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高校数学解説
文献あり

二項係数の級数まとめ

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二項係数を含む級数をできる限り挙げてみました.二項係数マニアになりたい人必見です.
証明は方針のみ載せています.詳しい証明は気が向いたら別の記事として投稿しようと思います.

この記事で使う文字,記号

特に断らない限り,x,y,rは実数を表し,他は非負整数を表すとする.
(nk)は二項係数.ただしn<kのとき(nk)=0と約束する.
(nk1,,km)は多項係数.(nk1,,km):=n!k1!km!  (k1+k2++km=n)
Fnはフィボナッチ数.F1=F2=1,Fn+2=Fn+Fn+1
ksは下降階乗冪.ks:=k(k1)(ks+1) 
Δは差分作用素.Δf(n):=f(n+1)f(n)

二項定理

二項定理

k=0nxkynk(nk)=(x+y)nk=0n(nk)=2nk=0n(1)k(nk)=0

二項定理にx,xを代入して連立
i=0nx2i+1(n2i+1)=0kn,kxk(nk)=12{(1+x)n(1x)n}i=0nx2i(n2i)=0kn,kxk(nk)=12{(1+x)n+(1x)n}i=0n(n2i+1)=0kn,k(nk)=2n1i=0n(n2i)=0kn,k(nk)=2n1

変形すれば二項定理
k=0nkxk(nk)=nx(1+x)n1k=0nk(nk)=n2n1

対称性(nk)=(nnk)の利用
k=0n(2n+1k)=22nk=0n(2nk)=22n1+12(2nn)

ヴァンデルモンドの畳み込み

ヴァンデルモンドの畳み込み
恒等式(x+1)p(x+1)q=(x+1)p+qxrの係数比較
k=0r(pk)(qrk)=(p+qr)

恒等式(x+1)n(1+x)n=(x+1)2nxnの係数比較 or n×nの最短経路の数え上げ
k=0n(nk)2=(2nn)

恒等式(1x)n(x+1)n=(1x2)nxnの係数比較
k=0n(1)k(nk)2={(1)n2(nn2)    (n)0                        (n)
上2式を連立
i=0n(n2i+1)2=0kn,k(nk)2={12{(2nn)(1)n2(nn2)}    (n)12(2nn)                                     (n)i=0n(n2i)2=0kn,k(nk)2={12{(2nn)+(1)n2(nn2)}    (n)12(2nn)                                     (n)

フィボナッチ型

漸化式an+2=an+1+xanが成立
k=0nxk(nkk)=(1+1+4x2)n+1(11+4x2)n+11+4x    (x14)k=0n(nkk)=Fn+1k=0n(14)k(nkk)=n+12n

多変数型

ここでのΣは,k1++km=nをみたすすべての非負整数の組(k1,,km)について和を取る

多項定理
k1++km=nx1k1x2k2xmkm(nk1,k2,,km)=(x1+x2++xm)nk1++km=n(nk1,k2,,km)=mn

恒等式((x+1)n)m=(x+1)mnxnの係数比較 or (m1)n×nの最短経路の数え上げ
k1++km=n(nk1)(nk2)(nkm)=(mnn)

ディクソンの等式

k=aa(1)k(a+ba+k)(b+cb+k)(c+ac+k)=(a+b+c)!a!b!c!k=nn(1)k(2nn+k)3=(3n)!(n!)3

証明: x=c+a,m=ba,r=aとして,両辺をxの多項式と考えると,両辺はm+2r個の根x=mr,,r1をもつm+2r次式で,さらにx=rで一致する.

階乗冪・和差分学

nsとする.

変形すれば二項定理
k=0nksxk(nk)=nsxs(1+x)nsk=0nks(1)k(nk)=0k=0nks(nk)=ns2ns

任意の多項式は下降階乗冪の和で表せるので
任意のn次以下の多項式P(x)に対し,
k=0n(1)kP(k)(nk)=0

差分法での離散マクローリン展開
自然数に対して定義される任意の関数f(n)に対し,
f(n)=k=0nΔkf(0)(nk)

その他

関係式(ks)=(k+1s+1)(ks+1)の利用
k=sn(ks)=(n+1s+1)

異なるn個のものからs個以上選んでさらにそこからs個選ぶ場合の数
k=sn(nk)(ks)=2ns(ns)

数学的帰納法
k=0s(1)k(nk)=(1)s(n1s)

無限級数

ニュートンの二項定理
実数に拡張した二項係数(rk):=rkk!に対して,
k=0xrkyk(rk)=(x+y)r    (|x|>|y|,(x,y)R2)

参考文献

投稿日:202245
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dragoemon
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