浙江 2014 · 数学 q05

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2014 · 数学 q05 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

  1. 在 (1+x)6(1+y)4(1+x)^{6}(1+y)^{4} 的展开式中,记 xmynx^{m}y^{n} 项的系数 f(m,n)f(m,n) ,则 f(3,0)+f(2,1)+f(1,2)+f(0,3)=f(3,0)+f(2,1)+f(1,2)+f(0,3)= ()

A. 45
B. 60
C. 120
D. 210

答案

C

本题的知识树

2 公式 · 1 题型 · 1 套路 · 1 易错点 · 最深 2 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

四项恰好凑齐「共取 3 个」的一整层 · 令 x=yx=y 就并成 C103=120C_{10}^{3}=120 · 最终答案:C

冷启动:先把 f(m,n)f(m,n) 认出来

(1+x)6(1+y)4(1+x)^{6}(1+y)^{4} 里,xx 只从前一个括号来,yy 只从后一个括号来,两个括号各选各的、互不牵扯。 所以要凑出 xmynx^{m}y^{n},就是「前一个括号里取 mm 个 xx」和「后一个括号里取 nn 个 yy」两件独立的事:

f(m,n)=C6m⋅C4n.f(m,n)=C_{6}^{m}\cdot C_{4}^{n} .

是乘积,不是和——这是全题的起点,也是最容易在慌乱中写成加号的地方。

再看要求的是哪四项:

f(3,0),f(2,1),f(1,2),f(0,3).f(3,0),\quad f(2,1),\quad f(1,2),\quad f(0,3) .

四对 (m,n)(m,n) 的和都是 33。而且它们把 m+n=3m+n=3 的分法穷尽了: mm 最多能取 33(3⩽63\leqslant 6),最少能取 00(此时 n=3⩽4n=3\leqslant 4),中间的 11、22 都在—— 一个不多、一个不少。

这句「不多不少」不是废话,它是解法二能用的唯一理由。 记住它,下面会用到。

解法一:四项各算一次,加起来

四个组合数都是小数,硬算最省心:

f(3,0)=C63⋅C40=20×1=20,f(2,1)=C62⋅C41=15×4=60,f(1,2)=C61⋅C42=6×6=36,f(0,3)=C60⋅C43=1×4=4.\begin{aligned} f(3,0)&=C_{6}^{3}\cdot C_{4}^{0}=20\times 1=20 ,\\ f(2,1)&=C_{6}^{2}\cdot C_{4}^{1}=15\times 4=60 ,\\ f(1,2)&=C_{6}^{1}\cdot C_{4}^{2}=6\times 6=36 ,\\ f(0,3)&=C_{6}^{0}\cdot C_{4}^{3}=1\times 4=4 . \end{aligned}

C40=1C_{4}^{0}=1、C60=1C_{6}^{0}=1 这两个「取 00 个」的因子最容易被忘掉不写——它们是 11,不是 00, 乘上去不改变结果,但漏掉时人往往顺手把整项也扔了。

加起来:

20+60+36+4=120.20+60+36+4=120 . 选 C\boxed{\text{选 C}}

四项里 f(2,1)=60f(2,1)=60 最大,而 6060 恰好也摆在选项 B 上——只算了中间那一项就交卷,正好中招。

上下两块教学图。①上块是一排排小方格。最上面一行是 10 个方格:左边 6 个淡蓝、右边 4 个淡绿,左半下方蓝字标「(1+x)^{6} 的 6 个位置」,右半下方绿字标「(1+y)^{4} 的 4 个位置」,这一行右侧写「一共 6+4=10 个位置」。下面四行是同样的 10 个方格,每行把「取到」的格子染成深色:第一行左边前 3 个染深蓝、右边一个都不染,右侧蓝字「f(3,0)=C_{6}^{3}C_{4}^{0}=20\times 1=20」;第二行左边前 2 个深蓝、右边前 1 个深绿,右侧「f(2,1)=C_{6}^{2}C_{4}^{1}=15\times 4=60」;第三行左边前 1 个深蓝、右边前 2 个深绿,右侧「f(1,2)=C_{6}^{1}C_{4}^{2}=6\times 6=36」;第四行左边不染、右边前 3 个深绿,右侧「f(0,3)=C_{6}^{0}C_{4}^{3}=1\times 4=4」。最下面三行绿字写「四行互不重叠,又把「共取 3 个」的分法穷尽了」「\Rightarrow 加起来 =20+60+36+4=120」「换个数法:10 个位置里直接取 3 个,C_{10}^{3}=120」。这一块的标题写「① f(m,n)=C_{6}^{m}C_{4}^{n}:要求和的四项,就是「共取 3 个」的四种分法」。②下块是一段文字:抬头「路一 四项各算一次,加起来」,蓝字两行「f(3,0)=20\times 1=20 f(2,1)=15\times 4=60」「f(1,2)=6\times 6=36 f(0,3)=1\times 4=4 \Rightarrow 合计 120」;抬头「路二 令 x=y,四项自动并成一个系数」,蓝字一行「(1+x)^{6}(1+x)^{4}=(1+x)^{10},取 x^{3} 的系数:C_{10}^{3}=120」,红字一行「C_{10}^{2}=45、C_{10}^{4}=210 就摆在选项上——次数数错一位就中招;只算中间那一项得 60」;末行绿字「选 C(120)」

解法二:令 x=y,四项自动并成一个系数

第一步:为什么可以令 x=yx=y

(1+x)6(1+y)4(1+x)^{6}(1+y)^{4} 展开后是一堆 f(m,n)xmynf(m,n)x^{m}y^{n}。把 yy 也换成 xx,每一项就变成

f(m,n) xm⋅xn=f(m,n) x m+n.f(m,n)\,x^{m}\cdot x^{n}=f(m,n)\,x^{\,m+n} .

于是 xx 的次数只记得 m+nm+n,原来 (m,n)(m,n) 不同但 m+nm+n 相同的项,全被归到同一次幂底下加了起来:

(1+x)6(1+x)4 里 x3 的系数=∑m+n=3f(m,n)=f(3,0)+f(2,1)+f(1,2)+f(0,3).(1+x)^{6}(1+x)^{4}\ \text{里}\ x^{3}\ \text{的系数} =\sum_{m+n=3}f(m,n) =f(3,0)+f(2,1)+f(1,2)+f(0,3) .

右边正好是题目要的那个和——因为冷启动里说过,那四项把 m+n=3m+n=3 穷尽了。 这是这一步的全部前提:

  • 若题目只给 f(3,0)+f(2,1)f(3,0)+f(2,1),令 x=yx=y 得到的系数会多出 f(1,2)+f(0,3)f(1,2)+f(0,3),答案就错了;
  • 反过来,若给的项里混进一个 m+n=4m+n=4 的,它会落到 x4x^{4} 那一堆里去,根本合不进来。

第二步:合并、取系数

(1+x)6(1+x)4=(1+x)10,(1+x)^{6}(1+x)^{4}=(1+x)^{10} ,

所求就是 (1+x)10(1+x)^{10} 展开式里 x3x^{3} 的系数。按二项展开式,取 33 个 xx 的取法数是

C103=10×9×83×2×1=120.C_{10}^{3}=\frac{10\times 9\times 8}{3\times 2\times 1}=120 . 选 C\boxed{\text{选 C}}

标准答案写的是 C107=120C_{10}^{7}=120,和 C103C_{10}^{3} 是同一个数。 C103C_{10}^{3} 数的是「取哪 33 个」,C107C_{10}^{7} 数的是「剩下哪 77 个」——一一对应,当然一样多。 看见上标是 77 不必怀疑印错,但自己写的时候只用一种记法,中途换会数错一位。

第三步:顺手把这条路看成一句恒等式

把上面两步连起来,得到的其实是一条一般的式子:

∑m+n=kCamCbn=Ca+bk.\sum_{m+n=k}C_{a}^{m}C_{b}^{n}=C_{a+b}^{k} .

它有一句一眼就懂的说法——把两堆东西(aa 个、bb 个)合成一堆,从里面取 kk 个, 按「左边取了几个」分类,就得到左边那个和。 教学图上四行方格画的正是这件事:

  • 每一行是一种分法(左 33 右 00、左 22 右 11、左 11 右 22、左 00 右 33);
  • 四行互不重叠(左边取的个数不同,就不是同一种取法), 又把所有取法穷尽(左边取的个数只能是 0,1,2,30,1,2,3);
  • 所以四行的数目加起来 == 「1010 个里取 33 个」的总数 =C103=120=C_{10}^{3}=120。

本题里 a=6a=6、b=4b=4、k=3k=3,代进去就是答案。记住这条式子,这类题以后一步就完。

四个选项各对应一种错法

选项它是什么数是怎么错出来的
A. 4545C102C_{10}^{2}上标数错一位——把「取 33 个」当成了「第 33 项」
B. 6060f(2,1)f(2,1) 一项只算了四项里最大的那一项,忘了求和
C. 120120C103C_{10}^{3}正解
D. 210210C104C_{10}^{4}上标数错一位,往另一边错——把四项当成了四次

A 与 D 一左一右夹着正解,这是出题人在等「上标差一位」这个错。 所以算完 C103C_{10}^{3} 之后,值得回头再念一遍「我要的是 xx 的三次方,所以取 33 个」—— 比重算一遍那个分数值钱。

两条路怎么选

解法一解法二
要算几个组合数88 个(四项各两个)11 个
要不要检查「那一层凑齐了没有」不要(逐项算,给几项算几项)要,这是它成立的前提
出错的地方把乘号写成加号;漏掉 C0=1C^{0}=1 的因子上标数错一位;那一层其实没凑齐却照用
题目改成 f(3,0)+f(2,1)f(3,0)+f(2,1)照样能做不能用,会多算两项
指数换成 (1+x)20(1+y)15(1+x)^{20}(1+y)^{15}、求 m+n=8m+n=8要算 1818 个组合数,基本做不动一步:C358C_{35}^{8}

考场上这道题走解法二:一个组合数就出答案,还不容易算错。 但动手之前那一眼检查是必须的——看一眼题目给的项是不是把某个 m+nm+n 的分法列全了。 列全了才敢合并;没列全就退回解法一逐项算。

一句话带走

xx 与 yy 各来自一个括号,所以 f(m,n)f(m,n) 是两个组合数的乘积; 而当要求和的那些项恰好把某个 m+n=km+n=k 穷尽时,令 x=yx=y 就把它们并成了一个系数。 四项 ⇒\Rightarrow (1+x)10(1+x)^{10} 里 x3x^{3} 的系数 ⇒C103=120\Rightarrow C_{10}^{3}=120。 上标是 33(取几个),不是 44(第几项)——选项 A、D 就等在这一位上。

本题涉及的教材页

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