理论教育 揭秘杨辉三角的高次开方运算之谜

揭秘杨辉三角的高次开方运算之谜

时间:2023-07-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:杨辉三角形,又称贾宪三角形、帕斯卡三角形,是二项式系数在三角形中的一种几何排列。故此,杨辉三角又被称为“贾宪三角”。杨辉三角形同时对应于二项式定理的系数。可用此性质写出整个杨辉三角形。杨辉三角的研究来源于一个小故事。与杨辉三角联系最紧密的是二项式乘方展开式的系数规律,即二项式定理。用系数通项公式来计算,称为“式算”;用杨辉三角形来计算,称作“图算”。

揭秘杨辉三角的高次开方运算之谜

周末,美美请了几个同学来家里做客,同学们来了之后,爸爸妈妈热情地招待,几位同学也很礼貌,一进门之后,就做自我介绍,其中有个同学说:“叔叔阿姨,我叫杨辉,坐在周美美后面,是数学课代表。”

“是吗?你叫杨辉?还是数学课代表?”

“是啊,叔叔。”

“古代,有个数学家也叫杨辉呢,著名的杨辉三角,你们知道吗?”

“不知道,什么是杨辉三角呢?”

杨辉三角形,又称贾宪三角形、帕斯卡三角形,是二项式系数在三角形中的一种几何排列。

北宋人贾宪约公元1050年首先使用“贾宪三角”进行高次开方运算。

杨辉,字谦光,南宋时期杭州人。在他公元1261年所著的《详解九章算法》一书中,辑录了如上所示的三角形数表,称之为“开方作法本源”图,并说明此表引自11世纪中叶贾宪的《释锁算术》,并绘画了“古法七乘方图”。故此,杨辉三角又被称为“贾宪三角”。

杨辉三角形同时对应于二项式定理的系数。n次的二项式系数对应杨辉三角形的n+1行。

例如,2次的二项式正好对应杨辉三角形第3行系数121。

杨辉三角以正整数构成,数字左右对称,每行由1开始逐渐变大,然后变小,回到1。

第n行的数字个数为n个。

第n行的第k个数字为组合数。

第n行数字和为2n-1。

除每行最左侧与最右侧的数字以外,每个数字等于它的左上方与右上方两个数字之和(也就是说,第n行第k个数字等于第n-1行的第k-1个数字与第k个数字的和)。这是因为有组合恒等式。可用此性质写出整个杨辉三角形。

杨辉三角的研究来源于一个小故事。

当时杨辉是台州的地方官,一次外出巡游,碰到一孩童挡道,杨辉问明原因方知是一孩童在做一道数学算题,杨辉一听来了兴趣,下轿来到孩童旁问是什么算题。原来,这个孩童在算一位老先生出的一道趣题:把1到9的数字分行排列,不论竖着加、横着加,还是斜着加,结果都要等于15。(www.daowen.com)

杨辉看到这个算题时想起来他在西汉学者戴德编纂的《大戴礼》一书中也见过。杨辉想到这儿,和孩童一起算了起来,直到午后,两人终于将算式摆出来了。

后来,杨辉随孩童来到老先生家里,与老先生谈论起数学问题来。老先生说:“北周的甄弯注《数术记遗》一书中写过‘九宫者,二四为肩,六八为足,左三右七,戴九履一,五居中央。’”杨辉听了,这与自己与孩童摆出来的完全一样。便问老先生:“你可知这个九宫图是如何造出来的?”老先生说不知道。

杨辉回到家中,反复琢磨。一天,他终于发现一条规律,并总结成四句话:“九子斜排,上下对易,左右相更,四维挺出。”就是说:先把1~9九个数依次斜排,再把上1下9两数对调,左7右3两数对调,最后把四面的2、4、6、8向外面挺出,这样三阶幻方就填好了。

杨辉研究出三阶幻方(也叫络书或九宫图)的构造方法后,又系统地研究了四阶幻方至十阶幻方。在这几种幻方中,杨辉只给出了三阶、四阶幻方构造方法的说明,四阶以上幻方,杨辉只画出图形而未留下作法。但他所画的五阶、六阶乃至十阶幻方全都准确无误,可见他已经掌握了高阶幻方的构成规律。

与杨辉三角联系最紧密的是二项式乘方展开式的系数规律,即二项式定理。

例如,在杨辉三角中,第3行的三个数恰好对应着两数和的平方的展开式的每一项的系数

即(a+b)2=a2+2ab+b2

第4行的四个数恰好依次对应两数和的立方的展开式的每一项的系数

即(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3

以此类推。

又因为性质6:第n行的m个数可表示为C(n-1,m-1),即为从n-1个不同元素中取m-1个元素的组合数。因此可得出二项式定理的公式为:(a+b)n=C(n,0)an×bo+C(n,1)a^(n-1)×b1+...+C(n,r)a^(n-r)×b^r...+C(n,n)ao×bn

因此,二项式定理与杨辉三角形是一对天然的数形趣遇,它把数形结合带进了计算数学。求二项式展开式系数的问题,实际上是一种组合数的计算问题。用系数通项公式来计算,称为“式算”;用杨辉三角形来计算,称作“图算”。

简单说就是两个未知数和的幂次方运算后的系数问题,比如(x+y)2=x2+2xy+y2,这样系数就是1,2,1这就是杨辉三角的其中一行,立方,四次方,运算的结果看看各项的系数。

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杨辉三角形,又称贾宪三角形、帕斯卡三角形,是二项式系数在三角形中的一种几何排列。在我国南宋数学家杨辉所著的《详解九章算术》(1261年)一书中用如图的三角形解释二项和的乘方规律。

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