§A1.12二項定理

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二項定理とは、nnを非負整数、a,ba,bを実数として、(a+b)n(a+b)^nを展開したときの各項の係数を、組合せの数で与える公式のことです。

(a+b)n=∑k=0n(nk)a n−kb k=(n0)an+(n1)an−1b+⋯+(nn)bn(a+b)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^{\,n-k} b^{\,k} = \binom{n}{0}a^n + \binom{n}{1}a^{n-1}b + \cdots + \binom{n}{n}b^n

ここでn∈Z≥0n\in\mathbb Z_{\ge0}、0≤k≤n0\le k\le n、(nk)=nCk\dbinom{n}{k} = {}_nC_kは組合せの数です。だから二項定理を使うには、順列・組合せの数え上げが前提になります。

1 なぜ係数が組合せなのか

(a+b)n=(a+b)(a+b)⋯(a+b)⏟n 個(a+b)^n = \underbrace{(a+b)(a+b)\cdots(a+b)}_{n \text{ 個}}を展開するとは、各カッコからaaかbbを1つずつ選んで掛ける、そのすべての選び方を足すことです。bbをちょうどkk回選ぶ選び方は「nn個のカッコからbbを取るkk個を選ぶ」場合の数、すなわち(nk)\dbinom{n}{k}通り。だからan−kbka^{n-k}b^kの係数が(nk)\dbinom{n}{k}になります。組合せがそのまま係数になる理由が、数え上げから見えます。

2 一般項とパスカルの三角形

展開の第(k+1)(k+1)項(一般項)は(nk)an−kbk\dbinom{n}{k} a^{n-k} b^k。「xrx^rの係数を求めよ」という問いは、この一般項で次数がrrになるkkを決めて代入するだけです。

係数(nk)\dbinom{n}{k}を三角形に並べると、各数が上の2数の和になるパスカルの三角形が現れます。これは(nk)=(n−1k−1)+(n−1k)\dbinom{n}{k} = \dbinom{n-1}{k-1} + \dbinom{n-1}{k}という関係(bbを選ぶか選ばないかで場合分け)の図示です。

閑話休題:パスカルの三角形に隠れたフラクタル パスカルの三角形の数を、奇数なら黒、偶数なら白に塗り分けてみてください。数百段も描くと、驚くべき模様が浮かび上がります——大きな三角形の中に白い逆三角形が抜け、残った3つの三角形の中にまた白い逆三角形が抜け……と無限に自己相似が続く、シェルピンスキーのギャスケットと呼ばれるフラクタル図形です。「上の2数の和」という単純極まりない規則から、なぜこんな構造が出るのか。鍵は(nk)\binom{n}{k}の偶奇が、nnとkkを2進法で書いたときの繰り上がりで決まることにあります(kkの各桁がnnの対応する桁を超えなければ奇数。一般の素数ppで割った余りについても同様の法則——リュカの定理——が成り立ちます)。整数の足し算・掛け算の世界に、幾何学の自己相似が埋まっているのです。

ちなみにこの三角形は、名前の由来であるパスカルとフェルマーの往復書簡(17世紀)との関連でよく紹介されます。この書簡を確率論の重要な契機の一つとみなす説明があります。二項係数が確率の計算に顔を出す(二項分布)のは、生まれたときからの縁です。

例題

条件と何を求めるかを確認してから、式と答えの対応を見比べてください。

二項定理を用いて、次の展開における指定された項の係数、または和の値を求めよ。

解法の型一般項 nCk a^(n-k) bkb^k の次数が指定の次数と一致する k を求め、係数部分を計算する

  1. (x + 3/x)^6 の展開式における定数項を求めよ。

    (x+3x)6の定数項\left(x + \dfrac{3}{x}\right)^{6} \quad \text{の定数項}
  2. (x² - 1/x)^4 の展開式における x5x^5 の係数を求めよ。

    (x2−1x)4における x5 の係数\left(x^{2} - \dfrac{1}{x}\right)^{4} \quad \text{における } x^{5} \text{ の係数}
  3. (3x + 3y)^4 の展開式における x2x^2y2y^2 の係数を求めよ。

    (3x+3y)4における x2y2 の係数(3x + 3y)^{4} \quad \text{における } x^{2} y^{2} \text{ の係数}
  4. n == 7 のとき、符号を交互につけた和 7C0 - 7C1 + 7C2 - … + (-1)^7 × 7C7 の値を求めよ。

    ∑k=07(−1)k(7k)\displaystyle\sum_{k=0}^{7} (-1)^{k} \binom{7}{k}
  5. (3x - y)^6 の展開式における x5x^5 y の係数を求めよ。

    (3x−y)6における x5y の係数(3x - y)^{6} \quad \text{における } x^{5} y \text{ の係数}
  6. (x + 2y)^5 の展開式における x3x^3y2y^2 の係数を求めよ。

    (x+2y)5における x3y2 の係数(x + 2y)^{5} \quad \text{における } x^{3} y^{2} \text{ の係数}
  7. n == 7 のとき、和 7C0 + 2 × 7C1 + 2² × 7C2 + … + 2^7 × 7C7 の値を求めよ。

    ∑k=072k(7k)\displaystyle\sum_{k=0}^{7} 2^{k} \binom{7}{k}
  8. n == 5 のとき、二項係数の総和 5C0 + 5C1 + … + 5C5 の値を求めよ。

    ∑k=05(5k)\displaystyle\sum_{k=0}^{5} \binom{5}{k}
  9. n == 8 のとき、符号を交互につけた和 8C0 - 8C1 + 8C2 - … + (-1)^8 × 8C8 の値を求めよ。

    ∑k=08(−1)k(8k)\displaystyle\sum_{k=0}^{8} (-1)^{k} \binom{8}{k}
  10. (2x - 3y)^4 の展開式における x y3y^3 の係数を求めよ。

    (2x−3y)4における xy3 の係数(2x - 3y)^{4} \quad \text{における } x y^{3} \text{ の係数}

演習

問題を解いてから「解答・解説」を開けます。

二項定理を用いて、次の展開における指定された項の係数、または和の値を求めよ。

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