$21^{21}$ 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. 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）. $(x^2-3x+1)^{10}$ 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、$$\left\{\begin{array}{l}p=0, q=5, r=5\\p=1, q=3, r=6\\p=2, q=1, r=7\end{array}\right.
と疑問に思った方は、ぜひ以下の記事を参考にしてください。 以上のように、一つ一つの項ごとに対して考えていけば、二項定理が導き出せるので、 わざわざすべてを覚えている必要はない 、ということになりますね! ですので、式の形を覚えようとするのではなく、「 組み合わせの考え方を利用すれば展開できる 」ことを押さえておいてくださいね。 係数を求める練習問題 前の章で二項定理の成り立ちと考え方について解説しました。 では本当に身についた技術になっているのか、以下の練習問題をやってみましょう! (練習問題) (1) $(x+3)^4$ の $x^3$ の項の係数を求めよ。 (2) $(x-2)^6$ を展開せよ。 (3) $(x^2+x)^7$ の $x^{11}$ の係数を求めよ。 解答の前にヒントを出しますので、$5$ 分ぐらいやってみてわからないときはぜひ活用してください^^ それでは解答の方に移ります。 【解答】 (1) 4個から3個「 $x$ 」を選ぶ(つまり1個「 $3$ 」を選ぶ)組み合わせの総数に等しいので、$${}_4{C}_{3}×3={}_4{C}_{1}×3=4×3=12$$ ※3をかけ忘れないように注意! 二項定理を超わかりやすく解説（公式・証明・係数・問題） | 理系ラボ. (2) 二項定理を用いて、 \begin{align}(x-2)^6&={}_6{C}_{0}x^6+{}_6{C}_{1}x^5(-2)+{}_6{C}_{2}x^4(-2)^2+{}_6{C}_{3}x^3(-2)^3+{}_6{C}_{4}x^2(-2)^4+{}_6{C}_{5}x(-2)^5+{}_6{C}_{6}(-2)^6\\&=x^6-12x^5+60x^4-160x^3+240x^2-192x+64\end{align} (3) 7個から4個「 $x^2$ 」を選ぶ(つまり3個「 $x$ 」を選ぶ)組み合わせの総数に等しいので、$${}_7{C}_{4}={}_7{C}_{3}=35$$ (3の別解) \begin{align}(x^2+x)^7&=\{x(x+1)\}^7\\&=x^7(x+1)^7\end{align} なので、 $(x+1)^7$ の $x^4$ の項の係数を求めることに等しい。( ここがポイント!) よって、7個から4個「 $x$ 」を選ぶ(つまり3個「 $1$ 」を選ぶ)組み合わせの総数に等しいので、$${}_7{C}_{4}={}_7{C}_{3}=35$$ (終了) いかがでしょう。 全問正解できたでしょうか!
こんにちは、ウチダショウマです。 今日は、数学Ⅱで最も有用な定理の一つである 「二項定理」 について、公式を 圧倒的にわかりやすく 証明して、 応用問題(特に係数を求める問題) を解説していきます! 目次 二項定理とは? まずは定理の紹介です。 (二項定理)$n$は自然数とする。このとき、 \begin{align}(a+b)^n={}_n{C}_{0}a^n+{}_n{C}_{1}a^{n-1}b+{}_n{C}_{2}a^{n-2}b^2+…+{}_n{C}_{r}a^{n-r}b^r+…+{}_n{C}_{n-1}ab^{n-1}+{}_n{C}_{n}b^n\end{align} ※この数式は横にスクロールできます。 これをパッと見たとき、「長くて覚えづらい!」と感じると思います。 ですが、これを 「覚える」必要は全くありません !! ウチダ どういうことなのか、成り立ちを詳しく見ていきます。 二項定理の証明 先ほどの式では、 $n$ という文字を使って一般化していました。 いきなり一般化の式を扱うとややこしいので、例題を通して見ていきましょう。 例題. $(a+b)^5$ を展開せよ。 $3$ 乗までの展開公式は皆さん覚えましたかね。 しかし、$5$ 乗となると、覚えている人は少ないんじゃないでしょうか。 この問題に、以下のように「 組み合わせ 」の考え方を用いてみましょう。 分配法則で掛け算をしていくとき、①~⑤の中から $a$ か $b$ かどちらか選んでかけていく、という操作を繰り返します。 なので、$$(aの指数)+(bの指数)=5$$が常に成り立っていますね。 ここで、上から順に、まず $a^5$ について見てみると、「 $b$ を一個も選んでいない 」と考えられるので、「 ${}_5{C}_{0}$ 通り」となるわけです。 他の項についても同様に考えることができるので、組み合わせの総数 $C$ を用いて書き表すことができる! このような仕組みになってます。 そして、組み合わせの総数 $C$ で二項定理が表されることから、 組み合わせの総数 $C$ … 二項係数 と呼んだりすることがあるので、覚えておきましょう。 ちなみに、今「 $b$ を何個選んでいるか」に着目しましたが、「 $a$ を何個選んでいるか 」でも全く同じ結果が得られます。 この証明で、 なんで「順列」ではなく「組み合わせ」なの?
【補足】パスカルの三角形 補足として 「 パスカルの三角形 」 についても解説していきます。 このパスカルの三角形がなんなのかというと、 「2 行目以降の各行の数が、\( (a+b)^n \) の二項係数になっている!」 んです。 例えば、先ほど例で挙げた\( \color{red}{ (a+b)^5} \)の二項係数は 「 1 , 5 , 10 , 10 , 5 , 1 」 なので、同じになっています。 同様に他の行の数字も、\( (a+b)^n \)の二項係数になっています。 つまり、 累乗の数はあまり大きくないときは、このパスカルの三角形を書いて二項係数を求めたほうが早く求められます! ですので、パスカルの三角形は便利なので、場合によっては利用するのも手です。 4. 二項定理を利用する問題(係数を求める問題) それでは、二項定理を利用する問題をやってみましょう。 【解答】 \( (x-3)^7 \)の展開式の一般項は \( \color{red}{ \displaystyle {}_7 \mathrm{C}_r x^{7-r} (-3)^r} \) \( x^4 \)の項は \( r=3 \) のときだから \( {}_7 \mathrm{C}_3 x^4 (-3)^3 = -945x^4 \) よって、求める係数は \( \color{red}{ -945 \ \cdots 【答】} \) 5. 二項定理のまとめ さいごにもう一度、今回のまとめをします。 二項定理まとめ 二項定理の公式 … \( \color{red}{ \Leftrightarrow \ \large{ (a+b)^n = \displaystyle \sum_{ r = 0}^{ n} {}_n \mathrm{C}_r a^{n-r} b^r}} \) 一般項 :\( {}_n \mathrm{C}_r a^{n-r} b^r \) , 二項係数 :\( {}_n \mathrm{C}_r \) パスカルの三角形 …\( (a+b), \ (a+b)^2, \ (a+b)^3, \cdots \)の展開式の各項の係数は、パスカルの三角形の各行の数と一致する。 以上が二項定理についての解説です。二項定理の公式の使い方は理解できましたか? この記事があなたの勉強の手助けになることを願っています!