二项式定理

微积分与高等数学

èr xiàng shì dìng lǐ

二项式定理给出了把 $(a + b)^n$ 展开为含有二项式系数的各项之和的公式。

Formula

(a+b)^n = \sum_{k=0}^{n} C(n,k) a^{n-k} b^k
Visualization

Definition

二项式定理是展开像 $(a + b)^n$ 这样表达式的一条捷径,使用帕斯卡三角形中的系数,而不必把 $(a+b)$ 自乘 $n$ 次。严格地说,$(a+b)^n = \sum_{k=0}^{n} C(n,k) a^{n-k} b^k$,其中 $C(n,k) = n!/(k!(n-k)!)$ 是二项式系数,表示从 $n$ 个物品中选出 $k$ 个的方式数;所有系数之和是 $2^n$(令 $a = b = 1$)。它可以用归纳法或组合方法证明(因为 $C(n,k)$ 计算的是从 $n$ 个因子中选出 $k$ 个 $b$ 的方式数),牛顿广义二项式定理把它推广到非整数甚至复数指数:$(1+x)^\alpha = \sum_{k=0}^{\infty} C(\alpha,k) x^k$,当 $|x| < 1$ 时成立。

Example

$(x + y)^3 = x^3 + 3x^2y + 3xy^2 + y^3$,系数 $1, 3, 3, 1$ 来自帕斯卡三角形的第 $4$ 行。对于 $(2x - 3)^4$,$k=2$ 的项是 $C(4,2)(2x)^2(-3)^2 = 6 \times 4x^2 \times 9 = 216x^2$,完整展开是 $16x^4 - 96x^3 + 216x^2 - 216x + 81$。牛顿二项级数通过 $(1+x)^{1/2} = 1 + x/2 - x^2/8 + \ldots$($x=0.04$)来近似 $\sqrt{1.04}$:约为 $1 + 0.02 - 0.0002 = 1.0198$,接近实际值 $1.0198039\ldots$。

Key Insight

没有二项式定理,展开 $(a + b)^{10}$ 就需要乘 $10$ 次;有了它,你可以立刻写出 $11$ 项,而中间项(当 $n$ 是偶数时)系数最大,反映出二项分布在其均值处取得最大值。牛顿广义二项级数是一个在 $|x| < 1$ 时收敛的幂级数,是泰勒级数的先驱,揭示了二项式系数如何通过伽玛函数自然地推广到复数。