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数学 / binomial-coefficient

二项式系数

二项式系数表示从集合中无序选取固定数量元素的方法数,也是二项式幂展开中的系数。

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二项式系数记作 (nk)\binom{n}{k},读作“从 nn 个中选 kk 个”,表示从 nn 个不同对象中选出 kk 个、且不计顺序的方法数。等价地,它表示一个含有 nn 个元素的集合中,含有 kk 个元素的子集的数量。这些数将组合数学与代数联系起来:它们也是二项式定理所描述的展开式中的系数。(discrete.openmathbooks.org)

定义与计数意义

对于满足 0≤k≤n0\leq k\leq n 的非负整数 nn 和 kk,有

(nk)=n!k!(n−k)!,\binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!},

其中 n!n! 表示阶乘,且 0!=10!=1。边界值为

(n0)=(nn)=1.\binom{n}{0}=\binom{n}{n}=1.

对于固定的非负整数 nn,通常将定义扩展为:当 k<0k<0 或 k>nk>n 时,(nk)=0\binom{n}{k}=0。这样,许多恒等式就无需另行讨论边界情况。(dlmf.nist.gov)

阶乘公式可以通过先计算有序选取的方法数来推导:

n(n−1)⋯(n−k+1)=n!(n−k)!.n(n-1)\cdots(n-k+1)=\frac{n!}{(n-k)!}.

每一种无序选取都有 k!k! 种排列,因此在上述计数中出现了 k!k! 次;除以 k!k! 即可消除重复计数。例如,

(52)=5⋅42⋅1=10.\binom{5}{2}=\frac{5\cdot4}{2\cdot1}=10.

因此,五个人可以组成十个不同的两人委员会。这一计数解释要求对象彼此不同、不能重复选取,且选取顺序不影响结果。(discrete.openmathbooks.org)

二项式展开

对于非负整数 nn,有

(a+b)n=∑k=0n(nk)an−kbk.(a+b)^n=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}a^{n-k}b^k.

要得到 an−kbka^{n-k}b^k,需要在 nn 个因式中恰好从 kk 个因式里选取 bb,从其余因式里选取 aa。这样的选法共有 (nk)\binom{n}{k} 种。例如,

(a+b)4=a4+4a3b+6a2b2+4ab3+b4.(a+b)^4=a^4+4a^3b+6a^2b^2+4ab^3+b^4.

该公式适用于乘法满足交换律的量;对于乘法不满足交换律的矩阵或算子,这一形式通常不成立。(dlmf.nist.gov)

令 a=1a=1,可得生成函数

∑k=0n(nk)xk=(1+x)n,\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}x^k=(1+x)^n,

这是一个多项式,其各项系数记录了不同大小的子集的数量。(dlmf.nist.gov)

帕斯卡三角形与递推关系

按上标排列二项式系数,就得到帕斯卡三角形,其行号从零开始:

n=01n=111n=2121n=31331n=414641n=515101051\begin{array}{c|rrrrrr} n=0&1\\ n=1&1&1\\ n=2&1&2&1\\ n=3&1&3&3&1\\ n=4&1&4&6&4&1\\ n=5&1&5&10&10&5&1 \end{array}

三角形内部的数满足帕斯卡递推关系:

(nk)=(n−1k−1)+(n−1k).\binom{n}{k} = \binom{n-1}{k-1}+\binom{n-1}{k}.

证明时,先指定一个对象。选取 kk 个对象时,要么包含该对象,此时还需从其余 n−1n-1 个对象中选出 k−1k-1 个;要么不包含该对象,此时需从其余对象中选出 kk 个。这两种情况互不重叠,且涵盖了所有可能。(discrete.openmathbooks.org)

这一三角形的历史早于帕斯卡的研究:印度、中国和伊斯兰数学传统中都曾出现过更早的形式。帕斯卡在十七世纪的研究发展了它的性质与应用,而非首次提出这一数表。(opentext.uleth.ca)

基本恒等式

将每个选取结果与其补集配对,即可得到对称性:

(nk)=(nn−k).\binom{n}{k}=\binom{n}{n-k}.

行和

∑k=0n(nk)=2n\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}=2^n

计算的是所有子集的数量,等价地说,就是幂集中所有元素的数量。交错行和为

∑k=0n(−1)k(nk)=0(n≥1).\sum_{k=0}^{n}(-1)^k\binom{n}{k}=0 \qquad(n\geq1).

这两个求和公式也可通过分别在 (1+x)n(1+x)^n 中代入 x=1x=1 和 x=−1x=-1 得到。(dlmf.nist.gov)

范德蒙德恒等式为

∑j=0r(mj)(nr−j)=(m+nr).\sum_{j=0}^{r}\binom{m}{j}\binom{n}{r-j} =\binom{m+n}{r}.

它计算从两个不相交的集合中共选出 rr 个元素的方法数,具体做法是按选出的元素中有多少个来自第一个集合来分类计数。(dlmf.nist.gov)

在概率与路径计数中的应用

在概率中,二项分布描述的是 nn 次独立试验中的成功次数 XX,其中每次试验的成功概率均为 pp。它的概率质量函数为

Pr⁡(X=k)=(nk)pk(1−p)n−k,0≤k≤n.\Pr(X=k)=\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}, \qquad 0\leq k\leq n.

其中,二项式系数计算的是成功发生在哪 kk 次试验中的可能安排数;其余因子则给出每一种此类结果安排的概率。(statslab.cam.ac.uk)

二项式系数也用于计算格点路径的数量。从 (0,0)(0,0) 到 (a,b)(a,b) 的路径,若每一步只能向右或向上移动一个单位,则共有 a+ba+b 步。选择其中 bb 个向上步所在的位置,可得路径总数为

(a+bb).\binom{a+b}{b}.

若有禁止经过某些点或越过某些边界等限制,则需要额外的计数论证。(dlmf.nist.gov)

计算与数值限制

计算单个二项式系数时,可采用连乘方法,避免计算三个阶乘。令 r=min⁡(k,n−k)r=\min(k,n-k),则

(nk)=∏i=1rn−r+ii.\binom{n}{k} =\prod_{i=1}^{r}\frac{n-r+i}{i}.

从 c=1c=1 开始,按

c←c(n−r+i)ic\leftarrow\frac{c(n-r+i)}{i}

更新;若采用精确运算,每一步更新后得到的都是整数。不过,即使最终系数没有超出定长整数的表示范围,中间的乘法结果仍可能溢出。在乘法之前约去公因子可以降低这种风险。(commons.apache.org)

若需要计算许多相邻的系数,可以利用帕斯卡递推关系,通过加法进行动态规划计算。直接计算阶乘在数学上是正确的,但可能产生不必要的大中间值;因此,精确整数计算与近似数值计算是两类不同的计算任务。(discrete.openmathbooks.org)

广义系数

对于复数 α\alpha 和非负整数 kk,广义二项式系数定义为

(αk)=α(α−1)⋯(α−k+1)k!,(α0)=1.\binom{\alpha}{k} = \frac{\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-k+1)}{k!}, \qquad \binom{\alpha}{0}=1.

当 kk 固定时,这是关于 α\alpha 的多项式。当 α\alpha 为非负整数时,它与普通二项式系数一致;但在其他情况下,它不一定具有计数意义。(dlmf.nist.gov)

这些系数出现在广义二项式幂级数中:

(1+x)α=∑k=0∞(αk)xk,∣x∣<1,(1+x)^\alpha =\sum_{k=0}^{\infty}\binom{\alpha}{k}x^k, \qquad |x|<1,

这里取在 x=0x=0 附近解析的分支。当 α\alpha 为非负整数时,该级数会终止,成为通常的有限展开式。(dlmf.nist.gov)

另一种推广是多项式系数:

(nk1,…,ks)=n!k1!⋯ks!,k1+⋯+ks=n.\binom{n}{k_1,\ldots,k_s} =\frac{n!}{k_1!\cdots k_s!}, \qquad k_1+\cdots+k_s=n.

它计算的是将 nn 个不同对象分配到各个有标号的组中、且各组大小已指定时的分配方法数。二项式系数就是其中只有两组的情形。(dlmf.nist.gov)

参考来源

  1. Binomial Coefficientsdiscrete.openmathbooks.org
  2. DLMF: §1.2 Elementary Algebradlmf.nist.gov
  3. DLMF: §26.3 Lattice Paths: Binomial Coefficientsdlmf.nist.gov
  4. The Arithmetic Triangle (Pascal's Triangle)opentext.uleth.ca
  5. BinomialCoefficient.javacommons.apache.org
  6. DLMF: §4.6 Power Seriesdlmf.nist.gov
  7. DLMF: §26.4 Lattice Paths: Multinomial Coefficients and Set Partitionsdlmf.nist.gov