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二項定理は非常に汎用性が高く,いろいろなところで登場します. ⇨予備知識 二項定理とは $(x+y)^2$ を展開すると,$(x+y)^{2}=x^2+2xy+y^2$ となります. また,$(x+y)^3$ を展開すると,$(x+y)^3=x^3+3x^2y+3xy^2+y^3$ となります.このあたりは多くの人が公式として覚えているはずです.では,指数をさらに大きくして,$(x+y)^4, (x+y)^5,... $ の展開は一般にどうなるでしょうか. 一般の自然数 $n$ について,$(x+y)^n$ の展開の結果を表すのが 二項定理 です. 二項定理: $$\large (x+y)^n=\sum_{k=0}^n {}_n \mathrm{C} _k\ x^{n-k}y^{k}$$ ここで,$n$ は自然数で,$x, y$ はどのような数でもよいです.定数でも変数でも構いません. たとえば,$n=4$ のときは, $$(x+y)^4= \sum_{k=0}^4 {}_4 \mathrm{C} _k x^{4-k}y^{k}={}_4 \mathrm{C} _0 x^4+{}_4 \mathrm{C} _1 x^3y+{}_4 \mathrm{C} _2 x^2y^2+{}_4 \mathrm{C} _3 xy^3+{}_4 \mathrm{C} _4 y^4$$ ここで,二項係数の公式 ${}_n \mathrm{C} _k=\frac{n! }{k! (n-k)! }$ を用いると, $$=x^4+4x^3y+6x^2y^2+4xy^3+y^4$$ と求められます. 注意 ・二項係数について,${}_n \mathrm{C} _k={}_n \mathrm{C} _{n-k}$ が成り立つので,$(x+y)^n=\sum_{k=0}^n {}_n \mathrm{C} _k\ x^{k}y^{n-k}$ と書いても同じことです.これはつまり,$x$ と $y$ について対称性があるということですが,左辺の $(x+y)^n$ は対称式なので,右辺も対称式になることは明らかです. ・和は $0$ から $n$ までとっていることに気をつけて下さい. ($1$ からではない!) したがって,右辺は $n+1$ 項の和という形になっています. 二項定理の証明 二項定理は数学的帰納法を用いて証明することができます.
高校数学Ⅱ 式と証明 2020. 03. 24 検索用コード 400で割ったときの余りが0であるから無視してよい. \\[1zh] \phantom{ (1)}\ \ 下線部は, \ 下位5桁が00000であるから無視してよい. (1)\ \ 400=20^2\, であることに着目し, \ \bm{19=20-1として二項展開する. } \\[. 2zh] \phantom{(1)}\ \ 下線部の項はすべて20^2\, を含むので, \ 下線部は400で割り切れる. \\[. 2zh] \phantom{(1)}\ \ 結局, \ それ以外の部分を400で割ったときの余りを求めることになる. \\[1zh] \phantom{(1)}\ \ 計算すると-519となるが, \ 余りを答えるときは以下の点に注意が必要である. 2zh] \phantom{(1)}\ \ 整数の割り算において, \ 整数aを整数bで割ったときの商をq, \ 余りをrとする. 2zh] \phantom{(1)}\ \ このとき, \ \bm{a=bq+r\)}\ が成り立つ. ="" \\[. 2zh]="" \phantom{(1)}\="" \="" つまり, \="" b="400で割ったときの余りrは, \" 0\leqq="" r<400を満たす整数で答えなければならない. ="" よって, \="" -\, 519="400(-\, 1)-119だからといって余りを-119と答えるのは誤りである. " r<400を満たすように整数qを調整すると, \="" \bm{-\, 519="400(-\, 2)+281}\, となる. " \\[1zh]="" (2)\="" \bm{下位5桁は100000で割ったときの余り}のことであるから, \="" 本質的に(1)と同じである. ="" 100000="10^5であることに着目し, \" \bm{99="100-1として二項展開する. }" 100^3="1000000であるから, \" 下線部は下位5桁に影響しない. ="" それ以外の部分を実際に計算し, \="" 下位5桁を答えればよい. ="" \\[. 2zh]<="" div="">
他にも,つぎのように組合せ的に理解することもできます. 二項定理の応用 二項定理は非常に汎用性が高く実に様々な分野で応用されます.数学の別の定理を証明するために使われたり,数学の問題を解くために利用することもできます. 剰余 累乗数のあまりを求める問題に応用できる場合があります. 例題 $31^{30}$ を $900$ で割ったあまりを求めよ. $$31^{30}=(30+1)^{30}={}_{30} \mathrm{C} _0 30^0+\underline{{}_{30} \mathrm{C} _{1} 30^1+ {}_{30} \mathrm{C} _{2} 30^2+\cdots +{}_{30} \mathrm{C} _{30} 30^{30}}$$ 下線部の各項はすべて $900$ の倍数です.したがって,$31^{30}$ を $900$ で割ったあまりは,${}_{30} \mathrm{C} _0 30^0=1$ となります. 不等式 不等式の証明に利用できる場合があります. 例題 $n$ を自然数とするとき,$3^n >n^2$ を示せ. $n=1$ のとき,$3>1$ なので,成り立ちます. $n\ge 2$ とします.このとき, $$3^n=(1+2)^n=\sum_{k=0}^n {}_n \mathrm{C} _k 2^k > {}_n \mathrm{C} _2 2^2=2(n^2-n) \ge n^2$$ よって,自然数 $n$ に対して,$3^n >n^2$ が成り立ちます. 示すべき不等式の左辺と右辺は $n$ の指数関数と $n$ の多項式で,比較しにくい形になっています.そこで,二項定理を用いて,$n$ の指数関数を $n$ の多項式で表すことによって,多項式同士の評価に持ち込んでいるのです. その他 サイト内でもよく二項定理を用いているので,ぜひ参考にしてみてください. ・ →フェルマーの小定理の証明 ・ →包除原理の意味と証明 ・ →整数係数多項式の一般論