Binomiālā izvēršana izmanto izteiksmi, lai izveidotu virkni. Tā izmanto šādu iekavās izteiktu izteiksmi: ( x + y ) n {\displaystyle (x+y)^{n}}. . Ir trīs binomiālie izvērsumi.
Definīcija
Ņūtona binoms (jeb binomiālā formula) izsaka izteiksmi (x + y)^n kā polinomu vai sēriju, kur n var būt vesels, negatīvs vai pat reāls/frakcionāls. Visvienkāršākajā gadījumā, ja n ir nevēlams vesels skaitlis (n ≥ 0), rezultāts ir galīgs polinoms ar (n+1) locekļiem.
Binomiālais koeficients
Binomiālā izvēršanā parādās binomiālie koeficienti, kas apzīmējas ar C(n, k) vai (n choose k). Tie ir definēti kā:
- C(n, k) = n! / (k! (n − k)!) — ja n ir naturāls skaitlis un 0 ≤ k ≤ n.
- Binomiālie koeficienti skaitliski rāda, cik veidos var izvēlēties k elementus no n elementu kopas (kombinācijas).
- Koeficienti veido Pazela (Pascal) trijstūri: katrs skaitlis = divu iepriekšējā rindā esošo skaitļu summa.
Galvenā formula (veseli pozitīvi n)
Ja n ir nenegtīvs vesels skaitlis, tad
(x + y)^n = Σ (k=0→n) C(n, k) x^{n−k} y^{k},
t.i.,
(x + y)^n = C(n,0) x^n + C(n,1) x^{n−1} y + C(n,2) x^{n−2} y^2 + ... + C(n,n) y^n.
Vienkārši piemēri
- (x + y)^0 = 1.
- (x + y)^1 = x + y.
- (x + y)^2 = x^2 + 2xy + y^2 (koeficienti 1, 2, 1).
- (x + y)^3 = x^3 + 3x^2 y + 3x y^2 + y^3 (koeficienti 1, 3, 3, 1).
- Piemērs ar skaitļiem: (2 + 1)^3 = 8 + 12 + 6 + 1 = 27; tas sakrīt ar parasto reizināšanu 3^3 = 27.
Īpašie gadījumi un vispārinājumi
- Simetrija: C(n, k) = C(n, n − k). Tā rezultātā polinomā koeficienti ir simetriski.
- Rindu summas: Summa no k=0 līdz n C(n,k) = 2^n.
- Negatīvi un frakcionāli eksponenti (binomiālā sērija): ja n ir reāls vai kompleks skaitlis α un |y/x| < 1 (vai, biežāk, ja pieraksta kā (1 + z)^α un |z| < 1), tad
(1 + z)^α = Σ (k=0→∞) C(α, k) z^k, kur
C(α, k) = α(α − 1)(α − 2)...(α − k + 1) / k! (generalizētais binomiālais koeficients).
Tas dod konverģentu nebeidzamu sēriju, piemēram:
- (1 + x)^{−1} = 1 − x + x^2 − x^3 + ... , ja |x| < 1.
- (1 + x)^{1/2} = 1 + (1/2)x − (1/8)x^2 + ... , ja |x| < 1.
Pielietojumi
- Algebrā un kombinatorikā: aprēķini, kombinācijas, probabilities aprēķini (piem., Binomiālā sadalījuma pamats).
- Analīzē: sēriju attīstīšana, tuvākā pieeja funkcijām, lineāro un nelineāro izteiksmju linearizācija.
- Skaitļošanā un fizikā: izteiksmju paplašināšana, aprēķinu vienkāršošana līdz noteiktam pakāpes termiņam.
Papildus piezīmes
- Pascal trijstūris sniedz ātru veidu binomiālo koeficientu atrašanai bez faktoriāļu rēķināšanas.
- Binomiālā formula ir viena no pamatlietām skolā un augstskolā, tā savieno algebru, kombinatoriku un analīzi.