Как сделать разложение бинома

(х + а) (х + b ) = x 2 + (а + Ь) х + ab

(х + а) (х + b ) (х + с) = x 3 + (а + Ь + с) х 2 + (а b + ас + b с) х + abc

(х + а) (х + b ) (х + с) (х + d ) = x 4 + (а + Ь + с + d ) x 3 + ( ab + ac + ad + bc + bd + cd ) x 2 + ( abc + abd + acd + bcd ) x + abcd .

Рассматривая эти произведения, легко заметить, что произведение биномов, отличающихся только вторыми членами, есть многочлен, упорядоченный по убывающим степеням первого члена х, степень которого равна числу перемножаемых биномов. Коэффициент первого члена многочлена равен 1, а последующие образуются так: второй коэффициент равен сумме всех вторых членов биномов, третий — сумме всевозможных произведений вторых членов по два, четвертый — сумме всевозможных произведений вторых членов по три и т. д. 11оследний член многочлена равен произведению всех вторых членов биномов.

Методом математической индукции можно доказать, что правило образования произведения биномов, отличающихся только вторыми членами, установленное из рассмотрения произведений двух, трех II четырех биномов, верно для произведения любого конечного числа биномов.

Для произведения n биномов справедлива формула:

Эта формула верна и в том случае, если вторые члены равны между собой.

Если в формуле для произведения n биномов положить a ₁= a ₂= a ₃=…= a _n = a , то получим

(x+a) n =x n +C 1 _n ax n-1 +…+C k _n a k x n-k +…+C n-1 _n a n-1 x+a n

Это формула называется формулой бинома Ньютона, а правая ее часть - разложением бинома.

Свойства разложения бинома Ньютона

1) Количество членов разложения бинома на единицу больше показателя степени бинома.

2) Все члены разложения имеют одну и ту же степень n относительно первого и второго членов бинома, т. е. разложение есть однородный многочлен, причем показатели первого члена убывают от n до 0, а показатели второго члена возрастают от 0 до п.

3) Коэффициенты разложения следуют так: первый равен 1 = C 0 _n и последующие соответственно равны C 1 _n , C 2 _n ,… C n _n = 1 т. е. коэффициент ( k + 1)-го члена равен C k _n . Эти коэффициенты называются биномиальными. Заметим, что биномиальные коэффициенты всегда натуральные числа, если показатель бинома есть натуральное число.

4) Биномиальные коэффициенты, равноотстоящие от концов разложения, равны между собой: C 0 _n = C n _n , C 1 _n = C n -1 _n , C k _n = C n - k _n

5) Из свойств 1 и 4 следует, что если показатель бинома четный, то в разложении бинома средний член имеет наибольший биномиальный коэффициент, а если показатель бинома нечетный, то в разложении имеется два средних члена с одинаковым наибольшим коэффициентом.

6) Последующий биномиальный коэффициент разложения равен предыдущему, умноженному на показатель первого члена бинома и предыдущем члене и деленному на число предыдущих членов

C k +1 _n = n -1/ k +1 * C k _n

Сумма всех биномиальных коэффициентов равна 2 п , где п — показатель бинома.

Если в формуле бинома Ньютона положить х = а = 1, то получим

Если в формуле бинома Ньютона заменить а на -а, то получим

(x-a n )=x n -C 1 _n ax n-1 +C 2 _n ax n-2 -…+(-1) k C k _n a k x n-k +…+(-1) n a n

Сумма биномиальных коэффициентов, стоящих на четных местах, равна сумме коэффициентов, стоящих на нечетных местах.

Для определения биномиальных коэффициентов удобно пользоваться так называемым треугольником Паскаля или арифметическим треугольником. Это треугольная таблица биномиальных коэффициентов, составленная так, что каждый ее элемент равен сумме двух над ним стоящих.

Решение задач с применением бинома Ньютона

Возведите в степень: (u - v)5.

Решение У нас есть (a + b)n, где a = u, b = -v, и n = 5. Мы используем 6-й ряд треугольника Паскаля:

Тогда у нас есть

(u - v)5 = [u + (-v)]5 = 1(u)5 + 5(u)4(-v)1 + 10(u)3(-v)2 + 10(u)2(-v)3 + 5(u)(-v)4 + 1(-v)5 = u5 - 5u4v + 10u3v2 - 10u2v3 + 5uv4 - v5.

Обратите внимание, что знаки членов колеблются между + и -. Когда степень -v есть нечетным числом, знак -.

Возведите в степень: (2t + 3/t)4.

Решение У нас есть (a + b)n, где a = 2t, b = 3/t, и n = 4. Мы используем 5-й ряд треугольника Паскаля:

Найдите 5-й член в выражении (2x - 5y)6.

Решение Во-первых, отмечаем, что 5 = 4 + 1. Тогда k = 4, a = 2x, b = -5y, и n = 6. Тогда 5-й член выражения будет

Пример 5 Сеть ресторанов Венди предлагает следующую начинку для гамбургеров:

Сколько разных видов гамбургеров может предложить Венди, исключая размеры гамбургеров или их количество?

Начинки на каждый гамбургер являются элементами подмножества множества всех возможных начинок, а пустое множество это просто гамбургер. Общее число возможных гамбургеров будет равно

Таким образом, Венди может предложить 512 различных гамбургеров.

Решение технических задач

Тяга воздушного винта и потребляемая им мощность вычисляются по формулам: P = apn 2 _s D 4 N = bpn 3 _s D 5

Где D -диаметр винта; n _s -число оборотов винта в секунду, p - плотность воздуха , a и b – коэффициенты зависящие от конструкции винта.

При ремонте винта для удаления с его концов царапин и зазубрин пришлось уменьшить его диаметр на величину ∆ D , которая значительно меньше диаметра D .

Определить, на сколько снизилась тяга этого винта и потребляемая им Мощность при тех же секундных оборотах, если полагать все остальные параметры, входящие в формулы, неизменными.

Пусть Q ₂= Q ₁+ ∆ Q , T ₂₌ T ₁-∆ T , где ∆ T -искомое уменьшение долговечности.

откуда ∆ T = T ₁[1- 1/(1+∆ Q / Q ₁) 9 ]= T ₁[1-1/1+9∆ Q / Q ₁+36(∆ Q / Q ₁) 2 +82(∆ Q / Q ₁) 3 +126(∆ Q / Q ₁) 4 +126(∆ Q / Q ₁) 5 +82(∆ Q / Q ₁) 6 +36(∆ Q / Q ₁) 7 +9(∆ Q / Q ₁) 8 +(∆ Q / Q ₁) 9 ]

Если ∆ Q / Q ₁ Q / Q ₁ выше первой очень малы. В Этом случае ∆ T ≈ T ₁(1-1/1+9∆ Q / Q ₁)= 9 T ₁ *∆ Q / Q ₁ /1+9∆ Q / Q ₁

Газ сжимается в сосуде, стенки которого хорошо проводят тепло. При этом абсолютная температура и давление газа связаны следующим уравнением:

где п= 1,2—показатель политропы; р₁ и р₂ — соответственно давления первого и второго состояния; T ₁и T ₂— соответственно абсолютные температуры первого и второго состояния.

Температура в сосуде измеряется посредством помещенной в нем термопары. Пусть во втором состоянии при сжатии температура получила небольшое приращение ∆ t = 5° против первого состояния. Определить, какое приращение получило при этом давление. Температура Т₁ = 300° и давление р₁ = 2 кГ/см 2 — первого состояния известны.

Подставляя значения T ₂и p ₂ в формулу, получаем:

Так как ∆ t T ₁ ,то ∆ t / T ₁ t / T ₁ выше первой малы сравнительно с единицей и ими можно пренебречь без ущерба для точности расчета. Тогда p ₁+∆ p / p ₁ = 1+∆ p / p ₁≈1+∆ t / T ₁ , откуда ∆ p ≈6 p ₁/ T ₁ *∆ t = 6* 2/300 *5 = 0.2 кГ/ см 2

Известно, что Т₁—долговечность вала, вращающегося с постоянной угловой скоростью, при приложении к нему поперечной нагрузки , равной Q ₁. Определить, на сколько уменьшится долговечность вала, если нагрузка увеличится на ∆ Q . Зависимость между нагрузкой и долговечностью устанавливается формулой: T ₁/ T ₂=( Q ₂/ Q ₁) 9

Пусть Q ₂= Q ₁+ ∆ Q , T ₂₌ T ₁-∆ T , где ∆ T -искомое уменьшение долговечности.

откуда ∆ T = T ₁[1- 1/(1+∆ Q / Q ₁) 9 ]= T ₁[1-1/1+9∆ Q / Q ₁+36(∆ Q / Q ₁) 2 +82(∆ Q / Q ₁) 3 +126(∆ Q / Q ₁) 4 +126(∆ Q / Q ₁) 5 +82(∆ Q / Q ₁) 6 +36(∆ Q / Q ₁) 7 +9(∆ Q / Q ₁) 8 +(∆ Q / Q ₁) 9 ]

Если ∆ Q / Q ₁ Q / Q ₁ выше первой очень малы. В Этом случае ∆ T ≈ T ₁(1-1/1+9∆ Q / Q ₁)= 9 T ₁ *∆ Q / Q ₁ /1+9∆ Q / Q ₁

Усилие в ходовом конце каната полиспаста: P = k n ( k -1)* Q / k n -1

где Q —вес поднимаемого груза; k = 1,02 — коэффициент сопротивления блока; n — число ветвей полиспаста. Вывести упрощенную формулу для вычисления Р и, применив ее, определить Р, если Q = 1500 кГ и п = 5.

P =1.02 n (1.02-1) Q /1.02 n -1=1.02 n *0.02* Q /(1+0.02) n -1=

1.02 n *0.02* Q /1+ n *1*0.02+ n ( n -1)/2 * 1*0.02 2 ….0.02 n -1

Заметим, что 0.02 2 =0.0004; 0.02 3 =0.000008 и т.д.

Видно, что члены разложения по формуле Ньютона быстро убывают. Для практики достаточно учесть первые 3 числа разложения, пренебрегая следующими. Тогда получаем:

P ≈1.02 n *0.02* Q / n *0.02+ n ( n -1)/2 *0.62 2 = 1.02 n * Q / n [1+( n -1)0.01]

Использование этой приближенной формулы обеспечит точность и простоту в расчетах, так как в ней нет высоких степеней, близких величин ( k n -1) n имеющихся в точной формуле и крайне не удобных для расчетов.

Для нас получаем : P =1.02 5 *1500/5[1+(5-1)*0.01]≈ 318 кГ

При изучении математики решение задач играет огромную роль. И не только потому,что необходимо выработать умение применять полученные знания на практике (а ведь это одна из основных целей изучения математики в школе). Без решения задач нельзя владеть и теорией. Именно в процессе решения задач математические понятия, аксиомы и теоремы, формулы и правила, геометрические фигуры предстают перед нами в самых разнообразных ракурсах, не в застывшем виде, а в движении, в различных связях и взаимозависимостях, которые отображают диалектику самой действительности. Подобно тому, как грамматическими правилами можно овладеть лишь в процессе живой языковой практики, так и математическую теорему, определение, формулу можно усвоить по-настоящему, научиться применять на практике только в процессе решения задач.

Используемая литература

В элементарной алгебре бином Ньютона (или биномиальное разложение) описывает алгебраическое расширение силы одного бинома. Согласно теореме, можно разложить полином (x + y) n в сумму, включающую члены вида a x b y c , где показатели степени b и c — неотрицательные целые числа с b + c = n, при этом коэффициентом каждого члена является конкретное положительное целое число, в зависимости от n и b.

Древние знания

Частные случаи утверждений о биномах были известны примерно с IV века до нашей эры, когда знаменитый греческий математик Евклид упомянул особый случай такой теоремы для показателя 2. Существует доказательство того, что подобие теоремы о биномах для кубов было известно уже в VI веке в Индии. Биномиальные коэффициенты, как комбинаторные величины, выражающие число способов выбора k объектов из n без замены, представляли интерес для древнеиндийских математиков.

Самое раннее упоминание этой комбинаторной проблемы встречается у индийского математика Пингала (ок. 200 г. до н. э.). В нём, кстати, содержится и метод её решения. В X веке нашей эры эту теорию прокомментировал и расширил Халаюдх, используя метод, который сейчас известен как треугольник Паскаля.

К VI веку н. э. индийские математики, вероятно, знали способ выразить общее правило, как частное, и выражали это примерно в таком виде: n! / (n — k)!k!. Чёткое его изложение можно найти в тексте XII века, автор которого — Бхаскар. Насколько известно, первая формулировка биноминальной теоремы и соответствующая таблица коэффициентов найдена в работе Аль-Караджи, которая цитируется Аль-Самавалем в его трудах.

Аль-Караджи описал треугольную структуру биномиальных коэффициентов, а также представил доказательство как теоремы о биноме, так и правила треугольника Паскаля, используя раннюю форму математической индукции. Персидский поэт и математик Омар Хайям, вероятно, был знаком с формулой более высокого порядка, хотя многие из его математических работ не дошли до современных учёных.

Биноминальные разложения малых степеней были известны в математических работах XIII века Ян Хуэя и Чу Ши-Цзе. Ян Хуэй ссылается на более ранний текст Цзя Сяня, написанный в XI в., однако и эти записи в настоящее время также утрачены.

Надо сказать, что структура чисел уже была известна европейским математикам позднего ренессанса, включая:

• Стифеля.
• Никколо Фонтана Тарталья.
• Симона Стевина.

К слову, Исааку Ньютону обычно приписывают обобщённую теорему о биномах, справедливую для любого рационального показателя.

Утверждение теоремы

Согласно теореме, можно разложить любую степень x + y в сумму вида (x + y) n = ( n ₒ) x n y 0 + ( n 1) x n — 1 y 1 + ( n 2) x n — 2 y 2 + ··· + ( n n — 1) x 1 y n — 1 + ( n n) x 1 y n — 1 + ( n n) x 0 y n , где каждый ( n k) является положительным целым числом, известным как коэффициент бинома.

Когда показатель степени равен нулю, соответствующее выражение степени принимается равным 1 и этот мультипликативный фактор часто исключается из формулы. Нередко можно видеть правую сторону уравнения, записанную в виде ( n ₒ) x n + ···. Эта формула также называется биноминальным тождеством.

Коэффициенты более высоких степеней x + y соответствуют нижним строкам паскалевского треугольника. Из расчётов можно наблюдать несколько закономерностей. В общем случае для разложения (x + y) n :

• степени x уменьшаются на 1 в каждом члене, начинаясь с n до достижения 0 (при x 0 , равном 1);
• y начинаются с 0 и увеличиваются на 1 (пока не достигнут n степени);
• число слагаемых в разложении перед объединением одинаковых слагаемых является суммой коэффициентов и равно 2 n ;
• после объединения одинаковых слагаемых в разложении получится n + 1.

Теорема может быть применена к степеням любого бинома.

С точки зрения геометрии

Для положительных значений a и b теорема с n = 2 является геометрически очевидным фактом. Это значит, что квадрат стороны a + b может быть разделён: на квадрат стороны a и b, на два прямоугольника со сторонами a и b. При n = 3 теорема утверждает, что из куба со стороной a + b можно получить: два куба со сторонами a и b, соответственно, три прямоугольника a × a × b и столько же a × b × b.

В исчислении геометрическое доказательство бинома Ньютона выглядит следующим образом: (x n )′ = nx n-1 . Если установить a = x, b = ∆x, интерпретируя b как бесконечно малое изменение в a, то вырисовывается следующая картина: бесконечно малое изменение объёма n-мерного гиперкуба (x + ∆x) n , где коэффициент линейного члена (в ∆x ) является nx n-1 , площадь n граней, каждое из измерений (n — 1), (x + ∆x) n = x n + nx n-1 ∆x + ( n 2)x n-2 (∆x) 2 + ··· .

Биномиальные коэффициенты появляются в разложении бинома Ньютона. Обычно их записывают как ( n k) и интерпретируют, как количество способов выбора k элементов из n строки треугольника Паскаля. Коэффициент x n — k y k находят по формуле: ( n k) = n! / k! (n-k)!, которая определяется в терминах факториальной функции n!.

Доказательств теоремы несколько. Для примера можно рассмотреть комбинаторное. Его алгоритм — один из самых простых. Коэффициент xy 2 в (x + y) 3 равен:

• (x + y) (x + y) (x + y);
• xxx + xxy + xyx + xyy + yxx + yxy + yyx + yyy;
• x 2 + 3x 2 y + 3xy 2 + y 3 равняется ( 3 2) = 3.

Вычисления выглядят так, потому что есть три x и y строки, а именно: xyy, yxy, yyx. Они соответствуют трём двухэлементным подмножествам , а конкретно: , , , где каждое подмножество определяет позиции y в соответствующей строке треугольника.

Или, например, общий случай. Расширение (x + y) n дает сумму 2 n произведений вида e1 e2 … en, где каждый ei равен x или y. Коэффициенты перестановки показывают, что каждый продукт равен x n — k y k для некоторого k между 0 и n. Для заданного k следующие значения равны по порядку:

• количество копий x n — k y k в расширении;
• количество n—символов x, y строк, имеющих y ровно в k позициях;
• количество k-элементных подмножеств .

Доказывают биномиальную теорему либо по определению, либо по короткому комбинаторному аргументу, если ( n k) представлено как n! / k! (n-k)!.

Биномные обобщения

Около 1665 года Исаак Ньютон обобщил свою теорему, касающуюся бинома. Сделал он это для того, чтобы разрешить вещественные показатели, отличные от неотрицательных целых чисел. В этом обобщении конечная сумма заменяется бесконечным рядом. Чтобы сделать это, нужно придать смысл коэффициентам бинома с произвольным верхним индексом, что невозможно сделать с помощью обычной формулы с факториалами.

Однако для произвольного числа r можно вычислить ( r k) = r(r — 1) ··· (r — k + 1) / k! = (r)k / k!, где (·) k является символом Похгаммера, который здесь означает падающий факториал. Это согласуется с обычными определениями. Когда r — неотрицательное целое число, биномиальные коэффициенты при k > r равны нулю, поэтому это уравнение сводится к обычной биномиальной теореме, где существует не более r + 1 ненулевых членов. Для других значений r ряд обычно имеет бесконечно много ненулевых членов.

Обобщения можно распространить на случай, когда x и y — комплексные числа. Для этой версии следует снова принять | х | > | у | и определить степени x + y и x, используя голоморфную ветвь логарифма, определённую на открытом диске радиуса | х | с центром в х. Обобщённая теорема бинома справедлива и для элементов х и у в банаховой алгебре, пока х = ух, х является обратимым, а || у / х || Проверка в действии

Начать лучше с решения простой задачи, которую учитель покажет классу на уроке алгебры. Например, нужно расширить (2x-3) ³. Это было бы не слишком трудно сделать, воспользовавшись онлайн-калькулятором. Но нужно использовать бином, когда придётся столкнуться с более крупными расширениями, такими как двучлены, возведённые в 4, 5, 6, … степени.

Для начала нужно определить два члена из бинома (положения x и y формулы) и степени (буква n), до которой нужно расширить бином. Например, чтобы расширить (2x-3) ³, два члена составляют 2x и -3, а значение мощности (или n) равно 3. Следует отметить, что всякий раз, когда в биноме есть знак вычитания, очень важно помнить, что минус следует использовать только в качестве отрицательного символа в сопутствующем термине.

Замечательная вещь в теореме о биноме — это то, что она позволяет найти расширенный многочлен без умножения множества биномов вместе. Довольно интересное свойство. Оказывается, что число слагаемых в искомом расширенном полиноме всегда будет на единицу больше, чем сила, которую расширяют. Это означает, что необходимо создавать многочлен с четырьмя членами, так как мощность в этом примере равна 3.

Включение (2x) начнётся с n-значения, в этом случае — 3, и будет уменьшаться на 1 для каждого слагаемого, пока не доберётся до нуля. Включение (-3) будет начинаться с нуля и увеличиваться на единицу каждый раз, пока не доберётся до n или 3 в этой задаче. Итак, половина дела сделана: (³ₒ)(2x)³‾⁰˭³ (-3)⁰ + (³1)(2x) 3-1=2 (-3) 1 + (³2)(2x) 3-2=1 (-3) 2 + (³3)(2x) 3-3=0 (-3) 3 .

Поскольку любое значение, возведённое в ноль, равно 1, можно упростить слагаемые с нулевыми степенями. Далее, двигаясь вперёд и применяя силы, целесообразно упростить все возможные сочетания.

Короткий путь

Последняя часть должна решить формулу комбинации. Очевидный способ сделать это — применить формулу комбинации для каждой задачи. Но стоит пойти на хитрость и ускорить вычисления, используя треугольник Паскаля, образованный путём создания треугольника с тремя начальными единицами. После этого для каждой строки нужно просто написать 1 на обоих концах и найти средние числа, добавляя два значения непосредственно над ним.

Для рассматриваемой задачи нужно решить: 3 выбирает 0, 3 выбирает 1, 3 выбирает 2 и 3 выбирает 3. Все эти значения содержатся в четвёртой строке. Итак, всё, что нужно сделать, это посмотреть на четвёртый ряд треугольника и сделать выводы, сопоставив ответы. Четвёртая строка имеет значения: 1, 3, 3, 1. Поэтому надо просто заменить n на выбор k. Получается следующее: (1)8x 3 + (3)4x 2 (-3) + (3)(2x)(9) + (1)(-27).

Наконец, всё, что нужно сделать — умножить и упростить каждый термин до его простейшей формы. Стоит проверить окончательный ответ, чтобы убедиться, что полномочия каждого термина всё ещё увеличивают степень первоначального бинома.

Читайте также:

  
• Как сделать феминизацию
  
• Как сделать коллаген в домашних условиях
  
• Как сделать оплату по реквизитам втб
  
• Как сделать толстые ноги в роблоксе на пк
  
• Как сделать приложение facebook общедоступным