历史
参见:帕斯卡三角形
二项式系数的三角形排列通常被认为是法国数学家布莱兹·帕斯卡的贡献,他在17世纪描述了这一现象[3]。但早在他之前,就曾有数学家进行类似的研究。例如,古希腊数学家欧几里得于公元前4世纪提到了指数为2的情况[4][5]。公元前三世纪,印度数学家青目探讨了更高阶的情况。帕斯卡三角形的雏形于10世纪由印度数学家大力罗摩发现。在同一时期,波斯数学家卡拉吉[6]和数学家兼诗人欧玛尔·海亚姆得到了更为普遍的二项式定理的形式。13世纪,中国数学家杨辉也得到了类似的结果[7]。卡拉吉用数学归纳法的原始形式给出了二项式定理和帕斯卡三角形(巴斯卡三角形)的有关证明[6]。艾萨克·牛顿勋爵将二项式定理的系数推广到有理数[8]。
定理的陈述
根据此定理,可以将 的任意次幂展开成和的形式
-
其中每个 为一个称作二项式系数的特定正整数,其等于 。这个公式也称二项式公式或二项恒等式。使用求和符号,可以把它写作
-
后面的表达式只是将根据 与 的对称性得出的,通过比较发现公式中的二项式系数也是对称的。
二项式定理的一个变形是用 1 来代换 得到的,所以它只涉及一个变量。在这种形式中,公式写作
-
或者等价地
-
几何释义
对于正值 和 ,二项式定理,在 时是在几何上的明显事实,边为 的正方形,可以切割成1个边为 的正方形,1个边为 的正方形,和2个边为 和 的长方形。对于 ,定理陈述了边为 的立方体,可以切割成1个边为 的立方体,1个边为 的立方体,3个 长方体,和3个 长方体。
在微积分中,此图解也给出导数 的几何证明[9]。设 且 ,将 解释为 的无穷小量改变,则此图解将无穷小量改变,显示为 维超立方体 :
-
其中(针对 的)线性项的系数是 ,将公式代入采用差商的导数定义并取极限,意味着忽略高阶项 和更高者,产生公式: 。若再进行积分,这对应于应用微积分基本定理,则得到卡瓦列里求积公式: 。
证明
数学归纳法
当 ,
-
假设二项展开式在 时成立。若 ,
组合方法
考虑 ,共7个括号相乘,从7个括号选出其中的4个括号中的 ,再从剩余的3个括号中选出3个 相乘,便得一组 ,而这样的选法共有 种,故总共有 个 ;其他各项同理。
同理, ,共 个括号相乘,从 个括号选出其中的 个括号中的 ,再从剩余的 个括号中选出 个 相乘,便得一组 ,而这样的选法共有 种,故总共有 个 ;其他各项同理。
不尽相异物排列方法
考虑 ,每一个括号可以出 或出 ,而最后要有4个 、3个 相乘,这形同 的“不尽相异物排列”,其方法数为 ,恰好等于 ;其他各项同理。
同理, ,每一个括号可以出 或出 ,而最后要有 个 、 个 相乘,这形同 的“不尽相异物排列”,其方法数为 ,恰好等于 ;其他各项同理。
一般形式的证明
通常二项式定理可以直接使用泰勒公式进行证明. 下面的方法不使用泰勒公式
设 , 。注意只有当 时上述两个函数才收敛
- 首先证明 收敛于 。这里省略
- 之后,易得 满足微分方程︰ 。用求导的一般方法就能得到这个结论,这里省略
- 再证明 亦满足上述微分方程︰
因为
于是
因为
-
-
-
-
- 根据除法定则,
- 根据拉格朗日中值定理, 是常数函数.
-
-
应用
牛顿以二项式定理作为基石发明出了微积分[10] 。其在初等数学中应用主要在于近似、估计以及证明恒等式等。
证明组合恒等式
二项式定理给出的系数可以视为组合数 的另一种定义。 因此二项式展开与组合数的关系十分密切。 它常常用来证明一些组合恒等式。
- (1)证明
可以考虑恒等式 。 展开等式左边得到: 。 注意这一步使用了有限求和与乘积可以交换的性质。 同时如果展开等式右边可以得到 。 比较两边幂次为 的项的系数可以得到: 。 令 ,并注意到 即可得到所要证明的结论。
- (2)证明
因为
令 ,代入上式,得
多倍角恒等式
在复数中,二项式定理可以与棣莫弗公式结合,成为多倍角公式[11]。根据棣莫弗公式:
-
通过使用二项式定理,右边的表达式可以扩展为
-
由棣莫弗公式,实部与虚部对应,能够得出
-
即二倍角公式。同样,因为
-
所以藉棣莫弗公式,能够得出
-
整体而言,多倍角恒等式可以写作
-
和
-
e级数
数学常数e的定义为下列极限值:[12]
-
使用二项式定理能得出
-
第 项之总和为
-
因为 时,右边的表达式趋近1。因此
-
这表明 可以表示为[13][14]
-
推广
该定理可以推广到对任意实数次幂的展开,即所谓的牛顿广义二项式定理:
。其中 。
多项式展开
对于多元形式的多项式展开,可以看做二项式定理的推广:[15][16]
.
证明:
数学归纳法。对元数 做归纳:
当 时,原式为二项式定理,成立。
假设对 元成立,则:
-
参见
参考文献
- ^ Binomial Expansions - leeds uk (PDF). [2015-04-12]. (原始内容存档 (PDF)于2020-09-19).
- ^ Roman, Steven "The Umbral Calculus", Dover Publications, 2005, Weisstein, Eric W. (编). Binomial Theorem. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. [2015-04-11]. (原始内容存档于2020-11-14) (英语).
- ^ The Story of the Binomial Theorem by J. L. Coolidge, The American Mathematical Monthly 56:3 (1949), pp. 147–157
- ^ 6.0 6.1 约翰·J·奥康纳; 埃德蒙·F·罗伯逊, Abu Bekr ibn Muhammad ibn al-Husayn Al-Karaji, MacTutor数学史档案 (英语)
- ^ Landau, James A. Historia Matematica Mailing List Archive: Re: [HM] Pascal's Triangle. Archives of Historia Matematica. 1999-05-08 [2007-04-13]. (原始内容 (mailing list email)存档于2021-02-24).
- ^ Bourbaki: History of mathematics
- ^ Barth, Nils R. Computing Cavalieri's Quadrature Formula by a Symmetry of the n-Cube. The American Mathematical Monthly. 2004, 111 (9): 811–813. ISSN 0002-9890. JSTOR 4145193. doi:10.2307/4145193, author's copy, further remarks and resources
- ^ Błaszczyk, Piotr; Katz, Mikhail; Sherry, David, Ten misconceptions from the history of analysis and their debunking, Foundations of Science, 2012, arXiv:1202.4153 , doi:10.1007/s10699-012-9285-8
- ^ Weisstein, Eric W. (编). Multiple-Angle Formulas. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. [2015-04-12]. (原始内容存档于2020-11-11) (英语).
- ^ The Constant e - NDE/NDT Resource Center. [2015-04-12]. (原始内容存档于2020-11-11).
- ^ Series - NTEC (PDF). [2015-04-12]. (原始内容存档 (PDF)于2020-09-23).
- ^ Encyclopedic Dictionary of Mathematics 142.D
- ^ 多項式定理的新證明及其展開 - 佛山科学技术学院信息科学与数学系. [2015-04-11]. (原始内容存档于2017-04-13).
- ^ Hazewinkel, Michiel (编), Multinomial coefficient, 数学百科全书, Springer, 2001, ISBN 978-1-55608-010-4
参考书目
- Bag, Amulya Kumar. Binomial theorem in ancient India. Indian J. History Sci. 1966, 1 (1): 68–74.
- Barth, Nils R. (November 2004). "Computing Cavalieri's Quadrature Formula by a Symmetry of the n-Cube". The American Mathematical Monthly (Mathematical Association of America) 111 (9): 811–813. doi:10.2307/4145193. ISSN 0002-9890. JSTOR 4145193, author's copy,
- Graham, Ronald; Knuth, Donald; Patashnik, Oren. (5) Binomial Coefficients. Concrete Mathematics 2nd. Addison Wesley. 1994: 153–256. ISBN 0-201-55802-5. OCLC 17649857.
外部链接