RqX1Hq87BsXFV
Ilustracja przedstawia neony w kształcie cyfr. Są one w szklanych pojemnikach.

M_R_W14_M1 Wzory skróconego mnożenia

Źródło: Carlos Irineu Da Costa, dostępny w internecie: www.unsplash.com.

4. Wzór na n‑tą potęgę sumy

Jeśli matematyka wydaje ci się trudna, to musisz wiedzieć, że wiele odkryć matematycznych zawdzięczamy humanistom. Jednym z nich był perski poeta, filozof i lekarz Omar Chajjam (1048 r.1131 r.). Chajjam znany jest jako autor wspaniałych Rubajatów, czyli czterowierszy, w których nawiązuje do filozoficznych poglądów swego czasu.

RD8PYAHO9gEYp1
Omar Chajjam
Źródło: Atilin, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

„Los szachownicą dni i nocy włada,
Gdzie w partii rola pionków nam przypada,
Które się wodzi, zbiera i ubija
I znów kolejno w pudełku układa.”

Omar Chajjam, Rubayat, XLIX, tłum. Edward Raczyńsk.

Chajjam był również świetnym matematykiem. Uważany jest za (niezależnie od Chińczyków) odkrywcę tablicy (zwanej dzisiaj trójkątem Pascala), z której można między innymi odczytać współczynniki rozwinięcia naturalnej potęgi dwumianu. W tym materiale my też będziemy określać współczynniki n–tej potęgi dwumianu, korzystając nie tylko ze sposobu wymyślonego przez tego jedenastowiecznego poetę.

Twoje cele
  • Określisz współczynniki n–tej potęgi dwumianu, korzystając z trójkąta Pascala.

  • Zapiszesz n–tą potęgę dwumianu w postaci sumy, korzystając z dwumianu Newtona.

  • Wykorzystasz wzory na n–tą potęgę sumy w dowodzeniu.

Jeśli chcemy zapisać w postaci sumy iloczyn a+ba+b lub a+ba+ba+b wystarczy wykonać odpowiednie mnożenie. Jednak w przypadku większej liczby czynników, mnożenie staje się kłopotliwe. Warto więc zastanowić się, czy nie istnieje jakaś uniwersalna metoda na określenie wyrazów sumy, którą otrzymamy.

Zastosowanie trójkąta Pascala

Przyjrzyjmy się kolejnym zapisom wyrażenia a+bn (n – liczba naturalna) w postaci sumy.

RtHSbyosWA1N2

Zauważmy, że w każdym ze składników suma wykładników liczb ab jest równa potędze, do której podniesiony jest dwumian a+b.

W otrzymanej sumie pierwszy wykładnik, do którego podniesiona jest liczba a jest równy potędze rozważanego dwumianu. Każdy kolejny wykładnik jest mniejszy o 1 od poprzedniego, aż do ostatniego, który jest równy 0. Wykładniki liczby b zmieniają się w odwrotnej kolejności – wzrastają od 0 do wykładnika, do którego podniesiony jest rozważany dwumian.

Aby znaleźć rozwinięcie szóstej potęgi dwumianu a+b, wypiszmy najpierw współczynniki liczbowe poprzednich rozwinięć.

REjfJJvH5rqMR

Zauważmy, że skrajne liczby w uzyskanym „trójkącie” to jedynki. Liczby w kolejnych wierszach powstają poprzez dodanie dwóch sąsiednich liczb z wiersza stojącego wyżej.

Wyznaczamy w ten właśnie sposób współczynniki rozwinięcia wyrażenia a+b6.

RS9xQLVBdR5Mr

Pierwszy współczynnik rozwinięcia to: 1
Drugi współczynnik to: 1+5 = 6
Trzeci współczynnik to: 5+10 = 15 
Czwarty współczynnik to: 10 +10 =20
Piąty współczynnik to: 10+5=15 
Szósty współczynnik to: 5+1=6 
Siódmy współczynnik to: 1

Możemy więc zapisać następny wzór.

a+b6=1·a6+6a5b+15a4b2+20a3b3+15a2b4+6ab5+1·b6

Aby znaleźć rozwinięcia kolejnych potęg dwumianu, należy uzupełnić następne wiersze otrzymanej trójkątnej tablicy, zwanej trójkątem Pascala.

RYvPc4oDKLuzn

Stąd:

a+b7=a7+7a6b+21a5b2+35a4b3+35a3b4+21a2b5+7ab6+b7

Zapiszemy nasze spostrzeżenia w postaci twierdzenia.

n–ta potęga sumy
Twierdzenie: n–ta potęga sumy

Dla każdej liczby naturalnej n i liczb a, b

a+bn=c0an+c1an-1b1+c2an-2b2++cn-1a1bn-1+cnbn

gdzie:
liczby c0, c1, c2, , cn-1, cn są kolejnymi liczbami w n–tym wierszu trójkąta Pascala.

Wniosek:

Przyjmijmy, że kolejne wyrazy rozwinięcia potęgi a+bn to x0, x1, x2, , xnc0, c1, , cn, to odpowiadające im współczynniki z n–tego wiersza trójkąta Pascala.

Wtedy:

xk+1=ckan-k·bk

gdzie:
0kn.

Przykład 1

Zapiszemy w postaci sumy wyrażenie 1+t4.

Rozwiązanie:

R1ZuxLb6c3n9F

Korzystamy z powyższego twierdzenia, odczytując potrzebne współczynniki w 4 wierszu trójkąta Pascala.

1+t4=14+4·13·t+6·12t2+4·1·t3+t4

1+t4=1+4t+6t2+4t3+t4

Przykład 2

Znajdziemy piąty wyraz rozwinięcia potęgi 2+26.

Rozwiązanie:

Współczynnik liczbowy stojący przy piątym wyrazie rozwinięcia potęgi a+b6 odczytujemy z trójkąta Pascala.

RlMUnyIxUknCH

Jest to liczba 15.

W rozwinięciu dwumianu wykładniki potęg liczby a zmniejszają się, a liczby b zwiększają się.

Zatem iloczyn potęg liczb ab będzie równy a6-4·b4=a2b4. W konsekwencji wyraz piąty będzie równy 15a2b4.

W rozpatrywanym przypadku a=2, b=2.

Stąd wyraz piąty to:

15·22·24=30·16=480

Zastosowanie dwumianu Newtona

Uzupełnianie kolejnych wierszy trójkąta Pascala nie jest trudne, ale gdybyśmy chcieli zapisać w postaci sumy na przykład a+b100, znalezienie współczynników liczbowych zajęło by nam sporo czasu. Istnieją więc wzory pozwalające na szybkie wyznaczenie takich liczb. My skorzystamy ze wzoru dwumianowego Newtona, zwanego też dwumianem Newtonadwumian Newtonadwumianem Newtona.

Wzór ten jest podobny, do poznanego już wcześniej wzoru zgodnie, z którym potęgę dwumianu x+yn można rozwinąć w sumę jednomianów. Kolejne współczynniki liczbowe w dwumianie Newtona są równe kolejnym współczynnikom pozyskanym z trójkąta Pascala, ale zapisane są w nieco inny sposób.

Dwumian Newtona
Twierdzenie: Dwumian Newtona

Jeżeli x, y są dowolnymi liczbami rzeczywistymi, n jest liczbą naturalną dodatnią, to

x+yn=n0xn+n1xn-1y+n2xn-2y2++nnyn

Aby móc korzystać z dwumianu Newtona, przypomnijmy, że nk (czytamy: n nad k lub n po k) to tzw. symbol Newtona.

nk=n!k!n-k! dla 0kn

Przypomnijmy jeszcze, że zapis t! (czytamy: t silnia) oznacza iloczyn kolejnych liczb naturalnych dodatnich, nie większych od t.

t!=1·2·3··t

Przykład 3

Zapiszemy w postaci sumy jednomianów x+18.

Rozwiązanie:

Korzystamy z dwumianu Newtonadwumian Newtonadwumianu Newtona.

x+18=80x8+81x7·1+82x6·12+83x5·13+84x4·14+

+85x3·15+86x2·16+87x1·17+88·18

Obliczamy kolejne współczynniki.

80=8!0!8-0!=8!1·8!=1

81=8!1!8-1!=8!1·7!=7!·87!=8

82=8!2!8-2!=8!2·6!=6!·7·82·6!=28

83=8!3!8-3!=8!6·5!=5!·6·7·86·5!=56

84=8!4!8-4!=8!24·4!=4!·5·6·7·824·4!=70

85=8!5!8-5!=8!120·3!=3!·4·5·6·7·8120·3!=56

86=8!6!8-6!=2!·3·4·5·6·7·8720·2!=20160720=28

87=8!7!8-7!=7!·87!·1=81=8

88=8!8!8-8!=8!1·8!=1

Do uzyskanego wyrażenia podstawiamy wyznaczone liczby.

x+18=x8+8x7+28x6+56x5+70x4+56x3+28x2+8x1+1

Na wszelki wypadek, możemy sprawdzić, czy dobrze wykonaliśmy obliczenia, korzystając z trójkąta Pascala.

R1cgTirma6lSN
Przykład 4

Znajdziemy środkowy wyraz rozwinięcia dwumianu x+x212.

Rozwiązanie:

Środkowy wyraz tego rozwinięcia to

126·x6·x26=12!6!12-6!·x1223=924x128=115,5x12

Odpowiedź:

Środkowy wyraz to 115,5x12.

Polecenie 1

Zapoznaj się z galerią zdjęć interaktywnych. Rozwiąż najpierw zamieszczone tam zadania, a następnie porównaj z podanymi rozwiązaniami.

Polecenie 2

Wykaż, że rozwiązaniem równania

1024x+1792x2+1792x3+1120x4+448x5+112x6+16x7+1x8=-256

jest liczba większa od -0,75.

1
Ćwiczenie 1
R14kLvXQU6e5T11
Na ilustracji widnieje trójkąt Pascala. W pierwszym rzędzie od góry jest liczba jeden. W drugim jeden i jeden. W trzecim jeden, dwa i jeden. W czwartym jeden, trzy, trzy i jeden. W piątym jeden, cztery, sześć, cztery i jeden. W szóstym jeden i pięć i dziesięć i dziesięć i pięć i jeden. W siódmym jeden, puste pole, piętnaście, dwadzieścia, puste pole, sześć i jeden. W ósmym jeden, siedem, puste pole, dwadzieścia osiem, pięćdziesiąt sześć, puste pole, pięćdziesiąt sześć, dwadzieścia osiem, osiem i jeden. W dziewiątym jeden, puste pole, dwadzieścia osiem, pięćdziesiąt sześć, puste pole, pięćdziesiąt sześć, dwadzieścia osiem, osiem i jeden. W ostatnim rzędzie jeden, dziewięć, trzydzieści sześć, puste pole, sto dwadzieścia sześć, sto dwadzieścia sześć, osiemdziesiąt cztery, trzydzieści sześć, dziewięć i jeden.

Opisz konstrukcję trójkąta Pascala oraz zastosowanie trójkąta poznane w tej lekcji.

RLosJzcHeSjw4
(Uzupełnij).
RZEN3d5x9oBXD1
Ćwiczenie 2
Zaznacz każde zdanie prawdziwe. Możliwe odpowiedzi: 1. Każda z liczb w trójkącie Pascala jest sumą dwóch liczb poprzedniego wiersza, stojących najbliżej tej liczby., 2. Suma liczb stojących w wierszu o numerze cztery w trójkącie Pascala jest równa
szesnaście., 3. Każda liczba zapisana w trójkącie Pascala jest liczbą naturalną., 4. W n–tym wierszu trójkąta Pascala kolejne liczby to symbol Newtona, otwarcie nawiasu, n po zero, zamknięcie nawiasu, przecinek, symbol Newtona, otwarcie nawiasu, n po jeden, zamknięcie nawiasu, przecinek, symbol Newtona, otwarcie nawiasu, n po dwa, zamknięcie nawiasu, przecinek, wielokropek, przecinek, symbol Newtona, otwarcie nawiasu, n po n, minus, jeden, zamknięcie nawiasu, przecinek, symbol Newtona, otwarcie nawiasu, n po n, zamknięcie nawiasu
R1G2FgmrxEVya2
Ćwiczenie 3
Otwarcie nawiasu X do potęgi drugiej plus Y zamknięcie nawiasu do potęgi piątej równa się X do potęgi dziesiątej plus miejsce na odpowiedź plus dziesięć X do potęgi szóstej Y do potęgi drugiej plus dziesięć X do potęgi czwartej Y do potęgi trzeciej plus miejsce na odpowiedź plus miejsce na odpowiedź. Odpowiedzi do wyboru to: Pięć X do potęgi dziewiątej Y. Y. Y do potęgi szóstej. Pięć X do potęgi drugiej Y do potęgi czwartej. Dziesięć XY do potęgi czwartej. Y do potęgi piątej. Pięć X do potęgi ósmej Y.
RPwX3b43Kwd732
Ćwiczenie 4
Połącz w pary potęgę dwumianu i jej zapis w postaci sumy jednomianów. nawias, a, plus, jeden, zamknięcie nawiasu, indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego Możliwe odpowiedzi: 1. szesnaście, plus, trzydzieści dwa a, plus, dwadzieścia cztery a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, osiem a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 2. jeden, plus, pięć a, plus, dziesięć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, dziesięć a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, pięć a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 3. a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, sześć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, dwanaście a, plus, osiem, 4. jeden, plus, trzy a, plus, trzy a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, 5. a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, cztery a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, sześć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, cztery a, plus, jeden nawias, jeden, plus, a, zamknięcie nawiasu, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego Możliwe odpowiedzi: 1. szesnaście, plus, trzydzieści dwa a, plus, dwadzieścia cztery a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, osiem a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 2. jeden, plus, pięć a, plus, dziesięć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, dziesięć a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, pięć a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 3. a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, sześć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, dwanaście a, plus, osiem, 4. jeden, plus, trzy a, plus, trzy a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, 5. a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, cztery a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, sześć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, cztery a, plus, jeden nawias, dwa, plus, a, zamknięcie nawiasu, indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego Możliwe odpowiedzi: 1. szesnaście, plus, trzydzieści dwa a, plus, dwadzieścia cztery a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, osiem a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 2. jeden, plus, pięć a, plus, dziesięć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, dziesięć a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, pięć a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 3. a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, sześć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, dwanaście a, plus, osiem, 4. jeden, plus, trzy a, plus, trzy a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, 5. a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, cztery a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, sześć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, cztery a, plus, jeden nawias, a, plus, dwa, zamknięcie nawiasu, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego Możliwe odpowiedzi: 1. szesnaście, plus, trzydzieści dwa a, plus, dwadzieścia cztery a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, osiem a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 2. jeden, plus, pięć a, plus, dziesięć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, dziesięć a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, pięć a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 3. a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, sześć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, dwanaście a, plus, osiem, 4. jeden, plus, trzy a, plus, trzy a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, 5. a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, cztery a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, sześć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, cztery a, plus, jeden nawias, jeden, plus, a, zamknięcie nawiasu, indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego Możliwe odpowiedzi: 1. szesnaście, plus, trzydzieści dwa a, plus, dwadzieścia cztery a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, osiem a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 2. jeden, plus, pięć a, plus, dziesięć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, dziesięć a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, pięć a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 3. a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, sześć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, dwanaście a, plus, osiem, 4. jeden, plus, trzy a, plus, trzy a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, 5. a indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, cztery a indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, sześć a indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, cztery a, plus, jeden
R1ZFtxvmy5Xwf2
Ćwiczenie 5
Zaznacz wszystkie liczby, należące do zbioru rozwiązań równania nawias, x, plus, jeden, zamknięcie nawiasu, indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, minus, nawias, x, plus, jeden, zamknięcie nawiasu, indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, równa się, zero. Możliwe odpowiedzi: 1. minus, dwa, 2. minus, jeden, 3. zero, 4. jeden
Rqufhz7JNTOXx2
Ćwiczenie 6
Wyrażenie otwarcie nawiasu A plus B zamknięcie nawiasu do potęgi piątej minus A otwarcie nawiasu plus b zamknięcie nawiasu do potęgi czwartej minus AB otwarcie nawiasu A plus B zamknięcie nawiasu do potęgi trzeciej zapisane w postaci iloczynu to: Możliwe odpowiedzi to B otwarcie nawiasu A plus B zamknięcie nawiasu do potęgi trzeciej, A otwarcie nawiasu A plus B zamknięcie nawiasu do potęgi drugiej, otwarcie nawiasu A plus B zamknięcie nawiasu do potęgi drugiej oraz B do potęgi drugiej otwarcie nawiasu A plus B zamknięcie nawiasu do potęgi trzeciej.
Rx1ATjisiZPfc3
Ćwiczenie 7
Pierwsze równanie: otwarcie nawiasu A plus trzy zamknięcie nawiasu do potęgi trzeciej równa się otwarcie nawiasu dwumian Newtona trzy po zero zamknięcie nawiasu razy A do potęgi trzeciej trzy do potęgi zero plus pole na odpowiedź razy A do potęgi drugiej razy trzy do potęgi pierwszej plus otwarcie nawiasu dwumian Newtona trzy po dwa zamknięcie nawiasu razy pole na odpowiedź plus pole na odpowiedź razy A do potęgi zero trzy do potęgi trzy. Drugie równanie: otwarcie nawiasu A plus trzy zamknięcie nawiasu do potęgi trzeciej równa się A do potęgi trzeciej trzy do potęgi zero plus pole na odpowiedź plus trzy A do potęgi pierwszej razy trzy do potęgi drugiej plus pole na odpowiedź. Trzecie równanie: otwarcie nawiasu A plus trzy zamknięcie nawiasu do potęgi trzeciej równa się pole na odpowiedź plus dziewięć A do potęgi drugiej plus pole na odpowiedź plus dwadzieścia siedem. Możliwe odpowiedzi to: trzy razy A do potęgi drugiej razy trzy do potęgi pierwszej , A do potęgi trzeciej, dwadzieścia siedem A, otwarcie nawiasu dwumian Newtona trzy po jeden zamknięcie nawiasu, A do potęgi pierwszej razy trzy do potęgi drugiej, otwarcie nawiasu dwumian Newtona trzy po trzy zamknięcie nawiasu i A do potęgi zero razy trzy do potęgi trzeciej.
31
Ćwiczenie 8

Znajdź czwarty wyraz rozwinięcia dwumianu 3x3+1x24, korzystając z dwumianu Newtona.

uzupełnij treść

Słownik

dwumian Newtona
dwumian Newtona

twierdzenie określające sposób zamiany n–tej potęgi dwumianu na sumę jednomianów