x 2 1 − 3 x − 2 1 ) 4 .
两小问用的是同一件事:把两式相加时,含奇次幂的项符号相反、两两抵消,只剩偶次项的两倍 。
(1) (x ≥ 0 x\ge0 x ≥ 0 )展开式的第 k + 1 k+1 k + 1 项分别是 C 5 k ( x ) k \mathrm{C}_5^{k}(\sqrt x)^{k} C 5 k ( x ) k 与
C 5 k ( − x ) k \mathrm{C}_5^{k}(-\sqrt x)^{k} C 5 k ( − x ) k ,k k k 为奇数时两者互为相反数。故
( 1 + x ) 5 + ( 1 − x ) 5 = 2 ( C 5 0 + C 5 2 x + C 5 4 x 2 ) = 2 ( 1 + 10 x + 5 x 2 ) = 2 + 20 x + 10 x 2 . (1+\sqrt{x})^{5}+(1-\sqrt{x})^{5}
=2\left(\mathrm{C}_5^{0}+\mathrm{C}_5^{2}x+\mathrm{C}_5^{4}x^{2}\right)
=2\left(1+10x+5x^{2}\right)=2+20x+10x^{2}. ( 1 + x ) 5 + ( 1 − x ) 5 = 2 ( C 5 0 + C 5 2 x + C 5 4 x 2 ) = 2 ( 1 + 10 x + 5 x 2 ) = 2 + 20 x + 10 x 2 .
(2) (x > 0 x>0 x > 0 )同理只留 k k k 为偶数的项,k = 0 , 2 , 4 k=0,2,4 k = 0 , 2 , 4 :
2 [ C 4 0 ( 2 x 1 2 ) 4 + C 4 2 ( 2 x 1 2 ) 2 ( 3 x − 1 2 ) 2 + C 4 4 ( 3 x − 1 2 ) 4 ] = 2 [ 16 x 2 + 6 × 4 x × 9 x − 1 + 81 x − 2 ] = 2 [ 16 x 2 + 216 + 81 x − 2 ] = 32 x 2 + 432 + 162 x 2 . \begin{aligned}
&2\left[\mathrm{C}_4^{0}\left(2x^{\frac12}\right)^{4}
+\mathrm{C}_4^{2}\left(2x^{\frac12}\right)^{2}\left(3x^{-\frac12}\right)^{2}
+\mathrm{C}_4^{4}\left(3x^{-\frac12}\right)^{4}\right]\\
=\ &2\left[16x^{2}+6\times4x\times9x^{-1}+81x^{-2}\right]
=2\left[16x^{2}+216+81x^{-2}\right]
=32x^{2}+432+\frac{162}{x^{2}} .
\end{aligned} = 2 [ C 4 0 ( 2 x 2 1 ) 4 + C 4 2 ( 2 x 2 1 ) 2 ( 3 x − 2 1 ) 2 + C 4 4 ( 3 x − 2 1 ) 4 ] 2 [ 16 x 2 + 6 × 4 x × 9 x − 1 + 81 x − 2 ] = 2 [ 16 x 2 + 216 + 81 x − 2 ] = 32 x 2 + 432 + x 2 162 .
自检 :(1) 令 x = 1 x=1 x = 1 :左边 = 2 5 + 0 = 32 =2^{5}+0=32 = 2 5 + 0 = 32 ,右边 = 2 + 20 + 10 = 32 =2+20+10=32 = 2 + 20 + 10 = 32 ✓。
(2) 令 x = 1 x=1 x = 1 :左边 = 5 4 + ( − 1 ) 4 = 625 + 1 = 626 =5^{4}+(-1)^{4}=625+1=626 = 5 4 + ( − 1 ) 4 = 625 + 1 = 626 ,右边 = 32 + 432 + 162 = 626 =32+432+162=626 = 32 + 432 + 162 = 626 ✓。
习题 6.3 第 5 题
5.(1)求 ( 1 − 2 x ) 15 (1 - 2x)^{15} ( 1 − 2 x ) 15 的展开式的前4项;
(2) 求 ( 2 a 3 − 3 b 2 ) 10 (2a^{3}-3b^{2})^{10} ( 2 a 3 − 3 b 2 ) 10 的展开式的第 8 项;
(3) 求 ( x 3 − 3 x ) 12 \left(\frac{\sqrt{x}}{3}-\frac{3}{\sqrt{x}}\right)^{12} ( 3 x − x 3 ) 12 的展开式的中间一项;
(4) 求 ( x y − y x ) 15 (x\sqrt{y}-y\sqrt{x})^{15} ( x y − y x ) 15 的展开式的中间两项.
(1) 通项 T k + 1 = C 15 k ( − 2 x ) k = ( − 2 ) k C 15 k x k T_{k+1}=\mathrm{C}_{15}^{k}(-2x)^{k}=(-2)^{k}\mathrm{C}_{15}^{k}x^{k} T k + 1 = C 15 k ( − 2 x ) k = ( − 2 ) k C 15 k x k ,取 k = 0 , 1 , 2 , 3 k=0,1,2,3 k = 0 , 1 , 2 , 3 :
1 , − 2 × 15 x = − 30 x , 4 × 105 x 2 = 420 x 2 , − 8 × 455 x 3 = − 3640 x 3 , 1,\quad -2\times15\,x=-30x,\quad 4\times105\,x^{2}=420x^{2},\quad -8\times455\,x^{3}=-3640x^{3}, 1 , − 2 × 15 x = − 30 x , 4 × 105 x 2 = 420 x 2 , − 8 × 455 x 3 = − 3640 x 3 ,
即前 4 4 4 项为 1 − 30 x + 420 x 2 − 3640 x 3 1-30x+420x^{2}-3640x^{3} 1 − 30 x + 420 x 2 − 3640 x 3 。
(2) 第 8 8 8 项对应 k = 7 k=7 k = 7 :
T 8 = C 10 7 ( 2 a 3 ) 3 ( − 3 b 2 ) 7 = 120 × 8 a 9 × ( − 2187 ) b 14 = − 2099520 a 9 b 14 . T_{8}=\mathrm{C}_{10}^{7}\left(2a^{3}\right)^{3}\left(-3b^{2}\right)^{7}
=120\times8a^{9}\times(-2187)b^{14}=-2099520\,a^{9}b^{14}. T 8 = C 10 7 ( 2 a 3 ) 3 ( − 3 b 2 ) 7 = 120 × 8 a 9 × ( − 2187 ) b 14 = − 2099520 a 9 b 14 .
(3) n = 12 n=12 n = 12 是偶数,展开式共 13 13 13 项,中间一项是第 7 7 7 项 (k = 6 k=6 k = 6 ):
T 7 = C 12 6 ( x 1 2 3 ) 6 ( − 3 x 1 2 ) 6 = 924 × x 3 729 × 729 x 3 = 924. T_{7}=\mathrm{C}_{12}^{6}\left(\frac{x^{\frac12}}{3}\right)^{6}\left(-\frac{3}{x^{\frac12}}\right)^{6}
=924\times\frac{x^{3}}{729}\times\frac{729}{x^{3}}=924 . T 7 = C 12 6 ( 3 x 2 1 ) 6 ( − x 2 1 3 ) 6 = 924 × 729 x 3 × x 3 729 = 924.
(4) n = 15 n=15 n = 15 是奇数,共 16 16 16 项,中间两项是第 8 8 8 、第 9 9 9 项 (k = 7 , 8 k=7,8 k = 7 , 8 )。设 x , y ≥ 0 x,y\ge0 x , y ≥ 0 :
T 8 = C 15 7 ( x y ) 8 ( − y x ) 7 = 6435 ⋅ x 8 y 4 ⋅ ( − y 7 x 7 2 ) = − 6435 x 23 2 y 11 = − 6435 x 11 y 11 x , T_{8}=\mathrm{C}_{15}^{7}\left(x\sqrt y\right)^{8}\left(-y\sqrt x\right)^{7}
=6435\cdot x^{8}y^{4}\cdot\left(-y^{7}x^{\frac72}\right)=-6435\,x^{\frac{23}{2}}y^{11}
=-6435\,x^{11}y^{11}\sqrt{x}, T 8 = C 15 7 ( x y ) 8 ( − y x ) 7 = 6435 ⋅ x 8 y 4 ⋅ ( − y 7 x 2 7 ) = − 6435 x 2 23 y 11 = − 6435 x 11 y 11 x ,
T 9 = C 15 8 ( x y ) 7 ( − y x ) 8 = 6435 ⋅ x 7 y 7 2 ⋅ y 8 x 4 = 6435 x 11 y 23 2 = 6435 x 11 y 11 y . T_{9}=\mathrm{C}_{15}^{8}\left(x\sqrt y\right)^{7}\left(-y\sqrt x\right)^{8}
=6435\cdot x^{7}y^{\frac72}\cdot y^{8}x^{4}=6435\,x^{11}y^{\frac{23}{2}}
=6435\,x^{11}y^{11}\sqrt{y}. T 9 = C 15 8 ( x y ) 7 ( − y x ) 8 = 6435 ⋅ x 7 y 2 7 ⋅ y 8 x 4 = 6435 x 11 y 2 23 = 6435 x 11 y 11 y .
自检 :(1) C 15 2 = 105 \mathrm{C}_{15}^{2}=105 C 15 2 = 105 、C 15 3 = 455 \mathrm{C}_{15}^{3}=455 C 15 3 = 455 ✓,符号按 ( − 2 ) k (-2)^k ( − 2 ) k 正负相间 ✓。
(2) 120 × 8 = 960 120\times8=960 120 × 8 = 960 ,3 7 = 2187 3^{7}=2187 3 7 = 2187 ,960 × 2187 = 2099520 960\times2187=2099520 960 × 2187 = 2099520 ✓;次数 3 × 3 + 2 × 7 = 9 + 14 3\times3+2\times7=9+14 3 × 3 + 2 × 7 = 9 + 14 与 a 9 b 14 a^9b^{14} a 9 b 14 相符 ✓。
(3) 两个 3 3 3 的幂恰好抵消(3 − 6 × 3 6 = 1 3^{-6}\times3^{6}=1 3 − 6 × 3 6 = 1 ),x x x 的次数 3 − 3 = 0 3-3=0 3 − 3 = 0 ,故中间一项是常数 C 12 6 = 924 \mathrm{C}_{12}^{6}=924 C 12 6 = 924 ✓。
(4) C 15 7 = C 15 8 = 6435 \mathrm{C}_{15}^{7}=\mathrm{C}_{15}^{8}=6435 C 15 7 = C 15 8 = 6435 (对称性)✓;两项的总次数都是
23 2 + 11 = 45 2 \frac{23}{2}+11=\frac{45}{2} 2 23 + 11 = 2 45 ,而每一项的次数应为 15 × 3 2 = 45 2 15\times\frac32=\frac{45}{2} 15 × 2 3 = 2 45 ✓;符号一负一正 ✓。
习题 6.3 第 6 题
求下列各式的二项展开式中指定项的系数:
(1) ( 1 − 1 2 x ) 10 \left(1-\frac{1}{2x}\right)^{10} ( 1 − 2 x 1 ) 10 的含 1 x 5 \frac{1}{x^{5}} x 5 1 的项;
(2) ( 2 x 3 − 1 2 x 3 ) 10 \left(2x^{3}-\frac{1}{2x^{3}}\right)^{10} ( 2 x 3 − 2 x 3 1 ) 10 的常数项.
(1) (x ≠ 0 x\ne0 x = 0 )通项
T k + 1 = C 10 k ( − 1 2 x ) k = ( − 1 2 ) k C 10 k x − k . T_{k+1}=\mathrm{C}_{10}^{k}\left(-\frac{1}{2x}\right)^{k}=\left(-\frac12\right)^{k}\mathrm{C}_{10}^{k}x^{-k}. T k + 1 = C 10 k ( − 2 x 1 ) k = ( − 2 1 ) k C 10 k x − k .
含 1 x 5 \dfrac{1}{x^{5}} x 5 1 即 − k = − 5 -k=-5 − k = − 5 ,得 k = 5 k=5 k = 5 (在 0 ≤ k ≤ 10 0\le k\le10 0 ≤ k ≤ 10 内 ✓):
T 6 = ( − 1 2 ) 5 C 10 5 x − 5 = − 252 32 ⋅ 1 x 5 = − 63 8 ⋅ 1 x 5 , T_{6}=\left(-\frac12\right)^{5}\mathrm{C}_{10}^{5}x^{-5}=-\frac{252}{32}\cdot\frac{1}{x^{5}}
=-\frac{63}{8}\cdot\frac{1}{x^{5}} , T 6 = ( − 2 1 ) 5 C 10 5 x − 5 = − 32 252 ⋅ x 5 1 = − 8 63 ⋅ x 5 1 ,
即所求项为 − 63 8 x 5 -\dfrac{63}{8x^{5}} − 8 x 5 63 ,系数是 − 63 8 -\dfrac{63}{8} − 8 63 。
(2) (x ≠ 0 x\ne0 x = 0 )通项
T k + 1 = C 10 k ( 2 x 3 ) 10 − k ( − 1 2 x 3 ) k = ( − 1 ) k C 10 k 2 10 − 2 k x 30 − 6 k . T_{k+1}=\mathrm{C}_{10}^{k}\left(2x^{3}\right)^{10-k}\left(-\frac{1}{2x^{3}}\right)^{k}
=(-1)^{k}\mathrm{C}_{10}^{k}2^{10-2k}x^{30-6k}. T k + 1 = C 10 k ( 2 x 3 ) 10 − k ( − 2 x 3 1 ) k = ( − 1 ) k C 10 k 2 10 − 2 k x 30 − 6 k .
常数项要求 30 − 6 k = 0 30-6k=0 30 − 6 k = 0 ,得 k = 5 k=5 k = 5 :
T 6 = ( − 1 ) 5 C 10 5 2 0 = − 252. T_{6}=(-1)^{5}\mathrm{C}_{10}^{5}2^{0}=-252 . T 6 = ( − 1 ) 5 C 10 5 2 0 = − 252.
自检 :(1) C 10 5 = 252 \mathrm{C}_{10}^5=252 C 10 5 = 252 ,2 5 = 32 2^{5}=32 2 5 = 32 ,252 32 = 63 8 \dfrac{252}{32}=\dfrac{63}{8} 32 252 = 8 63 (约去 4 4 4 )✓;k k k 为奇数故取负 ✓。
(2) k = 5 k=5 k = 5 时 2 10 − 10 = 2 0 = 1 2^{10-10}=2^{0}=1 2 10 − 10 = 2 0 = 1 ,两个 2 2 2 的幂正好抵消 ✓;指数 30 − 6 × 5 = 0 30-6\times5=0 30 − 6 × 5 = 0 ✓。
这道题的动作 :两小问都是先把通项的指数合并成关于 k k k 的一次式,再解一次方程定 k k k ;
解出的 k k k 必须是 0 0 0 到 n n n 之间的整数,否则该项不存在、系数为 0 0 0 。
习题 6.3 第 7 题
证明:
(1) ( x − 1 x ) 2 n \left(x-\frac{1}{x}\right)^{2n} ( x − x 1 ) 2 n 的展开式中常数项是 ( − 2 ) n 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) n ! (-2)^{n}\frac{1\times3\times5\times\cdots\times(2n-1)}{n!} ( − 2 ) n n ! 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ;
(2) ( 1 + x ) 2 n (1 + x)^{2n} ( 1 + x ) 2 n 的展开式的中间一项是 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) n ! ( 2 x ) n \frac{1 \times 3 \times 5 \times \cdots \times (2n - 1)}{n!} (2x)^n n ! 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ( 2 x ) n .
先证一条两小问都要用的引理 :
C 2 n n = 2 n [ 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] n ! . \mathrm{C}_{2n}^{n}=\frac{2^{n}\bigl[1\times3\times5\times\cdots\times(2n-1)\bigr]}{n!}. C 2 n n = n ! 2 n [ 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] .
引理的证明. 把 ( 2 n ) ! (2n)! ( 2 n )! 按奇偶拆开:
( 2 n ) ! = [ 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] × [ 2 × 4 × ⋯ × 2 n ] = [ 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] × 2 n n ! , (2n)!=\bigl[1\times3\times5\times\cdots\times(2n-1)\bigr]\times\bigl[2\times4\times\cdots\times2n\bigr]
=\bigl[1\times3\times\cdots\times(2n-1)\bigr]\times2^{n}\,n! , ( 2 n )! = [ 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] × [ 2 × 4 × ⋯ × 2 n ] = [ 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] × 2 n n ! ,
第二个方括号里每个因数提出一个 2 2 2 ,共提出 2 n 2^{n} 2 n ,剩下 1 × 2 × ⋯ × n = n ! 1\times2\times\cdots\times n=n! 1 × 2 × ⋯ × n = n ! 。代入
C 2 n n = ( 2 n ) ! n ! n ! = [ 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] 2 n n ! n ! n ! = 2 n [ 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] n ! . □ \mathrm{C}_{2n}^{n}=\frac{(2n)!}{n!\,n!}
=\frac{\bigl[1\times3\times\cdots\times(2n-1)\bigr]2^{n}n!}{n!\,n!}
=\frac{2^{n}\bigl[1\times3\times\cdots\times(2n-1)\bigr]}{n!}. \qquad\square C 2 n n = n ! n ! ( 2 n )! = n ! n ! [ 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] 2 n n ! = n ! 2 n [ 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] . □
(1) (x ≠ 0 x\ne0 x = 0 )通项
T k + 1 = C 2 n k x 2 n − k ( − 1 x ) k = ( − 1 ) k C 2 n k x 2 n − 2 k . T_{k+1}=\mathrm{C}_{2n}^{k}x^{2n-k}\left(-\frac1x\right)^{k}
=(-1)^{k}\mathrm{C}_{2n}^{k}x^{2n-2k}. T k + 1 = C 2 n k x 2 n − k ( − x 1 ) k = ( − 1 ) k C 2 n k x 2 n − 2 k .
常数项要求 2 n − 2 k = 0 2n-2k=0 2 n − 2 k = 0 ,即 k = n k=n k = n (唯一,且 0 ≤ n ≤ 2 n 0\le n\le 2n 0 ≤ n ≤ 2 n ✓),于是常数项为
( − 1 ) n C 2 n n = ( − 1 ) n ⋅ 2 n [ 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] n ! = ( − 2 ) n 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) n ! . ■ (-1)^{n}\mathrm{C}_{2n}^{n}
=(-1)^{n}\cdot\frac{2^{n}\bigl[1\times3\times\cdots\times(2n-1)\bigr]}{n!}
=(-2)^{n}\frac{1\times3\times5\times\cdots\times(2n-1)}{n!} . \qquad\blacksquare ( − 1 ) n C 2 n n = ( − 1 ) n ⋅ n ! 2 n [ 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] = ( − 2 ) n n ! 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) . ■
(2) ( 1 + x ) 2 n (1+x)^{2n} ( 1 + x ) 2 n 共有 2 n + 1 2n+1 2 n + 1 项,项数为奇数,中间一项是第 n + 1 n+1 n + 1 项 (k = n k=n k = n ):
T n + 1 = C 2 n n x n = 2 n [ 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] n ! x n = 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) n ! ( 2 x ) n . ■ T_{n+1}=\mathrm{C}_{2n}^{n}x^{n}
=\frac{2^{n}\bigl[1\times3\times\cdots\times(2n-1)\bigr]}{n!}x^{n}
=\frac{1\times3\times5\times\cdots\times(2n-1)}{n!}\,(2x)^{n} . \qquad\blacksquare T n + 1 = C 2 n n x n = n ! 2 n [ 1 × 3 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ] x n = n ! 1 × 3 × 5 × ⋯ × ( 2 n − 1 ) ( 2 x ) n . ■
自检 :取 n = 2 n=2 n = 2 。引理:C 4 2 = 6 \mathrm{C}_4^2=6 C 4 2 = 6 ,而 2 2 ( 1 × 3 ) 2 ! = 12 2 = 6 \dfrac{2^{2}(1\times3)}{2!}=\dfrac{12}{2}=6 2 ! 2 2 ( 1 × 3 ) = 2 12 = 6 ✓。
(1) ( x − 1 x ) 4 \left(x-\frac1x\right)^{4} ( x − x 1 ) 4 的常数项是 ( − 1 ) 2 C 4 2 = 6 (-1)^{2}\mathrm{C}_4^2=6 ( − 1 ) 2 C 4 2 = 6 ,公式给
( − 2 ) 2 1 × 3 2 = 4 × 1.5 = 6 (-2)^{2}\dfrac{1\times3}{2}=4\times1.5=6 ( − 2 ) 2 2 1 × 3 = 4 × 1.5 = 6 ✓。
(2) ( 1 + x ) 4 (1+x)^{4} ( 1 + x ) 4 的中间一项是 6 x 2 6x^{2} 6 x 2 ,公式给 1 × 3 2 ( 2 x ) 2 = 1.5 × 4 x 2 = 6 x 2 \dfrac{1\times3}{2}(2x)^{2}=1.5\times4x^{2}=6x^{2} 2 1 × 3 ( 2 x ) 2 = 1.5 × 4 x 2 = 6 x 2 ✓。
习题 6.3 第 8 题
已知 ( 1 + x ) n (1+x)^{n} ( 1 + x ) n 的展开式中第4项与第8项的二项式系数相等,求这两项的二项式系数.
第 4 4 4 项的二项式系数是 C n 3 \mathrm{C}_n^{3} C n 3 ,第 8 8 8 项的是 C n 7 \mathrm{C}_n^{7} C n 7 (项号比上标大 1 1 1 )。已知
C n 3 = C n 7 , 3 ≠ 7. \mathrm{C}_n^{3}=\mathrm{C}_n^{7},\qquad 3\ne 7 . C n 3 = C n 7 , 3 = 7.
由对称性 C n m = C n n − m \mathrm{C}_n^{m}=\mathrm{C}_n^{n-m} C n m = C n n − m :两个不同 的上标给出相等的组合数,只能是
7 = n − 3 7=n-3 7 = n − 3 ,即
n = 10. n=10 . n = 10.
(为什么「只能」?固定 n n n 时二项式系数关于 r = n 2 r=\dfrac n2 r = 2 n 对称、且在 r < n 2 r<\dfrac n2 r < 2 n 上严格递增、
在 r > n 2 r>\dfrac n2 r > 2 n 上严格递减,所以两个不同上标相等当且仅当它们关于 n 2 \dfrac n2 2 n 对称。)
于是这两项的二项式系数为
C 10 3 = C 10 7 = 10 × 9 × 8 3 × 2 × 1 = 120. \mathrm{C}_{10}^{3}=\mathrm{C}_{10}^{7}=\frac{10\times9\times8}{3\times2\times1}=120 . C 10 3 = C 10 7 = 3 × 2 × 1 10 × 9 × 8 = 120.
自检 :n = 10 n=10 n = 10 时展开式有 11 11 11 项,第 4 4 4 、第 8 8 8 项关于中间的第 6 6 6 项对称 ✓;
杨辉三角第 10 10 10 行的第 4 4 4 个数正是 120 120 120 ✓。
习题 6.3 第 9 题
用二项式定理证明:
(1) ( n + 1 ) n − 1 (n + 1)^{n} - 1 ( n + 1 ) n − 1 能被 n 2 n^2 n 2 整除;
(2) 99 10 − 1 99^{10} - 1 9 9 10 − 1 能被1000整除.
(1) 设 n ∈ N ∗ n\in\mathbf{N}^* n ∈ N ∗ 。按二项式定理展开(把 ( n + 1 ) n (n+1)^n ( n + 1 ) n 看成 ( 1 + n ) n (1+n)^n ( 1 + n ) n ):
( n + 1 ) n = C n 0 + C n 1 n + C n 2 n 2 + C n 3 n 3 + ⋯ + C n n n n , (n+1)^{n}=\mathrm{C}_n^{0}+\mathrm{C}_n^{1}n+\mathrm{C}_n^{2}n^{2}+\mathrm{C}_n^{3}n^{3}+\cdots+\mathrm{C}_n^{n}n^{n}, ( n + 1 ) n = C n 0 + C n 1 n + C n 2 n 2 + C n 3 n 3 + ⋯ + C n n n n ,
即
( n + 1 ) n − 1 = C n 1 n ⏟ = n ⋅ n = n 2 + C n 2 n 2 + C n 3 n 3 + ⋯ + C n n n n . (n+1)^{n}-1=\underbrace{\mathrm{C}_n^{1}n}_{=n\cdot n=n^{2}}
+\mathrm{C}_n^{2}n^{2}+\mathrm{C}_n^{3}n^{3}+\cdots+\mathrm{C}_n^{n}n^{n}. ( n + 1 ) n − 1 = = n ⋅ n = n 2 C n 1 n + C n 2 n 2 + C n 3 n 3 + ⋯ + C n n n n .
第一项 C n 1 n = n 2 \mathrm{C}_n^{1}n=n^{2} C n 1 n = n 2 本身就是 n 2 n^{2} n 2 ,其余各项含 n k n^{k} n k (k ≥ 2 k\ge2 k ≥ 2 )也都含因数 n 2 n^{2} n 2 ,
所以可以整体提出 n 2 n^{2} n 2 :
( n + 1 ) n − 1 = n 2 ( 1 + C n 2 + C n 3 n + ⋯ + C n n n n − 2 ) , (n+1)^{n}-1=n^{2}\left(1+\mathrm{C}_n^{2}+\mathrm{C}_n^{3}n+\cdots+\mathrm{C}_n^{n}n^{n-2}\right), ( n + 1 ) n − 1 = n 2 ( 1 + C n 2 + C n 3 n + ⋯ + C n n n n − 2 ) ,
括号里是整数,故 n 2 ∣ ( n + 1 ) n − 1 n^{2}\mid (n+1)^{n}-1 n 2 ∣ ( n + 1 ) n − 1 。(n = 1 n=1 n = 1 时两边为 1 1 1 与 1 1 1 ,结论也成立。)■ \blacksquare ■
(2) 把 99 99 99 写成 100 − 1 100-1 100 − 1 :
99 10 = ( 100 − 1 ) 10 = ∑ k = 0 10 C 10 k 100 k ( − 1 ) 10 − k = 1 − C 10 1 ⋅ 100 + C 10 2 ⋅ 100 2 − ⋯ + 100 10 , 99^{10}=(100-1)^{10}=\sum_{k=0}^{10}\mathrm{C}_{10}^{k}100^{k}(-1)^{10-k}
=1-\mathrm{C}_{10}^{1}\cdot100+\mathrm{C}_{10}^{2}\cdot100^{2}-\cdots+100^{10}, 9 9 10 = ( 100 − 1 ) 10 = k = 0 ∑ 10 C 10 k 10 0 k ( − 1 ) 10 − k = 1 − C 10 1 ⋅ 100 + C 10 2 ⋅ 10 0 2 − ⋯ + 10 0 10 ,
其中 k = 0 k=0 k = 0 项为 ( − 1 ) 10 = 1 (-1)^{10}=1 ( − 1 ) 10 = 1 、k = 1 k=1 k = 1 项为 C 10 1 ⋅ 100 ⋅ ( − 1 ) 9 = − 1000 \mathrm{C}_{10}^{1}\cdot100\cdot(-1)^{9}=-1000 C 10 1 ⋅ 100 ⋅ ( − 1 ) 9 = − 1000 ,
而 k ≥ 2 k\ge2 k ≥ 2 的每一项都含 100 2 = 10 4 100^{2}=10^{4} 10 0 2 = 1 0 4 ,故都是 1000 1000 1000 的倍数。于是
99 10 − 1 = − 1000 + 10 4 M ( M ∈ Z ) , 99^{10}-1=-1000+10^{4}M\qquad(M\in\mathbf{Z}), 9 9 10 − 1 = − 1000 + 1 0 4 M ( M ∈ Z ) ,
右边是 1000 1000 1000 的倍数,所以 1000 ∣ 99 10 − 1 1000\mid 99^{10}-1 1000 ∣ 9 9 10 − 1 。■ \blacksquare ■
自检 :(1) 取 n = 3 n=3 n = 3 :( 3 + 1 ) 3 − 1 = 63 = 9 × 7 (3+1)^{3}-1=63=9\times7 ( 3 + 1 ) 3 − 1 = 63 = 9 × 7 ,被 n 2 = 9 n^{2}=9 n 2 = 9 整除 ✓。
(2) 99 2 − 1 = 9800 99^{2}-1=9800 9 9 2 − 1 = 9800 不是 1000 1000 1000 的倍数,可见指数 10 10 10 是要紧的——本证明用到的正是
C 10 1 × 100 = 1000 \mathrm{C}_{10}^{1}\times100=1000 C 10 1 × 100 = 1000 这一步 ✓。
这道题的动作 :整除问题就把底数拆成「整千/整百 ± \pm ± 小数」再展开 ,
让含高次幂的项自动落入所求因数,只剩前一两项需要动手看。
习题 6.3 第 10 题
求证: 2 n − C n 1 × 2 n − 1 + C n 2 × 2 n − 2 + ⋯ + ( − 1 ) n − 1 C n n − 1 × 2 + ( − 1 ) n = 1. 2^{n}-C_{n}^{1}\times2^{n-1}+C_{n}^{2}\times2^{n-2}+\cdots+(-1)^{n-1}C_{n}^{n-1}\times2+(-1)^{n}=1. 2 n − C n 1 × 2 n − 1 + C n 2 × 2 n − 2 + ⋯ + ( − 1 ) n − 1 C n n − 1 × 2 + ( − 1 ) n = 1.
证明. 左边每一项的形状是 ( − 1 ) k C n k 2 n − k (-1)^{k}\mathrm{C}_n^{k}2^{n-k} ( − 1 ) k C n k 2 n − k (k = 0 , 1 , … , n k=0,1,\dots,n k = 0 , 1 , … , n ):
k = 0 k=0 k = 0 项为 C n 0 2 n = 2 n \mathrm{C}_n^{0}2^{n}=2^{n} C n 0 2 n = 2 n ,k = n k=n k = n 项为 ( − 1 ) n C n n 2 0 = ( − 1 ) n (-1)^{n}\mathrm{C}_n^{n}2^{0}=(-1)^{n} ( − 1 ) n C n n 2 0 = ( − 1 ) n ,
与题面首末两项相符。所以
左边 = ∑ k = 0 n C n k 2 n − k ( − 1 ) k . \text{左边}=\sum_{k=0}^{n}\mathrm{C}_n^{k}\,2^{n-k}\,(-1)^{k}. 左边 = k = 0 ∑ n C n k 2 n − k ( − 1 ) k .
这正是二项式定理 ( a + b ) n = ∑ k = 0 n C n k a n − k b k \displaystyle (a+b)^{n}=\sum_{k=0}^{n}\mathrm{C}_n^{k}a^{n-k}b^{k} ( a + b ) n = k = 0 ∑ n C n k a n − k b k 在 a = 2 a=2 a = 2 、b = − 1 b=-1 b = − 1
处的展开式,于是
左边 = ( 2 − 1 ) n = 1 n = 1 = 右边 . ■ \text{左边}=(2-1)^{n}=1^{n}=1=\text{右边}. \qquad\blacksquare 左边 = ( 2 − 1 ) n = 1 n = 1 = 右边 . ■
自检 :取 n = 3 n=3 n = 3 :8 − 3 × 4 + 3 × 2 − 1 = 8 − 12 + 6 − 1 = 1 8-3\times4+3\times2-1=8-12+6-1=1 8 − 3 × 4 + 3 × 2 − 1 = 8 − 12 + 6 − 1 = 1 ✓。
这道题的动作 :看见「组合数 × \times × 两个数的幂、符号正负相间」的和,就往 ( a + b ) n (a+b)^n ( a + b ) n 里塞 ——
本题的关键是认出 a = 2 a=2 a = 2 、b = − 1 b=-1 b = − 1 。
习题 6.3 第 11 题
下图反映了二项式定理产生、完备和推广所走过的漫长历程:
(1)在上述发展过程中,无论是推广还是证明,都是从特殊到一般。如今,数学研究的一个发展趋势就是尽可能地一般化。请你试一试,从 ( a + b ) n (a+b)^{n} ( a + b ) n 推广到 ( a 1 + a 2 + ⋯ + a m ) n (a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{m})^{n} ( a 1 + a 2 + ⋯ + a m ) n ( m , n ∈ N ∗ ) (m, n\in\mathbf{N}^{*}) ( m , n ∈ N ∗ ) 。
(2)请你查阅相关资料,细化上述历程中的某段过程,例如从3次到 n n n 次,从二项到 m m m 项等,说一说数学家是如何发现问题和解决问题的.
先把图读准 (第 (1) 问要推广到的那个式子,图上就写着,别凭印象编)。图是一条史料时间线,
节点逐个是:
公元前 3 世纪 欧几里得《原本》:( a + b ) 2 (a+b)^{2} ( a + b ) 2 → 1 世纪 《九章算术》:( a + b ) 2 (a+b)^{2} ( a + b ) 2 、( a + b ) 3 (a+b)^{3} ( a + b ) 3
→ ……(中间省略)→ 17 世纪 帕斯卡《论算术三角形》:( a + b ) n (a+b)^{n} ( a + b ) n ,n ∈ N ∗ n\in\mathbf{N}^{*} n ∈ N ∗ ;
从帕斯卡分出两条「推广 」:1695 年 莱布尼茨、约翰第一·伯努利:
( a 1 + ⋯ + a m ) n (a_{1}+\cdots+a_{m})^{n} ( a 1 + ⋯ + a m ) n ,m , n ∈ N ∗ m,n\in\mathbf{N}^{*} m , n ∈ N ∗ ;1665 年 牛顿:( a + b ) n (a+b)^{n} ( a + b ) n ,n ∈ Q n\in\mathbf{Q} n ∈ Q ;
从牛顿分出一条「证明 」(18 世纪 ):1708 年 蒙特摩尔(n = 4 n=4 n = 4 )、1742 年 卡斯蒂隆
(n ∈ N ∗ n\in\mathbf{N}^{*} n ∈ N ∗ )、1773 年 欧拉(( 1 + x ) n (1+x)^{n} ( 1 + x ) n ,x , n ∈ R x,n\in\mathbf{R} x , n ∈ R ),再到 19 世纪 柯西
(( 1 + x ) n (1+x)^{n} ( 1 + x ) n ,x , n ∈ C x,n\in\mathbf{C} x , n ∈ C )。
两条推广是两个不同方向:莱布尼茨那一格改的是项数 m m m ,牛顿那一格改的是指数 n n n 的范围。
第 (1) 问要你走的正是莱布尼茨、伯努利那条(项数方向),图上连式子都给了。
(图上没有贾宪,也没有杨辉;中式的那一格是《九章算术》,起点是欧几里得。这一节课本另有
「杨辉三角」的阅读材料,别把两处的史料混在一起。)
(1)推广:多项式定理。 结论是
( a 1 + a 2 + ⋯ + a m ) n = ∑ k 1 + k 2 + ⋯ + k m = n k i ∈ N n ! k 1 ! k 2 ! ⋯ k m ! a 1 k 1 a 2 k 2 ⋯ a m k m . (a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{m})^{n}
=\sum_{\substack{k_{1}+k_{2}+\cdots+k_{m}=n\\ k_{i}\in\mathbf{N}}}
\frac{n!}{k_{1}!\,k_{2}!\cdots k_{m}!}\;a_{1}^{k_{1}}a_{2}^{k_{2}}\cdots a_{m}^{k_{m}} . ( a 1 + a 2 + ⋯ + a m ) n = k 1 + k 2 + ⋯ + k m = n k i ∈ N ∑ k 1 ! k 2 ! ⋯ k m ! n ! a 1 k 1 a 2 k 2 ⋯ a m k m .
推导(照 §6.3 推二项式定理的那条路走) :把 ( a 1 + ⋯ + a m ) n (a_1+\cdots+a_m)^{n} ( a 1 + ⋯ + a m ) n 写成 n n n 个括号相乘,
按多项式乘法法则,展开后的每一项都是「每个括号各取一个字母 」相乘的结果。若其中取到
a 1 a_{1} a 1 的括号有 k 1 k_{1} k 1 个、取到 a 2 a_{2} a 2 的有 k 2 k_{2} k 2 个、……、取到 a m a_{m} a m 的有 k m k_{m} k m 个,
则 k 1 + k 2 + ⋯ + k m = n k_{1}+k_{2}+\cdots+k_{m}=n k 1 + k 2 + ⋯ + k m = n ,这一项就是 a 1 k 1 a 2 k 2 ⋯ a m k m a_{1}^{k_{1}}a_{2}^{k_{2}}\cdots a_{m}^{k_{m}} a 1 k 1 a 2 k 2 ⋯ a m k m 。
同类项有多少个?就是把 n n n 个括号分给 m m m 组、各组容量为 k 1 , … , k m k_1,\dots,k_m k 1 , … , k m 的分法数。分步选:
先从 n n n 个括号里选 k 1 k_{1} k 1 个给 a 1 a_{1} a 1 ,再从余下的选 k 2 k_{2} k 2 个给 a 2 a_{2} a 2 ,如此下去,由分步乘法计数原理
C n k 1 C n − k 1 k 2 ⋯ C k m k m = n ! k 1 ! ( n − k 1 ) ! ⋅ ( n − k 1 ) ! k 2 ! ( n − k 1 − k 2 ) ! ⋯ = n ! k 1 ! k 2 ! ⋯ k m ! , \mathrm{C}_{n}^{k_{1}}\mathrm{C}_{n-k_{1}}^{k_{2}}\cdots\mathrm{C}_{k_{m}}^{k_{m}}
=\frac{n!}{k_{1}!(n-k_{1})!}\cdot\frac{(n-k_{1})!}{k_{2}!(n-k_{1}-k_{2})!}\cdots
=\frac{n!}{k_{1}!\,k_{2}!\cdots k_{m}!}, C n k 1 C n − k 1 k 2 ⋯ C k m k m = k 1 ! ( n − k 1 )! n ! ⋅ k 2 ! ( n − k 1 − k 2 )! ( n − k 1 )! ⋯ = k 1 ! k 2 ! ⋯ k m ! n ! ,
中间的阶乘逐个约掉,只剩这一个式子。把它当系数配到对应的字母幂上,即得上述展开式。
两处核对 :m = 2 m=2 m = 2 时 k 1 + k 2 = n k_{1}+k_{2}=n k 1 + k 2 = n ,系数 n ! k 1 ! k 2 ! = n ! k ! ( n − k ) ! = C n k \dfrac{n!}{k_{1}!k_{2}!}=\dfrac{n!}{k!(n-k)!}=\mathrm{C}_n^{k} k 1 ! k 2 ! n ! = k ! ( n − k )! n ! = C n k
(记 k 2 = k k_2=k k 2 = k ),退化回二项式定理 ✓;令全部 a i = 1 a_{i}=1 a i = 1 得
m n = ∑ k 1 + ⋯ + k m = n n ! k 1 ! ⋯ k m ! , m^{n}=\sum_{k_{1}+\cdots+k_{m}=n}\frac{n!}{k_{1}!\cdots k_{m}!}, m n = k 1 + ⋯ + k m = n ∑ k 1 ! ⋯ k m ! n ! ,
左边是「n n n 个括号每个有 m m m 种取法」的总数,两边一致 ✓(m = 2 m=2 m = 2 时它就是 ∑ k C n k = 2 n \sum_k\mathrm{C}_n^k=2^n ∑ k C n k = 2 n )。
举个具体的 :m = 3 m=3 m = 3 、n = 2 n=2 n = 2 时公式给
a 1 2 + a 2 2 + a 3 2 + 2 a 1 a 2 + 2 a 1 a 3 + 2 a 2 a 3 a_1^2+a_2^2+a_3^2+2a_1a_2+2a_1a_3+2a_2a_3 a 1 2 + a 2 2 + a 3 2 + 2 a 1 a 2 + 2 a 1 a 3 + 2 a 2 a 3 ,与直接平方的结果一致 ✓。
(2) 这一问要求查阅资料并撰写「数学家如何发现与解决问题」的过程,没有唯一解答 ,
属于开放式作业,本份不代做——本站只把第 (1) 问的数学推导补齐。
不过查资料的入口图上已经给全了 ,按节点名去查就不会查偏。想细化「从二项到 m m m 项」,
查 1695 年莱布尼茨与约翰第一·伯努利那一格;想细化「从正整数次到有理数次」,查 1665 年牛顿;
想细化「证明是怎么一步步补严的」,就顺着 1708 蒙特摩尔(只做到 n = 4 n=4 n = 4 )→ 1742 卡斯蒂隆
(n ∈ N ∗ n\in\mathbf{N}^{*} n ∈ N ∗ )→ 1773 欧拉(x , n ∈ R x,n\in\mathbf{R} x , n ∈ R )→ 19 世纪柯西(x , n ∈ C x,n\in\mathbf{C} x , n ∈ C )这条链子读,
它本身就是一条「先算例、再一般、最后把收敛性说清楚」的路。
复习参考题 6 第 1 题
1. 填空题
(1)乘积 ( a 1 + a 2 + ⋯ + a n ) ( b 1 + b 2 + ⋯ + b n ) (a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{n})(b_{1}+b_{2}+\cdots+b_{n}) ( a 1 + a 2 + ⋯ + a n ) ( b 1 + b 2 + ⋯ + b n ) 展开后,共有____项;
(2) 学生可从本年级开设的 7 门选修课中任意选择 3 门, 并从 6 种课外活动小组中选择 2 种, 不同的选法种数是 ____;
(3)安排6名歌手演出顺序时,要求某歌手不是第一个出场,也不是最后一个出场,不同排法的种数是____;
(4)5个人分4张无座足球票,每人至多分1张,而且票必须分完,那么不同分法的种数是____;
(5)5名同学去听同时举行的3个课外知识讲座,每名同学可自由选择听其中的1个讲座,不同选择的种数是____;
(6) 正十二边形的对角线的条数是 ____;
(7) ( 1 + x ) 2 n (1+x)^{2n} ( 1 + x ) 2 n 的展开式中,系数最大的项是第____项.
(1)n 2 n^{2} n 2 。 展开后每一项都是「前一个括号取一个 a i a_{i} a i 、后一个括号取一个 b j b_{j} b j 」相乘所得的
a i b j a_{i}b_{j} a i b j ;分两步各有 n n n 种取法,由分步乘法计数原理共 n × n = n 2 n\times n=n^{2} n × n = n 2 项。这 n 2 n^{2} n 2 个
a i b j a_{i}b_{j} a i b j 的下标组 ( i , j ) (i,j) ( i , j ) 两两不同,没有同类项可合并 ,所以恰好是 n 2 n^{2} n 2 项。
(2)525 525 525 。 选修课「任意选择 3 门」是组合(不计顺序)C 7 3 = 35 \mathrm{C}_7^{3}=35 C 7 3 = 35 ,
活动小组选 2 种是 C 6 2 = 15 \mathrm{C}_6^{2}=15 C 6 2 = 15 ;两件事分两步完成,故 35 × 15 = 525 35\times15=525 35 × 15 = 525 种。
(3)480 480 480 。 先安排受限的那名歌手:6 6 6 个位置里除去第一、最后,有 4 4 4 种选择;
其余 5 5 5 名歌手在剩下 5 5 5 个位置上全排列,有 5 ! = 120 5!=120 5 ! = 120 种。故 4 × 120 = 480 4\times120=480 4 × 120 = 480 种。
(4)5 5 5 。 票没有座位号、彼此无区别 ,每人至多 1 1 1 张且必须发完,
所以一种分法等价于「从 5 5 5 人中选出 4 4 4 个拿到票的人」,共 C 5 4 = 5 \mathrm{C}_5^{4}=5 C 5 4 = 5 种。
(5)3 5 = 243 3^{5}=243 3 5 = 243 。 讲座同时举行,故每名同学只能选 1 1 1 个,各人独立地有 3 3 3 种选择;
5 5 5 名同学分 5 5 5 步,共 3 5 = 243 3^{5}=243 3 5 = 243 种。
(6)54 54 54 。 12 12 12 个顶点两两连线共 C 12 2 = 66 \mathrm{C}_{12}^{2}=66 C 12 2 = 66 条,其中 12 12 12 条是边,
其余都是对角线:66 − 12 = 54 66-12=54 66 − 12 = 54 条。
(7)第 n + 1 n+1 n + 1 项。 ( 1 + x ) 2 n (1+x)^{2n} ( 1 + x ) 2 n 的第 k + 1 k+1 k + 1 项是 C 2 n k x k \mathrm{C}_{2n}^{k}x^{k} C 2 n k x k ,
系数就是二项式系数 (因为 a = b = 1 a=b=1 a = b = 1 ,没有别的数值因子)。由二项式系数的增减性,
C 2 n k \mathrm{C}_{2n}^{k} C 2 n k 在 k < n k<n k < n 时递增、k > n k>n k > n 时递减,故 k = n k=n k = n 时最大,对应第 n + 1 n+1 n + 1 项。
自检 :(3)换一条路——总排法 6 ! = 720 6!=720 6 ! = 720 ,减去该歌手排在首位或末位的 2 × 5 ! = 240 2\times5!=240 2 × 5 ! = 240 ,
得 720 − 240 = 480 720-240=480 720 − 240 = 480 ✓。(5)注意与「5 3 5^{3} 5 3 」的区别:是每名同学 去挑讲座,
故底数是讲座数 3 3 3 、指数是人数 5 5 5 ✓。(7)取 n = 1 n=1 n = 1 :( 1 + x ) 2 = 1 + 2 x + x 2 (1+x)^{2}=1+2x+x^{2} ( 1 + x ) 2 = 1 + 2 x + x 2 ,
系数最大的是第 2 2 2 项 2 x 2x 2 x ,与 n + 1 = 2 n+1=2 n + 1 = 2 相符 ✓。
复习参考题 6 第 2 题
一个集合有 5 个元素.
(1) 这个集合的含有 3 个元素的子集有多少个?
(2) 这个集合的子集共有多少个?
(1) 从 5 5 5 个元素里取 3 3 3 个,与顺序无关,故有
C 5 3 = 5 × 4 × 3 3 × 2 × 1 = 10 \mathrm{C}_5^{3}=\frac{5\times4\times3}{3\times2\times1}=10 C 5 3 = 3 × 2 × 1 5 × 4 × 3 = 10
个含 3 3 3 个元素的子集。
(2) 按元素个数分类相加(也可对每个元素独立地作「要 / 不要」两种选择):
C 5 0 + C 5 1 + C 5 2 + C 5 3 + C 5 4 + C 5 5 = 1 + 5 + 10 + 10 + 5 + 1 = 32 = 2 5 , \mathrm{C}_5^{0}+\mathrm{C}_5^{1}+\mathrm{C}_5^{2}+\mathrm{C}_5^{3}+\mathrm{C}_5^{4}+\mathrm{C}_5^{5}
=1+5+10+10+5+1=32=2^{5}, C 5 0 + C 5 1 + C 5 2 + C 5 3 + C 5 4 + C 5 5 = 1 + 5 + 10 + 10 + 5 + 1 = 32 = 2 5 ,
共 32 32 32 个子集(含空集与集合自身)。
自检 :(1) 由对称性 C 5 3 = C 5 2 = 10 \mathrm{C}_5^{3}=\mathrm{C}_5^{2}=10 C 5 3 = C 5 2 = 10 ✓。
(2) 与练习第 4 题的一般结论 2 n 2^{n} 2 n 在 n = 5 n=5 n = 5 处一致 ✓。
复习参考题 6 第 3 题
3. 填空题
(1)已知 C n + 1 n − 1 = 21 C_{n+1}^{n-1}=21 C n + 1 n − 1 = 21 ,那么n=____;
(2) 某班一天上午有 4 节课, 下午有 2 节课, 现要安排该班一天中语文、数学、政治、英语、体育、艺术 6 堂课的课程表, 要求数学课排在上午, 体育课排在下午, 不同排法种数是 ____;
(3) 某人设计的电脑开机密码由 2 个英文字母后接 4 个数字组成,且 2 个英文字母不相同,该密码可能的个数是 ____;
(4)以正方体的顶点为顶点的三棱锥的个数是____;
(5) 在 ( 1 − 2 x ) n (1-2x)^{n} ( 1 − 2 x ) n 的展开式中,各项系数的和是 ____.
(1)n = 6 n=6 n = 6 。 用对称性把上标压小:C n + 1 n − 1 = C n + 1 2 \mathrm{C}_{n+1}^{n-1}=\mathrm{C}_{n+1}^{2} C n + 1 n − 1 = C n + 1 2 ,于是
( n + 1 ) n 2 = 21 ⟹ n 2 + n − 42 = 0 ⟹ n = 6 或 n = − 7. \frac{(n+1)n}{2}=21\ \Longrightarrow\ n^{2}+n-42=0\ \Longrightarrow\ n=6\ \text{或}\ n=-7 . 2 ( n + 1 ) n = 21 ⟹ n 2 + n − 42 = 0 ⟹ n = 6 或 n = − 7.
又需 n − 1 ≥ 0 n-1\ge0 n − 1 ≥ 0 且 n ∈ N ∗ n\in\mathbf{N}^* n ∈ N ∗ ,故 n = 6 n=6 n = 6 。(回代:C 7 5 = C 7 2 = 21 \mathrm{C}_7^{5}=\mathrm{C}_7^{2}=21 C 7 5 = C 7 2 = 21 ✓)
(2)192 192 192 。 分三步:数学课排在上午 4 4 4 节中的一节,4 4 4 种;体育课排在下午 2 2 2 节中的一节,
2 2 2 种;余下 4 4 4 门课排在余下 4 4 4 个位置上,4 ! = 24 4!=24 4 ! = 24 种。共
4 × 2 × 24 = 192. 4\times2\times24=192 . 4 × 2 × 24 = 192.
(3)6 500 000 6\,500\,000 6 500 000 。 前两位是不相同 的英文字母,按顺序排:26 × 25 = 650 26\times25=650 26 × 25 = 650 种;
后四位数字各有 10 10 10 种、可重复:10 4 10^{4} 1 0 4 种。共
650 × 10 4 = 6 500 000. 650\times10^{4}=6\,500\,000 . 650 × 1 0 4 = 6 500 000.
(4)58 58 58 。 从正方体 8 8 8 个顶点中任取 4 4 4 个,有 C 8 4 = 70 \mathrm{C}_8^{4}=70 C 8 4 = 70 种;
其中四点共面 的不能构成三棱锥,共面的情形恰有 12 12 12 组:6 6 6 个表面 + + + 6 6 6 个对角面
(每一对相对的棱确定一个矩形对角面,正方体有 6 6 6 个这样的截面)。故
70 − 12 = 58. 70-12=58 . 70 − 12 = 58.
(5)( − 1 ) n (-1)^{n} ( − 1 ) n 。 「各项系数的和」就是把 x = 1 x=1 x = 1 代进去(系数含 − 2 -2 − 2 的幂,必须一起代 ):
( 1 − 2 × 1 ) n = ( − 1 ) n , (1-2\times1)^{n}=(-1)^{n}, ( 1 − 2 × 1 ) n = ( − 1 ) n ,
即 n n n 为偶数时为 1 1 1 、n n n 为奇数时为 − 1 -1 − 1 。
自检 :(2)总排法 6 ! = 720 6!=720 6 ! = 720 ,而要求两门课各落在指定的半天,概率式地看
4 6 × 2 5 = 4 15 \dfrac{4}{6}\times\dfrac{2}{5}=\dfrac{4}{15} 6 4 × 5 2 = 15 4 ,720 × 4 15 = 192 720\times\dfrac{4}{15}=192 720 × 15 4 = 192 ✓。
(4)12 12 12 组共面点数可数一遍:6 6 6 个面各 1 1 1 组;含两条相对棱的对角面 6 6 6 个
(正方体有 6 6 6 对相对的棱)✓。
(5)取 n = 1 n=1 n = 1 :( 1 − 2 x ) (1-2x) ( 1 − 2 x ) 的系数和为 1 + ( − 2 ) = − 1 = ( − 1 ) 1 1+(-2)=-1=(-1)^{1} 1 + ( − 2 ) = − 1 = ( − 1 ) 1 ✓;
注意它与二项式系数 之和 2 n 2^{n} 2 n 不是一回事。
复习参考题 6 第 4 题
4.(1)平面内有 n n n 条直线,其中没有两条平行,也没有三条交于一点,共有多少个交点?
(2) 空间有 n 个平面,其中没有两个互相平行,也没有三个交于一条直线,共有多少条交线?
(1) 没有两条平行 ⇒ \Rightarrow ⇒ 每两条直线都恰好相交于一点 ;没有三条共点
⇒ \Rightarrow ⇒ 不同的直线对给出不同的交点 。于是交点与「直线的无序对」一一对应:
C n 2 = n ( n − 1 ) 2 个交点 ( n ≥ 2 ; n = 1 时为 0 ) . \mathrm{C}_n^{2}=\frac{n(n-1)}{2}\ \text{个交点}\qquad(n\ge2;\ n=1\ \text{时为}\ 0). C n 2 = 2 n ( n − 1 ) 个交点 ( n ≥ 2 ; n = 1 时为 0 ) .
(2) 完全同构:没有两个平面平行 ⇒ \Rightarrow ⇒ 每两个平面恰好交于一条直线;
没有三个平面交于同一条直线 ⇒ \Rightarrow ⇒ 不同的平面对给出不同的交线。故交线数为
C n 2 = n ( n − 1 ) 2 ( n ≥ 2 ) . \mathrm{C}_n^{2}=\frac{n(n-1)}{2}\qquad(n\ge2). C n 2 = 2 n ( n − 1 ) ( n ≥ 2 ) .
自检 :(1) n = 3 n=3 n = 3 (三角形的三条边所在直线)给 C 3 2 = 3 \mathrm{C}_3^2=3 C 3 2 = 3 个交点 ✓;
n = 4 n=4 n = 4 给 6 6 6 个 ✓。(2) n = 3 n=3 n = 3 (如正方体一个顶点处的三个面)给 3 3 3 条交线 ✓。
这道题的动作 :两问都是把「交点 / 交线」翻译成「取两个对象」 ,
题设那两句「没有两条平行、没有三条共点」正是保证这个对应既不漏也不重 的条件。
复习参考题 6 第 5 题
5.(1)求 ( 1 − 2 x ) 5 ( 1 + 3 x ) 4 (1 - 2x)^{5}(1 + 3x)^{4} ( 1 − 2 x ) 5 ( 1 + 3 x ) 4 的展开式中按 x x x 的升幂排列的第3项;
(2) 求 ( 9 x + 1 3 x ) 18 \left(9x+\frac{1}{3\sqrt{x}}\right)^{18} ( 9 x + 3 x 1 ) 18 的展开式的常数项;
(3)已知 ( 1 + x ) n (1 + \sqrt{x})^n ( 1 + x ) n 的展开式中第9项、第10项、第11项的二项式系数成等差数列,求 n n n
(4) 求 ( 1 + x + x 2 ) ( 1 − x ) 10 (1+x+x^{2})(1-x)^{10} ( 1 + x + x 2 ) ( 1 − x ) 10 的展开式中 x 4 x^{4} x 4 的系数;
(5) 求 ( x 2 + x + y ) 5 (x^{2}+x+y)^{5} ( x 2 + x + y ) 5 的展开式中 x 5 y 2 x^{5}y^{2} x 5 y 2 的系数.
(1) 按 x x x 升幂排列,第 3 3 3 项就是含 x 2 x^{2} x 2 的项。两个因式各展到 x 2 x^{2} x 2 :
( 1 − 2 x ) 5 = 1 − 10 x + 40 x 2 + ⋯ , ( 1 + 3 x ) 4 = 1 + 12 x + 54 x 2 + ⋯ (1-2x)^{5}=1-10x+40x^{2}+\cdots,\qquad (1+3x)^{4}=1+12x+54x^{2}+\cdots ( 1 − 2 x ) 5 = 1 − 10 x + 40 x 2 + ⋯ , ( 1 + 3 x ) 4 = 1 + 12 x + 54 x 2 + ⋯
(C 5 1 ⋅ 2 = 10 \mathrm{C}_5^1\cdot2=10 C 5 1 ⋅ 2 = 10 、C 5 2 ⋅ 2 2 = 40 \mathrm{C}_5^2\cdot2^2=40 C 5 2 ⋅ 2 2 = 40 ;C 4 1 ⋅ 3 = 12 \mathrm{C}_4^1\cdot3=12 C 4 1 ⋅ 3 = 12 、C 4 2 ⋅ 3 2 = 54 \mathrm{C}_4^2\cdot3^2=54 C 4 2 ⋅ 3 2 = 54 。)
x 2 x^{2} x 2 的系数由三种配法相加:
1 × 54 + ( − 10 ) × 12 + 40 × 1 = 54 − 120 + 40 = − 26 , 1\times54+(-10)\times12+40\times1=54-120+40=-26 , 1 × 54 + ( − 10 ) × 12 + 40 × 1 = 54 − 120 + 40 = − 26 ,
故所求第 3 3 3 项为 − 26 x 2 -26x^{2} − 26 x 2 。
(2) (x > 0 x>0 x > 0 )通项
T k + 1 = C 18 k ( 9 x ) 18 − k ( 1 3 x − 1 2 ) k = C 18 k 9 18 − k 3 − k x 18 − k − k 2 . T_{k+1}=\mathrm{C}_{18}^{k}(9x)^{18-k}\left(\frac{1}{3}x^{-\frac12}\right)^{k}
=\mathrm{C}_{18}^{k}\,9^{18-k}\,3^{-k}\,x^{18-k-\frac k2}. T k + 1 = C 18 k ( 9 x ) 18 − k ( 3 1 x − 2 1 ) k = C 18 k 9 18 − k 3 − k x 18 − k − 2 k .
常数项要求 18 − 3 k 2 = 0 18-\dfrac{3k}{2}=0 18 − 2 3 k = 0 ,即 k = 12 k=12 k = 12 (整数且在 0 ≤ k ≤ 18 0\le k\le18 0 ≤ k ≤ 18 内 ✓)。此时
9 6 ⋅ 3 − 12 = 3 12 ⋅ 3 − 12 = 1 , 9^{6}\cdot3^{-12}=3^{12}\cdot3^{-12}=1, 9 6 ⋅ 3 − 12 = 3 12 ⋅ 3 − 12 = 1 ,
所以常数项为
C 18 12 = C 18 6 = 18 × 17 × 16 × 15 × 14 × 13 6 ! = 18564. \mathrm{C}_{18}^{12}=\mathrm{C}_{18}^{6}=\frac{18\times17\times16\times15\times14\times13}{6!}=18564 . C 18 12 = C 18 6 = 6 ! 18 × 17 × 16 × 15 × 14 × 13 = 18564.
(3) 第 9 9 9 、10 10 10 、11 11 11 项的二项式系数是 C n 8 \mathrm{C}_n^{8} C n 8 、C n 9 \mathrm{C}_n^{9} C n 9 、C n 10 \mathrm{C}_n^{10} C n 10
(项号比上标大 1 1 1 ),需 n ≥ 10 n\ge10 n ≥ 10 。成等差数列即
2 C n 9 = C n 8 + C n 10 . 2\mathrm{C}_n^{9}=\mathrm{C}_n^{8}+\mathrm{C}_n^{10}. 2 C n 9 = C n 8 + C n 10 .
两边同除以 C n 9 \mathrm{C}_n^{9} C n 9 (正数),并用相邻两项之比
C n k C n k − 1 = n − k + 1 k \dfrac{\mathrm{C}_n^{k}}{\mathrm{C}_n^{k-1}}=\dfrac{n-k+1}{k} C n k − 1 C n k = k n − k + 1 :
C n 8 C n 9 = 9 n − 8 , C n 10 C n 9 = n − 9 10 , \frac{\mathrm{C}_n^{8}}{\mathrm{C}_n^{9}}=\frac{9}{n-8},\qquad
\frac{\mathrm{C}_n^{10}}{\mathrm{C}_n^{9}}=\frac{n-9}{10}, C n 9 C n 8 = n − 8 9 , C n 9 C n 10 = 10 n − 9 ,
于是
2 = 9 n − 8 + n − 9 10 . 2=\frac{9}{n-8}+\frac{n-9}{10}. 2 = n − 8 9 + 10 n − 9 .
两边乘 10 ( n − 8 ) > 0 10(n-8)>0 10 ( n − 8 ) > 0 :20 ( n − 8 ) = 90 + ( n − 9 ) ( n − 8 ) 20(n-8)=90+(n-9)(n-8) 20 ( n − 8 ) = 90 + ( n − 9 ) ( n − 8 ) ,整理得
n 2 − 37 n + 322 = 0 ⟹ n = 37 ± 9 2 ⟹ n = 14 或 n = 23. n^{2}-37n+322=0\ \Longrightarrow\ n=\frac{37\pm9}{2}\ \Longrightarrow\ n=14\ \text{或}\ n=23 . n 2 − 37 n + 322 = 0 ⟹ n = 2 37 ± 9 ⟹ n = 14 或 n = 23.
两者都满足 n ≥ 10 n\ge10 n ≥ 10 ,故 n = 14 n=14 n = 14 或 n = 23 n=23 n = 23 。
(4) x 4 x^{4} x 4 有三个来源:1 1 1 配 ( 1 − x ) 10 (1-x)^{10} ( 1 − x ) 10 的 x 4 x^{4} x 4 项、x x x 配它的 x 3 x^{3} x 3 项、
x 2 x^{2} x 2 配它的 x 2 x^{2} x 2 项。( 1 − x ) 10 (1-x)^{10} ( 1 − x ) 10 中 x m x^{m} x m 的系数是 ( − 1 ) m C 10 m (-1)^{m}\mathrm{C}_{10}^{m} ( − 1 ) m C 10 m ,故
1 ⋅ C 10 4 + 1 ⋅ ( − C 10 3 ) + 1 ⋅ C 10 2 = 210 − 120 + 45 = 135. 1\cdot\mathrm{C}_{10}^{4}+1\cdot\left(-\mathrm{C}_{10}^{3}\right)+1\cdot\mathrm{C}_{10}^{2}
=210-120+45=135 . 1 ⋅ C 10 4 + 1 ⋅ ( − C 10 3 ) + 1 ⋅ C 10 2 = 210 − 120 + 45 = 135.
(5) 把 ( x 2 + x + y ) 5 (x^{2}+x+y)^{5} ( x 2 + x + y ) 5 看成 5 5 5 个括号相乘,每个括号出 x 2 x^{2} x 2 、x x x 或 y y y 。要得到 x 5 y 2 x^{5}y^{2} x 5 y 2 ,
必须恰有 2 2 2 个括号出 y y y ;余下 3 3 3 个括号出 x 2 x^{2} x 2 或 x x x ,设出 x 2 x^{2} x 2 的有 i i i 个、
出 x x x 的有 3 − i 3-i 3 − i 个,则
2 i + ( 3 − i ) = 5 ⟹ i = 2. 2i+(3-i)=5\ \Longrightarrow\ i=2 . 2 i + ( 3 − i ) = 5 ⟹ i = 2.
即:2 2 2 个括号出 y y y 、2 2 2 个出 x 2 x^{2} x 2 、1 1 1 个出 x x x 。这样的分配方式数(也就是同类项个数)为
5 ! 2 ! 2 ! 1 ! = 120 4 = 30 , \frac{5!}{2!\,2!\,1!}=\frac{120}{4}=30 , 2 ! 2 ! 1 ! 5 ! = 4 120 = 30 ,
所以 x 5 y 2 x^{5}y^{2} x 5 y 2 的系数是 30 30 30 。
自检 :(1) 也可先算 ( 1 − 2 x ) 5 ( 1 + 3 x ) 4 (1-2x)^{5}(1+3x)^{4} ( 1 − 2 x ) 5 ( 1 + 3 x ) 4 的低次部分:常数项 1 1 1 、x x x 项
( − 10 + 12 ) x = 2 x (-10+12)x=2x ( − 10 + 12 ) x = 2 x 、x 2 x^{2} x 2 项 − 26 x 2 -26x^{2} − 26 x 2 ;用 x = 1 x=1 x = 1 处的整体值核查不便,改用小规模验算——
把两个二次截断多项式相乘,x 2 x^{2} x 2 系数确为 54 − 120 + 40 = − 26 54-120+40=-26 54 − 120 + 40 = − 26 ✓。
(2) k = 12 k=12 k = 12 时 9 6 = 3 12 9^{6}=3^{12} 9 6 = 3 12 与 3 − 12 3^{-12} 3 − 12 恰好抵消,答案是纯组合数 ✓;C 18 6 = 18564 \mathrm{C}_{18}^{6}=18564 C 18 6 = 18564
可用杨辉三角或直接约分核 ✓。
(3) 回代 n = 14 n=14 n = 14 :C 14 8 = 3003 \mathrm{C}_{14}^{8}=3003 C 14 8 = 3003 、C 14 9 = 2002 \mathrm{C}_{14}^{9}=2002 C 14 9 = 2002 、C 14 10 = 1001 \mathrm{C}_{14}^{10}=1001 C 14 10 = 1001 ,
而 2 × 2002 = 4004 = 3003 + 1001 2\times2002=4004=3003+1001 2 × 2002 = 4004 = 3003 + 1001 ✓(n = 23 n=23 n = 23 同理成立,两解都要写)。
(4) 三项相加 210 − 120 + 45 = 135 210-120+45=135 210 − 120 + 45 = 135 ✓;系数不为零,说明这三条贡献没有互相抵消。
(5) 用多项式定理核:系数 5 ! i ! ( 3 − i ) ! 2 ! \dfrac{5!}{i!\,(3-i)!\,2!} i ! ( 3 − i )! 2 ! 5 ! 在 i = 2 i=2 i = 2 处为 30 30 30 ✓。
复习参考题 6 第 6 题
用二项式定理证明 55 55 + 9 55^{55} + 9 5 5 55 + 9 能被8整除.(提示:55 55 + 9 = ( 56 − 1 ) 55 + 9. 55^{55} + 9 = (56 - 1)^{55} + 9. 5 5 55 + 9 = ( 56 − 1 ) 55 + 9. )
证明. 按提示把 55 55 55 写成 56 − 1 56-1 56 − 1 ,并注意 56 = 8 × 7 56=8\times7 56 = 8 × 7 是 8 8 8 的倍数。由二项式定理
55 55 = ( 56 − 1 ) 55 = ∑ k = 0 55 C 55 k 56 k ( − 1 ) 55 − k . 55^{55}=(56-1)^{55}=\sum_{k=0}^{55}\mathrm{C}_{55}^{k}\,56^{k}\,(-1)^{55-k} . 5 5 55 = ( 56 − 1 ) 55 = k = 0 ∑ 55 C 55 k 5 6 k ( − 1 ) 55 − k .
其中 k ≥ 1 k\ge1 k ≥ 1 的每一项都含因数 56 56 56 ,故都能被 8 8 8 整除;k = 0 k=0 k = 0 的那一项是
C 55 0 56 0 ( − 1 ) 55 = − 1 \mathrm{C}_{55}^{0}56^{0}(-1)^{55}=-1 C 55 0 5 6 0 ( − 1 ) 55 = − 1 。于是存在整数 M M M 使
55 55 = 8 M − 1 , 55^{55}=8M-1, 5 5 55 = 8 M − 1 ,
从而
55 55 + 9 = 8 M − 1 + 9 = 8 M + 8 = 8 ( M + 1 ) , 55^{55}+9=8M-1+9=8M+8=8(M+1), 5 5 55 + 9 = 8 M − 1 + 9 = 8 M + 8 = 8 ( M + 1 ) ,
括号内是整数,所以 8 ∣ 55 55 + 9 8\mid 55^{55}+9 8 ∣ 5 5 55 + 9 。■ \blacksquare ■
自检 :把指数换成小数验一遍机理——55 1 + 9 = 64 = 8 × 8 55^{1}+9=64=8\times8 5 5 1 + 9 = 64 = 8 × 8 ✓,
55 2 + 9 = 3034 = 8 × 379 + 2 55^{2}+9=3034=8\times379+2 5 5 2 + 9 = 3034 = 8 × 379 + 2 ……注意 55 2 + 9 55^{2}+9 5 5 2 + 9 不 是 8 8 8 的倍数,
原因正是上面用到的 ( − 1 ) 55 = − 1 (-1)^{55}=-1 ( − 1 ) 55 = − 1 :指数为奇数 时余项才配成 − 1 + 9 = 8 -1+9=8 − 1 + 9 = 8 。
本题指数 55 55 55 是奇数,证明成立 ✓。
复习参考题 6 第 7 题
7.(1)平面内有两组平行线,一组有 m m m 条,另一组有 n n n 条,这两组平行线相交,可以构成多少个平行四边形?
(2) 空间有三组平行平面,第一组有 m m m 个,第二组有 n n n 个,第三组有 l l l 个,不同两组的平面都相交,且交线不都平行,可以构成多少个平行六面体?
(1) 一个平行四边形由第一组里的两条 与第二组里的两条 唯一确定
(两组各取两条,四条线围出的四边形对边分别平行,就是平行四边形);反之每个平行四边形也唯一地
对应这样一对选择。故由分步乘法计数原理,个数为
C m 2 C n 2 = m ( m − 1 ) 2 ⋅ n ( n − 1 ) 2 = m ( m − 1 ) n ( n − 1 ) 4 . \mathrm{C}_m^{2}\,\mathrm{C}_n^{2}=\frac{m(m-1)}{2}\cdot\frac{n(n-1)}{2}=\frac{m(m-1)n(n-1)}{4}. C m 2 C n 2 = 2 m ( m − 1 ) ⋅ 2 n ( n − 1 ) = 4 m ( m − 1 ) n ( n − 1 ) .
(需 m ≥ 2 m\ge2 m ≥ 2 、n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 ,否则为 0 0 0 。)
(2) 同一个道理升一维:一个平行六面体由每组各取两个平面 (共 6 6 6 个面)唯一确定,
故个数为
C m 2 C n 2 C l 2 = m ( m − 1 ) n ( n − 1 ) l ( l − 1 ) 8 . \mathrm{C}_m^{2}\,\mathrm{C}_n^{2}\,\mathrm{C}_l^{2}
=\frac{m(m-1)n(n-1)l(l-1)}{8}. C m 2 C n 2 C l 2 = 8 m ( m − 1 ) n ( n − 1 ) l ( l − 1 ) .
(需 m , n , l ≥ 2 m,n,l\ge2 m , n , l ≥ 2 。)
自检 :(1) m = n = 2 m=n=2 m = n = 2 时应恰好构成 1 1 1 个平行四边形,公式给
C 2 2 C 2 2 = 1 \mathrm{C}_2^2\mathrm{C}_2^2=1 C 2 2 C 2 2 = 1 ✓;m = 3 , n = 2 m=3,n=2 m = 3 , n = 2 时公式给 3 3 3 ,直观上第一组三条线两两配对得三种,
每种与第二组那两条围出一个,共 3 3 3 个 ✓。
(2) m = n = l = 2 m=n=l=2 m = n = l = 2 时给 1 1 1 个(一个平行六面体的三对面)✓。
复习参考题 6 第 8 题
某种产品的加工需要经过 5 道工序.
(1)如果其中某道工序不能放在最后,那么有多少种加工顺序?
(2)如果其中某2道工序既不能放在最前,也不能放在最后,那么有多少种加工顺序?
(3)如果其中某2道工序必须相邻,那么有多少种加工顺序?
(4)如果其中某2道工序不能相邻,那么有多少种加工顺序?
5 5 5 道工序视为 5 5 5 个不同元素的排列,总数 5 ! = 120 5!=120 5 ! = 120 。
(1)96 96 96 。 先安排受限的那道工序:5 5 5 个位置里除去最后一个,有 4 4 4 种;其余 4 4 4 道工序全排列
4 ! = 24 4!=24 4 ! = 24 种。故 4 × 24 = 96 4\times24=96 4 × 24 = 96 。
(等价地:120 − 4 ! = 120 − 24 = 96 120-4!=120-24=96 120 − 4 ! = 120 − 24 = 96 ,减掉它被放在最后的那些排法。)
(2)36 36 36 。 受限的 2 2 2 道工序都只能落在中间的第 2 2 2 、3 3 3 、4 4 4 位。先把它们排进这 3 3 3 个位置:
A 3 2 = 3 × 2 = 6 \mathrm{A}_3^{2}=3\times2=6 A 3 2 = 3 × 2 = 6 种;其余 3 3 3 道工序排在剩下 3 3 3 个位置:3 ! = 6 3!=6 3 ! = 6 种。故 6 × 6 = 36 6\times6=36 6 × 6 = 36 。
(3)48 48 48 。 捆绑法 :把必须相邻的 2 2 2 道工序看成一个整体,与其余 3 3 3 道工序共 4 4 4 个对象
全排列 4 ! = 24 4!=24 4 ! = 24 种;整体内部这 2 2 2 道工序还可交换,2 ! = 2 2!=2 2 ! = 2 种。故 24 × 2 = 48 24\times2=48 24 × 2 = 48 。
(4)72 72 72 。 「不相邻」是「相邻」的对立面,直接用总数减:
120 − 48 = 72. 120-48=72 . 120 − 48 = 72.
(也可用插空法 核:先把其余 3 3 3 道工序全排列 3 ! = 6 3!=6 3 ! = 6 种,形成 4 4 4 个空位,
再把那 2 2 2 道工序插入不同的两个空位 A 4 2 = 12 \mathrm{A}_4^{2}=12 A 4 2 = 12 种,6 × 12 = 72 6\times12=72 6 × 12 = 72 ✓。)
自检 :(1)96 < 120 96<120 96 < 120 且等于 120 × 4 5 120\times\dfrac45 120 × 5 4 ✓(那道工序落在最后的概率是 1 5 \frac15 5 1 )。
(2)36 = 120 × 3 5 × 2 4 36=120\times\dfrac{3}{5}\times\dfrac{2}{4} 36 = 120 × 5 3 × 4 2 ✓。
(3)+(4)= 48 + 72 = 120 =48+72=120 = 48 + 72 = 120 ,正好是全部排法 ✓——这一条同时把两问都核了。
复习参考题 6 第 9 题
在 ( 1 + x ) 3 + ( 1 + x ) 4 + ⋯ + ( 1 + x ) n + 2 (1+x)^{3}+(1+x)^{4}+\cdots+(1+x)^{n+2} ( 1 + x ) 3 + ( 1 + x ) 4 + ⋯ + ( 1 + x ) n + 2 的展开式中,含 x 2 x^{2} x 2 项的系数是多少?
( 1 + x ) j (1+x)^{j} ( 1 + x ) j 中 x 2 x^{2} x 2 的系数是 C j 2 \mathrm{C}_j^{2} C j 2 ,故所求系数为
S = C 3 2 + C 4 2 + ⋯ + C n + 2 2 . S=\mathrm{C}_3^{2}+\mathrm{C}_4^{2}+\cdots+\mathrm{C}_{n+2}^{2}. S = C 3 2 + C 4 2 + ⋯ + C n + 2 2 .
逐项用性质 C j 2 = C j + 1 3 − C j 3 \mathrm{C}_j^{2}=\mathrm{C}_{j+1}^{3}-\mathrm{C}_j^{3} C j 2 = C j + 1 3 − C j 3 (它就是
C j + 1 3 = C j 2 + C j 3 \mathrm{C}_{j+1}^{3}=\mathrm{C}_j^{2}+\mathrm{C}_j^{3} C j + 1 3 = C j 2 + C j 3 的移项,即杨辉三角「肩上两数相加」那条性质),
求和时首尾相消:
S = ( C 4 3 − C 3 3 ) + ( C 5 3 − C 4 3 ) + ⋯ + ( C n + 3 3 − C n + 2 3 ) = C n + 3 3 − C 3 3 , S=\bigl(\mathrm{C}_4^{3}-\mathrm{C}_3^{3}\bigr)+\bigl(\mathrm{C}_5^{3}-\mathrm{C}_4^{3}\bigr)+\cdots
+\bigl(\mathrm{C}_{n+3}^{3}-\mathrm{C}_{n+2}^{3}\bigr)=\mathrm{C}_{n+3}^{3}-\mathrm{C}_3^{3}, S = ( C 4 3 − C 3 3 ) + ( C 5 3 − C 4 3 ) + ⋯ + ( C n + 3 3 − C n + 2 3 ) = C n + 3 3 − C 3 3 ,
即
S = C n + 3 3 − 1 = ( n + 3 ) ( n + 2 ) ( n + 1 ) 6 − 1. S=\mathrm{C}_{n+3}^{3}-1=\frac{(n+3)(n+2)(n+1)}{6}-1 . S = C n + 3 3 − 1 = 6 ( n + 3 ) ( n + 2 ) ( n + 1 ) − 1.
自检 :n = 1 n=1 n = 1 时原式只有 ( 1 + x ) 3 (1+x)^{3} ( 1 + x ) 3 ,x 2 x^{2} x 2 系数应为 C 3 2 = 3 \mathrm{C}_3^2=3 C 3 2 = 3 ;
公式给 C 4 3 − 1 = 4 − 1 = 3 \mathrm{C}_4^{3}-1=4-1=3 C 4 3 − 1 = 4 − 1 = 3 ✓。
n = 2 n=2 n = 2 时应为 C 3 2 + C 4 2 = 3 + 6 = 9 \mathrm{C}_3^2+\mathrm{C}_4^2=3+6=9 C 3 2 + C 4 2 = 3 + 6 = 9 ;公式给 C 5 3 − 1 = 10 − 1 = 9 \mathrm{C}_5^{3}-1=10-1=9 C 5 3 − 1 = 10 − 1 = 9 ✓。
n = 3 n=3 n = 3 :3 + 6 + 10 = 19 3+6+10=19 3 + 6 + 10 = 19 ,公式给 C 6 3 − 1 = 20 − 1 = 19 \mathrm{C}_6^3-1=20-1=19 C 6 3 − 1 = 20 − 1 = 19 ✓。
这道题的动作 :一串组合数相加,先把每一项写成两个组合数之差 (裂项),
和就塌成首尾两项之差——这条恰好是本节杨辉三角那个递推性质的用法之一。
复习参考题 6 第 10 题
你能构造一个实际背景,对等式 C n k ⋅ C n − k m − k = C n m ⋅ C m k \mathrm{C}_n^k \cdot \mathrm{C}_{n - k}^{m - k} = \mathrm{C}_n^m \cdot \mathrm{C}_m^k C n k ⋅ C n − k m − k = C n m ⋅ C m k 的意义作出解释吗?
先说清等式成立的范围:0 ≤ k ≤ m ≤ n 0\le k\le m\le n 0 ≤ k ≤ m ≤ n ,且 k , m , n k,m,n k , m , n 都是整数。
一个实际背景:从 n n n 名同学中选出一个 m m m 人小组,并在组内指定 k k k 人当干部。
同一件事用两种顺序去数,数出来必须一样:
先定小组、再定干部(等式右边) :从 n n n 人中选 m m m 人组队,有 C n m \mathrm{C}_n^{m} C n m 种;
再从这 m m m 人中选 k k k 人当干部,有 C m k \mathrm{C}_m^{k} C m k 种。由分步乘法计数原理,共
C n m C m k \mathrm{C}_n^{m}\mathrm{C}_m^{k} C n m C m k 种。
先定干部、再补普通成员(等式左边) :直接从 n n n 人中选出 k k k 名干部,有 C n k \mathrm{C}_n^{k} C n k 种;
小组还差 m − k m-k m − k 个普通成员,要从剩下的 n − k n-k n − k 人中选,有 C n − k m − k \mathrm{C}_{n-k}^{m-k} C n − k m − k 种。共
C n k C n − k m − k \mathrm{C}_n^{k}\mathrm{C}_{n-k}^{m-k} C n k C n − k m − k 种。
两种数法数的是同一批「(小组,干部名单)」的搭配,且都不重不漏 (一个搭配在每种数法里
恰好被数一次),所以两个式子相等,这就是等式的组合意义。
代数上核一遍 (两边都化成阶乘):
C n k C n − k m − k = n ! k ! ( n − k ) ! ⋅ ( n − k ) ! ( m − k ) ! ( n − m ) ! = n ! k ! ( m − k ) ! ( n − m ) ! , \mathrm{C}_n^{k}\mathrm{C}_{n-k}^{m-k}
=\frac{n!}{k!(n-k)!}\cdot\frac{(n-k)!}{(m-k)!(n-m)!}
=\frac{n!}{k!\,(m-k)!\,(n-m)!}, C n k C n − k m − k = k ! ( n − k )! n ! ⋅ ( m − k )! ( n − m )! ( n − k )! = k ! ( m − k )! ( n − m )! n ! ,
C n m C m k = n ! m ! ( n − m ) ! ⋅ m ! k ! ( m − k ) ! = n ! k ! ( m − k ) ! ( n − m ) ! , \mathrm{C}_n^{m}\mathrm{C}_m^{k}
=\frac{n!}{m!(n-m)!}\cdot\frac{m!}{k!(m-k)!}
=\frac{n!}{k!\,(m-k)!\,(n-m)!}, C n m C m k = m ! ( n − m )! n ! ⋅ k ! ( m − k )! m ! = k ! ( m − k )! ( n − m )! n ! ,
两者相同 ✓。
换一个背景也一样 :把 n n n 件产品分成「k k k 件送检 + + + ( m − k ) (m-k) ( m − k ) 件备用 + + + ( n − m ) (n-m) ( n − m ) 件入库」,
三堆的分法数就是上面那个公共值 n ! k ! ( m − k ) ! ( n − m ) ! \dfrac{n!}{k!(m-k)!(n-m)!} k ! ( m − k )! ( n − m )! n ! ——这也解释了为什么两边会相等:
它们都在数同一个「三分法」 。
自检 :取 n = 5 n=5 n = 5 、m = 3 m=3 m = 3 、k = 2 k=2 k = 2 :左边 C 5 2 C 3 1 = 10 × 3 = 30 \mathrm{C}_5^{2}\mathrm{C}_3^{1}=10\times3=30 C 5 2 C 3 1 = 10 × 3 = 30 ,
右边 C 5 3 C 3 2 = 10 × 3 = 30 \mathrm{C}_5^{3}\mathrm{C}_3^{2}=10\times3=30 C 5 3 C 3 2 = 10 × 3 = 30 ✓;公共表达式
5 ! 2 ! 1 ! 2 ! = 120 4 = 30 \dfrac{5!}{2!\,1!\,2!}=\dfrac{120}{4}=30 2 ! 1 ! 2 ! 5 ! = 4 120 = 30 ✓。