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こんな方におすすめ 二項定理の公式ってなんだっけ 二項定理の公式が覚えられない 二項定理の仕組みを解説して欲しい 二項定理は「式も長いし、Cが出てくるし、よく分からない。」と思っている方もいるかもしれません。 しかし、二項定理は仕組みを理解してしまえば、とても単純な式です。 本記事では、二項定理の公式について分かりやすく徹底解説します。 記事の内容 ・二項定理の公式 ・パスカルの三角形 ・二項定理の証明 ・二項定理<練習問題> ・二項定理の応用 国公立の教育大学を卒業 数学講師歴6年目に突入 教えた生徒の人数は150人以上 高校数学のまとめサイトを作成中 二項定理の公式 二項定理の公式について解説していきます。 二項定理の公式 \((a+b)^{n}=_{n}C_{0}a^{n}b^{0}+_{n}C_{1}a^{n-1}b^{1}+_{n}C_{2}a^{n-2}b^{2}+\cdots+_{n}C_{n}a^{0}b^{n}\) Youtubeでは、「とある男が授業をしてみた」の葉一さんが解説しているので動画で見たい方はぜひご覧ください。 二項定理はいつ使う? \((a+b)^2\)と\((a+b)^3\)の展開式は簡単です。 \((a+b)^2=a^2+2ab+b^2\) \((a+b)^3=a^3+3a^2b+3ab^2+b^3\) では、\((a+b)^4, (a+b)^5, …, (a+b)^\mathrm{n}\)はどうでしょう。 このときに役に立つのが二項定理です。 \((a+b)^{n}=_{n}C_{0}a^{n}b^{0}+_{n}C_{1}a^{n-1}b^{1}+_{n}C_{2}a^{n-2}b^{2}+\cdots+_{n}C_{n-1}a^{1}b^{n-1}+_{n}C_{n}a^{0}b^{n}\) 二項定理 は\((a+b)^5\)や\((a+b)^{10}\)のような 二項のなんとか乗を計算するときに大活躍します!
はじめの暗号のような式に比べて、少しは理解しやすくなったのではないかと思います。 では、二項定理の応用である多項定理に入る前に、パスカルの三角形について紹介しておきます。 パスカルの三角形 パスカルの三角形とは、図一のような数を並べたものです。 ちょうど三角形の辺の部分に1を書いて行き、その間の数を足していくことで、二項係数が現れるというものです。 <図:二項定理とパスカルの三角形> このパスカルの三角形自体は古くから知られていたようですが、論文としてまとめたのが、「人間とは考える葦である」の言葉や、数学・物理学・哲学など数々の業績で有名なパスカルだった為、その名が付いたと言われています。 多項定理とは 二項定理を応用したものとして、多項定理があります。 こちらも苦手な人が多いですが、考え方は二項定理と同じなので、ここまで読み進められたなら簡単に理解できるはずです。 多項定理の公式とその意味 大学入試に於いて多項定理は、主に多項式の◯乗を展開した式の各項の係数を求める際に利用します。 (公式)$$( a+b+c) ^{n}=\sum _{p+q+r=n}\frac {n! }{p! q! r! }a^{p}b^{q}c^{r}$$ 今回はカッコの中は3項の式にしています。 この式を分解してみます。この公式の意味は、 \(( a+b+c)^{n}\)を展開した時、 $$一般項が、\frac {n! }{p! q! r! }a^{p}b^{q}c^{r}となり$$ それらの項の総和(=全て展開して同類項をまとめた式)をΣで表せるということです。 いま一般項をよくみてみると、$$\frac {n! }{p! q! r! }a^{p}b^{q}c^{r}$$ $$左の部分\frac {n! }{p! q! r! }$$ は同じものを含む順列の公式と同じなのが分かります。 同じものを含む順列の復習 例題:AAABBCCCCを並べる順列は何通りあるか。 答え:まず分子に9個を別々の文字として並べた順列を計算して(9! )、 分母に実際にはA3つとB2つ、C4つの各々は区別が付かないから、(3!2!4!) を置いて、9!/(3!2!4! 二項定理とは？東大生が公式や証明問題をイチから解説！｜高校生向け受験応援メディア「受験のミカタ」. )で割って計算するのでした。 解説:分子の9! 通りはA1, A2, A3, B1, B2, C1, C2, C3, C4 、のように 同じ文字をあえて区別したと仮定して 計算しています。 一方で、実際には添え字の1、2、3,,, は 存在しない ので(A1, A2, A3), (A2, A1, A3),,, といった同じ文字で重複して計算している分を割っています。 Aは実際には1(通り)の並べ方なのに対して、3!
=6(通り)分余計にカウントしているので6で割っています。 同様にBは(B1, B2), (B2, B1)の、2! =2通り、Cは4! =24(通り)分の重複分割ることで、以下の 答え 1260(通り)//となります。 二項定理と多項定理の違い ではなぜ同じものを含む順列の計算を多項定理で使うのでしょうか? 上記の二項定理の所でのab^2の係数の求め方を思い出すと、 コンビネーションを使って3つの式からa1個とb2個の選び方を計算しました。 $$_{3}C_{2}=\frac {3! }{2! 1! }$$ 多項定理では文字の選び方にコンビネーションを使うとややこしくなってしまうので、代わりに「同じものを並べる順列」を使用しています。 次に公式の右側を見てみると、各項のp乗q乗r乗(p+q+r=n)となっています。 これは先程同じものを選んだ場合の数に、条件を満たす係数乗したものになっています。 (二項定理では選ぶ項の種類が二個だったので、p乗q乗、p +q=nでしたが、多項定理では選ぶ項の種類分だけ◯乗の数は増えて行きます。) 文字だけでは分かりにくいかと思うので、以下で実例を挙げます。 多項定理の公式の実例 実際に例題を通して確認していきます。 \(( 2x^{2}+x+3)^{3}において、x^{3}\)の係数を求めよ。 多項定理の公式を使っていきますが、場合分けが必要な事に注意します。 (式)を3回並べてみましょう。 \((2x^{2}+x+3)( 2x^{2}+x+3)( 2x^{2}+x+3)\) そして(式)(式)(式)の中から、x^3となるかけ方を考えると「xを3つ」選ぶ時と、 「2x 2 を1つ、xを1つ、3を1つ」選ぶ時の2パターンあります。 各々について一般項の公式を利用して、 xを3つ選ぶ時は、 $$\frac {3! }{3! 0! 0! }× 2^{0}× 1^{3}× 3^{0}=1$$ 「2x 2 を1つ、xを1つ、3を1つ」選ぶ時は、 $$\frac {3! }{1! 1! 二項定理の公式と証明をわかりやすく解説（公式・証明・係数・問題）. 1! }\times 2^{1}\times 1^{1}\times 3^{1}=36$$ 従って、1+36=37がx^3の係数である//。 ちなみに、実際に展開してみると、 \(8x^{6}+12x^{5}+42x^{4}+37x^{3}+63x^{2}+27x+27\) になり、確かに一致します!
これで二項定理の便利さはわかってもらえたと思います 二項定理の公式が頭に入っていれば、 \((a+b)^{\mathrm{n}}\)の展開に 怖いものなし!
$21^{21}$ を$400$で割った余りを求めよ。 一見何にも関係なさそうな余りを求める問題ですが、なんと二項定理を用いることで簡単に解くことができます! 【解答】 $21=20+1, 400=20^2$であることを利用する。( ここがポイント!) よって、二項定理より、 \begin{align}21^{21}&=(1+20)^{21}\\&=1+{}_{21}{C}_{1}20+{}_{21}{C}_{2}20^2+…+{}_{21}{C}_{21}20^{21}\end{align} ※この数式は少しだけ横にスクロールできます。(スマホでご覧の方対象。) ここで、 $20^2=400$ が含まれている項は400で割り切れるので、前半の $2$ 項のみに着目すると、 \begin{align}1+{}_{21}{C}_{1}20&=1+21×20\\&=421\\&=400+21\end{align} よって、余りは $21$。 この問題は合同式で解くのが一般的なのですが、そのときに用いる公式は二項定理で証明します。 合同式に関する記事 を載せておきますので、ぜひご参考ください。 多項定理 最後に、二項ではなく多項(3以上の項)になったらどうなるか、見ていきましょう。 例題. $(x+y+z)^6$ を展開したとき、 $x^2y^3z$ の項の係数を求めよ。 考え方は二項定理の時と全く同じですが、一つ増えたので計算量がちょっぴり多くなります。 ⅰ) 6個から2個「 $x$ 」を選ぶ組み合わせの総数は、 ${}_6{C}_{2}$ 通り ⅱ) のこり4個から1個「 $z$ 」を選ぶ組み合わせの総数は、 ${}_4{C}_{1}$ 通り 積の法則より、$${}_6{C}_{2}×{}_4{C}_{1}=60$$ 数が増えても、「 組み合わせの総数と等しくなる 」という考え方は変わりません! ※ただし、たとえば「 $x$ 」を選んだとき、のこりの選ぶ候補の個数が「 $x$ 」分少なくなるので、そこだけ注意してください! では、こんな練習問題を解いてみましょう。 問題. $(x^2-3x+1)^{10}$ を展開したとき、 $x^5$ の係数を求めよ。 この問題はどこがむずかしくなっているでしょうか… 少し考えてみて下さい^^ では解答に移ります。 $p+q+r=10$である $0$ 以上の整数を用いて、$$(x^2)^p(-3x)^q×1^r$$と表したとき、 $x^5$ が現れるのは、$$\left\{\begin{array}{l}p=0, q=5, r=5\\p=1, q=3, r=6\\p=2, q=1, r=7\end{array}\right.