• 组合法破解二项式系数问题


    前言

    关于二项式的系数或者二项式的某一项的求解问题,既可以考虑用通项公式法,也可以考虑用组合法,相比较而言,组合法的作用更大,使用更方便。不过组合法的缺陷是处理含有分式的项((x^2+cfrac{1}{x}))或者含有根式的项((x+cfrac{2}{sqrt[3]{x^2}}))时不是很方便,故两种方法都需要掌握。

    一、原理说明

    • 使用组合法求解二项展开式中的某一项或某一项的系数的原理

    引例1

    乘积((a_1+a_2)(b_1+b_2+b_3))的展开式中共有不同的项的个数为_____个。

    分析:按照多项式乘法法则可知,每次只能从每一个因式中取出一项,每一个因式中都必须取出某项,然后乘在一起,构成展开式中的某一项;

    先在第一个因式中取出(a_1),然后和第二个因式中的每一项相乘,得到(a_1b_1)(a_1b_2)(a_1b_3)

    再从第一个因式中取出(a_2),然后和第二个因式中的每一项相乘,得到(a_2b_1)(a_2b_2)(a_2b_3)

    使用分类加法计数原理,$N=3+3=6 $个;

    或使用分步乘法计数原理,$N=C_2^1cdot C_3^1=6 $个。

    引例2 ((x^2-x+2)^5)的展开式中,(x^3)的系数是多少?

    法1:将三项式转化为二项式的形式来处理。((x^2-x+2)^5=[(x^2-x)+2]^5=[(x^2+2)-x]^5),留作练习。

    法2:组合法,推荐方法,希望掌握;

    由于((x^2-x+2)^5=(x^2-x+2)(x^2-x+2)(x^2-x+2)(x^2-x+2)(x^2-x+2))

    按照多项式乘法法则可知,每次只能从每一个因式中取出一项,每一个因式中都必须取出某项,然后乘在一起,构成展开式中的某一项;这样我们可以按照这样的操作思路来构成含有(x^3)的项:

    其一:先从5个相同因式中任意选取一个有(C_5^1)种,在取出的这个因式中只选取项(x^2)

    然后再从剩余的4个相同因式中任意选取一个有(C_4^1)种,在取出的这个因式中只选取项(-x)

    最后将剩余的3个相同因式全部选取有(C_3^3)种,在取出的每个因式中只选取项(2)

    故有(C_5^1cdot x^2 cdot C_4^1cdot(-x)cdot C_3^3 cdot 2cdot 2cdot 2=-C_5^1cdot C_4^1cdot C_3^3cdot 2^3cdot x^3)

    其二:先从5个相同因式中任意选取三个有(C_5^3)种,在取出的每个因式中只选取项(-x)

    然后将剩余的2个相同因式中全部选取有(C_2^2)种,在取出的每个因式中只选取项(2)

    故有(C_5^3cdot (-x) cdot (-x) cdot (-x) cdot C_2^2cdot 2cdot 2=-C_5^3cdot C_2^2cdot 2^2cdot x^3)

    (x^3)的项的组成是(C_5^1cdot x^2 cdot C_4^1cdot(-x)cdot C_3^3cdot 2^3+C_5^3cdot(-x)^3cdot C_2^2cdot 2^2=-200x^3)

    注意两点:①组合数的上标之和应该等于题目中的指数;②组合数的上标和出现的对应项的次数应该一致;

    二、典例剖析

    • 解决二项式问题

    例1【2017高考安徽卷】((x^3+cfrac{1}{x})^7)的展开式中(x^5)的系数为_____________。

    法1:通项公式法,由((x^3+cfrac{1}{x})^7)展开式的通项公式:(T_{r+1}=C_7^rcdot (x^3)^{7-r}cdot (x)^{-r}=C_7^rcdot x^{21-4k})

    (21-4k=5),解得(k=4),故展开式中(x^5)的系数为(C_7^4=35)

    法2:组合法,经过尝试,只有取3个(x^3)项和4个(cfrac{1}{x})项,其乘积才是(x^5)

    故含有(x^5)的项的组成是:(C_7^3cdot (x^3)^3cdot C_4^4cdot (cfrac{1}{x})^4=35x^5),即其系数为(35)

    • 解决三项式问题

    例2 ((x^2+2x+3y)^5)的展开式中,含(x^5y^2)的项的系数是多少?

    法1:将三项式转化为二项式的形式来处理。

    ((x^2+2x+3y)^5=[(x^2+2x)+3y]^5),其通项公式为(T_{r+1}=C_5^r(x^2+2x)^{5-r}(3y)^r)

    由此式可知令(r=2),则有(T_{2+1}=C_5^2(x^2+2x)^{5-2}(3y)^2=9C_5^2(x^2+2x)^3y^2)

    以下确定(x)的次数,再令((x^2+3x)^3)的通项公式为(T_{k+1}=C_3^k(x^2)^{3-k}(2x)^k=2^kC_3^kx^{6-k})

    由此式可知令(k=1),则(T_{1+1}=C_3^1(x^2)^{3-1}(2x)^1=2 imes3 x^5)

    故含有(x^5y^2)的项的系数应该是(9C_5^2 imes2 imes3=540).

    法2:排列组合法,

    ((x^2+2x+3y)^5=(x^2+2x+3y)(x^2+2x+3y)(x^2+2x+3y)(x^2+2x+3y)(x^2+2x+3y))

    先分析(x^5y^2)的项的构成方式,在本题中,只能是2次(x^2),1次(x),2次(y)构成,

    故按照多项式乘法法则可知,我们可以先从5个因式中任意选取二个有(C_5^2)种,在取出的这个因式种只选取项(x^2)

    然后再从剩余的3个因式中任意选取一个有(C_3^1)种,在取出的这个因式中只选取项(2x)

    最后将剩余的2个因式全部选取,有(C_2^2)种,在取出的每个因式种只选取项(3y)

    故有(C_5^2cdot x^2 cdot x^2 cdot C_3^1cdot 2xcdot C_2^2 3ycdot 3y)

    (=C_5^2cdot C_3^1cdot C_2^2cdot 2cdot 9x^5y^2=540x^5y^2).

    • 解决两个二项式乘积形式

    例3【2017高考全国卷丙】((x+y)cdot (2x-y)^5)的展开式中(x^3y^3)的系数为【】

    $A.-80$ $B.-40$ $C.40$ $D.80$

    法1:通项公式法,由((2x-y)^5)展开式的通项公式:(T_{r+1}=C_5^rcdot (2x)^{5-r}cdot (-y)^r)可得:

    (r=3)时,(xcdot (2x-y)^5)展开式中(x^3y^3)的系数为(C_5^3 imes 2^2 imes (-1)^3=-40)

    (r=2)时,(ycdot (2x-y)^5)展开式中(x^3y^3)的系数为(C_5^2 imes 2^3 imes (-1)^2=80)

    (x^3y^3)的系数为(80-40=40),故选(C)

    法2:排列组合法,构成(x^3y^3)的有两个来源:

    其一,(C_1^1cdot xcdot C_5^2cdot (2x)^2cdot C_3^3cdot (-y)^3=-40x^3y^3)

    其二,(C_1^1cdot ycdot C_5^3cdot (2x)^3cdot C_2^2cdot (-y)^2=80x^3y^3)

    (x^3y^3)的系数为(80-40=40),故选(C)

    例4【2017高考全国卷乙】((1+cfrac{1}{x^2})cdot (1+x)^6)的展开式中(x^2)的系数为【】

    $A.15$ $B.20$ $C.30$ $D.35$

    提示:选(C)

    其一:(C_1^1cdot 1cdot C_6^2cdot x^2cdot C_4^4cdot 1^4=15x^2)

    其二:(C_1^1cdot cfrac{1}{x^2}cdot C_6^4cdot x^4cdot C_2^2cdot 1^2=15x^2)

    例5((x+cfrac{1}{x})(2x-cfrac{1}{x})^5)的展开式中的常数项是多少?

    分析:常数项来源于两个,

    其一是(C_1^1cdot xcdot [C_5^3(2x)^2(-cfrac{1}{x})^3])

    其二是(C_1^1cdot cfrac{1}{x}cdot [C_5^2(2x)^3(-cfrac{1}{x})^2])

    故常数项为(C_5^32^2(-1)^3+C_5^22^3(-1)^2=40)

    例6【最好用通项公式法】((x^2-a)(x+cfrac{1}{x})^{10})的展开式中(x^6)的系数为(30),则(a)=【】

    $A.cfrac{1}{3}$ $B.cfrac{1}{2}$ $C.1$ $D.2$

    例7【2019高三理科数学启动卷,2019陕西省二检试卷第11题】((2x^2-x+1)^8)的展开式中(x^5)的系数式【】

    $A.1288$ $B.1280$ $C.-1288$ $D.-1280$

    分析:使用组合法,其中项(x^5)的构成有以下几个角度:(C_8^2cdot (2x^2)^2cdot C_6^1cdot (-x)^1cdot C_5^5cdot 1^5)(C_8^1cdot (2x^2)^1cdot C_7^3cdot (-x)^3cdot C_4^4cdot 1^4)(C_8^0cdot (2x^2)^0cdot C_8^5cdot (-x)^5cdot C_3^3cdot 1^3);整理后其系数为(-1288),故选(C)

    三、思维串线

    • 用组合法肯定也能处理四项式,甚或五项式的问题;

    • 与此类似的数学方法,比如我们常常用穿根法求解高次不等式,自然也能用之求解二次不等式,也能求解一次不等式,以及能转化为高次不等式的那些不等式。

    • 解释二项分布中的概率计算公式的原理

    一般的,在(n)次独立重复试验中,设事件(A)发生的次数为(X),每次试验中事件(A)发生的概率为(p),则事件(A)恰好发生(k)次的概率为(P(X=k)=C_n^kcdot p^kcdot (1-p)^{n-k}),((k=0,1,2,cdots,n)),此时称随机变量(X)服从二项分布,记为(Xsim B(n,p)),并称(p)为成功概率。

    解释:二项展开式([p+(1-p)]^n)中,事件(A)发生(k)次,即对应展开式中的含(p^k)的项,其为(C_n^kcdot p^kcdot C_{n-k}^{n-k}cdot (1-p)^{n-k}),即(P(X=k)=C_n^kcdot p^kcdot (1-p)^{n-k})

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