二项式定理求常数项:令通项中x的指数为0

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用二项式定理求常数项分三步:写出通项 Tᵣ₊₁ = Cₙʳ aⁿ⁻ʳ bʳ,把 x 的指数整理成关于 r 的一次式,令这个指数等于 0 解出 r,再代回通项算出系数。r 必须是 0 到 n 之间的整数,解出分数或超出范围,就说明展开式里没有常数项。下面是可以直接用在备课和复习里的三步板式、3 道高考风格例题,以及二项式系数与项的系数的对照。

三步板式

第一步,写通项。把 (a + b)ⁿ 里的 a、b 连同符号、系数原样写进通项,例如 (x² − 1/x)⁶ 的 b 是 −1/x,负号要跟着 b 走,漏掉它,r 为奇数的项符号全错。

第二步,整理指数。根式先化成分数指数(√x 写成 x 的 ½ 次方),倒数化成负指数,再把 x 的指数合并成一个关于 r 的式子,数字系数和符号单独提到前面。

第三步,令指数为 0。解出 r,检查它是 0 到 n 之间的整数,再代回第二步提出来的数字系数。求第几项时注意,r 对应的是第 r + 1 项。

为什么令指数为 0:常数项就是不含 x 的项,而 x 的零次方等于 1,所以「x 的指数为 0」和「不含 x」是一回事。同样的思路可以求任意指定的项:要 x² 的系数,就令指数等于 2;要有理项,就让指数取整数,再逐个检验 r 的取值范围。

课堂上讲这类题,建议把通项的一般形式单独写一行板书,学生照着代:

T_{r+1}=C_n^r\,a^{n-r}\,b^r\quad(r=0,1,2,\cdots,n)

二项展开式通项:第r加1项等于C n r乘a的n减r次方乘b的r次方

三道例题

例 1 求 (x² − 1/x)⁶ 展开式的常数项。通项 Tᵣ₊₁ = C₆ʳ (x²)⁶⁻ʳ (−1/x)ʳ = (−1)ʳ C₆ʳ x¹²⁻³ʳ。令 12 − 3r = 0,得 r = 4。常数项是 (−1)⁴ C₆⁴ = 15,它是展开式的第 5 项。

三步在例 1 里分别对应:写出通项、整理成 x¹²⁻³ʳ、令 12 − 3r = 0。

求常数项三步:写通项、整理x的指数、令指数为0解r

例 2 求 (2x − 1/√x)⁶ 展开式的常数项。这道题的根号和数字系数都要处理,先把通项整理好:

T_{r+1}=C_6^r(2x)^{6-r}\left(-\frac{1}{\sqrt{x}}\right)^r=(-1)^r2^{6-r}C_6^r\,x^{6-\frac{3r}{2}}

令 6 − 3r/2 = 0,得 r = 4。常数项是 (−1)⁴ × 2² × C₆⁴ = 4 × 15 = 60。2 的指数是 6 − r,不是 r,代错会得到 240。

这道题可以顺带考一个变式:问「展开式中 x√x 这一项的系数」,x√x 就是 x 的 3/2 次方,只要把第三步的 0 换成 3/2,令 6 − 3r/2 = 3/2,得 r = 3,系数是 (−1)³ × 2³ × C₆³ = −8 × 20 = −160。同一个通项,改一个数就换一道题,备课时很省事。

编辑器里排好的例2通项,x的指数是6减二分之3r

例 3 求 (x + 1)(x − 2/x)⁵ 展开式的常数项。两个因式相乘,常数项有两个来源:第一个因式里的 x 乘第二个因式的 x⁻¹ 项,第一个因式里的 1 乘第二个因式的常数项。(x − 2/x)⁵ 的通项是 C₅ʳ (−2)ʳ x⁵⁻²ʳ。令 5 − 2r = 0,r 不是整数,所以第二个因式没有常数项;令 5 − 2r = −1,得 r = 3,x⁻¹ 项的系数是 C₅³ × (−2)³ = 10 × (−8) = −80。合起来,常数项是 x · (−80x⁻¹) = −80。

二项式系数与项的系数:别混

求的是什么 例 2 里的值 怎么算
常数项的二项式系数 C₆⁴ = 15 只取组合数
常数项的系数 60 组合数 × 2² × (−1)⁴
所有二项式系数之和 2⁶ = 64 2 的 n 次方
各项系数之和 (2 − 1)⁶ = 1 令 x = 1 代入

题目问「二项式系数最大的项」看的是组合数,n = 6 时是中间的第 4 项;问「系数最大的项」要把数字系数算进去,两个答案往往不是同一项。

录组合数时,Cₙʳ 可以写成 C_n^r,上标和下标模板在符号面板「常用」页签;也可以用 \binom{n}{r} 写成括号形式,按教材习惯二选一,全卷保持一致。

组合数C 6 4的两种写法,值都是15

出一套复习题时,可以把三道例题的通项各写成一条公式,下面留空让学生填 r 的值和常数项,讲评时再把答案补上。

延伸阅读

  • 高中数学解题方法:同一组高中专题的总览,五块题型各配一道例题
  • 裂项相消法:同一簇的数列求和专题,5 种常见裂项式与 3 道例题
  • LaTeX 公式大全:组合数、求和、分式等常用公式可以直接复制源码

常见问题

二项式系数和项的系数有何不同?
二项式系数只是组合数本身,只和项数 n 与序号 r 有关;项的系数还要把字母前面的数字系数和符号一起乘进去。两者只在二项的数字系数都是一时才相等。求所有二项式系数之和用二的 n 次方;求各项系数之和,要令字母等于一代进去算。