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二项式定理与组合恒等式

基础更新于 2026-09-29

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二项式系数源于每个因子中选择哪一项,展开式与计数因此可以互相解释。

二项式定理与通项

设 nn 为非负整数,a,ba,b 为实数或复数,则

(a+b)n=∑k=0n(nk)an−kbk.(a+b)^n=\sum_{k=0}^n\binom nk a^{n-k}b^k.

n=0n=0 时右边为常数多项式 11。n≥1n\ge1 时,展开式按 bb 的次数递增排列,共有 n+1n+1 个形式上的项,第 k+1k+1 项为

Tk+1=(nk)an−kbk(0≤k≤n).T_{k+1}=\binom nk a^{n-k}b^k\quad(0\le k\le n).

这里 (nk)\binom nk 称为二项式系数。把具体表达式代入 a,ba,b 后,某个幂的实际系数还要乘上相应常数和符号;同次幂出现多次时还需要合并。

证明。 将 (a+b)n(a+b)^n 看成 nn 个 (a+b)(a+b) 相乘。按分配律,每个乘积项从每个因子各选一个加项。要得到 an−kbka^{n-k}b^k,须恰好从 kk 个因子选 bb,其余选 aa,共有 (nk)\binom nk 种选择。因此该项的系数就是 (nk)\binom nk。

组合数的基本恒等式

以下 n,m,r,kn,m,r,k 均为整数,组合数在下标越界时约定为 00,且 (00)=1\binom00=1。

关系 条件与公式
对称性 0≤k≤n0\le k\le n:(nk)=(nn−k)\binom nk=\binom n{n-k}
帕斯卡恒等式 n≥1n\ge1:(nk)=(n−1k)+(n−1k−1)\binom nk=\binom{n-1}k+\binom{n-1}{k-1}
全体系数和 n≥0n\ge0:∑k=0n(nk)=2n\sum_{k=0}^n\binom nk=2^n
交错和 n≥1n\ge1:∑k=0n(−1)k(nk)=0\sum_{k=0}^n(-1)^k\binom nk=0
奇、偶下标各自的和 n≥1n\ge1:∑k 偶(nk)=∑k 奇(nk)=2n−1\sum_{k\text{ 偶}}\binom nk=\sum_{k\text{ 奇}}\binom nk=2^{n-1}
带标记元素 1≤k≤n1\le k\le n:k(nk)=n(n−1k−1)k\binom nk=n\binom{n-1}{k-1}
连续求和 n≥r≥0n\ge r\ge0:∑j=rn(jr)=(n+1r+1)\sum_{j=r}^n\binom jr=\binom{n+1}{r+1}
两次选取 0≤r≤m≤n0\le r\le m\le n:(nm)(mr)=(nr)(n−rm−r)\binom nm\binom mr=\binom nr\binom{n-r}{m-r}

证明。 对称性来自一个子集与其补集的一一对应。帕斯卡恒等式把 nn 元集合的 kk 元子集分成两类:不含指定元素时有 (n−1k)\binom{n-1}k 个,含指定元素时有 (n−1k−1)\binom{n-1}{k-1} 个。

在二项式定理中分别取 (a,b)=(1,1),(1,−1)(a,b)=(1,1),(1,-1),得到全体系数和与交错和;两式相加、相减后除以 22,得到奇、偶下标和。带标记元素的等式是在计数“一个 kk 元子集及其中一个指定元素”:左边先选子集,右边先选指定元素。

连续求和公式来自帕斯卡恒等式的变形:

(jr)=(j+1r+1)−(jr+1).\binom jr=\binom{j+1}{r+1}-\binom j{r+1}.

从 j=rj=r 加到 nn,中间项抵消,且 (rr+1)=0\binom r{r+1}=0,留下 (n+1r+1)\binom{n+1}{r+1}。

两次选取公式计数的是包含关系 R⊆M⊆{1,…,n}R\subseteq M\subseteq\{1,\ldots,n\},其中 ∣R∣=r,∣M∣=m\lvert R\rvert=r,\lvert M\rvert=m。先选 MM 再选 RR 得左边;先选 RR,再从其余 n−rn-r 个元素中补足 MM,得右边。

系数的峰值与范德蒙德恒等式

对 0≤k<n0\le k<n,阶乘公式给

(nk+1)(nk)=n−kk+1.\frac{\binom n{k+1}}{\binom nk}=\frac{n-k}{k+1}.

故系数先增后减:nn 偶数时中间一个最大,nn 奇数时中间两个并列最大。对称性 (nk)=(nn−k)\binom nk=\binom n{n-k} 来自选子集与选补集的一一对应。

若 m,n,rm,n,r 为非负整数,则

∑k(mk)(nr−k)=(m+nr),\sum_k\binom mk\binom n{r-k}=\binom{m+n}r,

越界组合数约定为零。证明:从互不相交的 mm 元集与 nn 元集的并集中选 rr 个元素,按第一集中选了几个分类。

同时,k(nk)=n(n−1k−1)k\binom nk=n\binom{n-1}{k-1}(1≤k≤n1\le k\le n)可由阶乘约分或“先指定一个被标记的选中元素”解释。帕斯卡公式的正确下标是 (nk)=(n−1k)+(n−1k−1)\binom nk=\binom{n-1}k+\binom{n-1}{k-1};右边不能把 n−1n-1 误写成 n+1n+1。

例:系数提取

(x+2)5(x+2)^5 中 x3x^3 的系数是 (52)22=40\binom52 2^2=40。

∑k=0nk(nk)=n2n−1\sum_{k=0}^n k\binom nk=n2^{n-1}(n≥1n\ge1):左侧是先选一个子集再选其中一个标记元素;右侧先选标记元素,再任意选择其余 n−1n-1 个元素是否加入。两种顺序数同一批对象。

项、二项式系数与实际系数的区分

展开 (2x−1/x)6(2x-1/x)^6(x≠0x\ne0)时,第 k+1k+1 项为

Tk+1=(6k)26−k(−1)kx6−2k,k=0,1,…,6.T_{k+1}=\binom6k2^{6-k}(-1)^k x^{6-2k},\quad k=0,1,\ldots,6.

常数项需满足 6−2k=06-2k=0,所以 k=3k=3,常数项为 −160-160,其二项式系数为 (63)=20\binom63=20。若问 x2x^2 的系数,则 k=2k=2,答案为 (62)24=240\binom622^4=240。

对于 (1+2x)6(1+2x)^6,记 xkx^k 的系数为 ck=(6k)2kc_k=\binom6k2^k,则 ck+1/ck=2(6−k)/(k+1)c_{k+1}/c_k=2(6-k)/(k+1)。该比值在 k≤3k\le3 时大于 11,在 k≥4k\ge4 时小于 11,所以最大系数为 c4=240c_4=240,并非居中的二项式系数 (63)\binom63。

易错点

二项式系数不一定等于展开后的项系数,项中还可能带常数与负号。非整数幂的无穷展开不属于本篇范围。

二项式近似必须控制余项

不能仅因 hh 很小,就在任意大的 nn 下断言 (1+h)n≈1+nh(1+h)^n\approx1+nh 精确。对整数 n≥2n\ge2、h≥0h\ge0,被略去的第一项已经是 (n2)h2\binom n2h^2,而其余项也都非负。

例如 (1.01)100(1.01)^{100},仅二次项就等于 0.4950.495;用 1+100⋅0.01=21+100\cdot0.01=2 近似,误差必大于 0.4950.495。反之,(1.01)3=1.03+0.0003+0.000001=1.030301(1.01)^3=1.03+0.0003+0.000001=1.030301,保留一次项的绝对误差准确为 0.0003010.000301。近似的可信度取决于 n,hn,h 和允许误差三者,而不是“后面的项看起来小”。

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