Question

牛顿二项式定理谁知道

Answer 1

对于牛顿非凡的发现,我们在此只能略窥一斑.我们首先介绍牛顿的第一大数学发现——二项式定理.虽然按照欧几里得或阿基米德的概念来说,这不是一条“定理”,因为牛顿没有提供完整的证明.但是,他的见识和直觉足以使他发明出这一恰当而准确的公式,并且,我们将看到,他是如何以一种最奇妙的方式应用这一公式的.
二项式定理论述了(a＋b)n的展开式.人们只要有初步的代数知识和足够的毅力,便可以得到如下公式,
(a＋b)2＝a2＋2ab＋b2
(a＋b)3＝a3＋3a2b＋3ab2＋b3
(a＋b)4＝a4＋4a3b＋6a2b2＋4ab3＋b4
等等.对于(a＋b)12,人们显然希望不必经由(a＋b)十几次自乘的冗长计算,就能够发现其展开式中a7b5的系数.早在牛顿出生之前很久,人们便已提出并解决了二项式的展开式问题.中国数学家杨辉早在13世纪就发现了二项式的秘密,但他的著作直到近代才为欧洲人所知.维埃特在其《分析术引论》前言的命题XI中也同样论证了二项式问题.但这一伟大发现通常是以布莱兹·帕斯卡的名字命名的.帕斯卡注意到,二项式的系数可以很容易地从我们现在称为“帕斯卡三角”的排列中得到：
1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 4 1
1 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
1 7 21 35 35 21 7 1
等等
在这个三角形中,每一个新增数字都等于其上左右两个数字之和.因此,根据帕斯卡三角,下一行的数值为
1 8 28 56 70 56 28 8 1
例如,表值56就等于其上左右两个数字21＋35之和.
帕斯卡三角与（a＋b）8展开式之间的联系是非常直接的,因为三角形的最后一行数值为我们提供了必要的系数,即
（a＋b）8＝a8＋8a7b＋28a6b2＋56a5b3
＋70a4b4＋56a3b5＋28a2b6＋8ab7＋b8
我们只要将三角形的数值再向下延伸几行,就可以得到（a＋b）12展开式中a7b5的系数为792.所以,帕斯卡三角的实用性是非常明显的.
年轻的牛顿经过对二项展开式的研究,发明了一个能够直接导出二项式系数的公式,而不必再繁琐地延伸三角形到所需要的那行了.并且,他对模式的持续性的固有信念使他认为,能够正确推导出诸如(a＋b)2或(a＋b)3
这种形式的二项式.
关于分数指数和负数指数问题,在此还需多说一句.我们知道,在初等
这些关系.
以下所列牛顿的二项展开式公式是他在1676年写给其同时代伟人戈特弗里德·威廉·莱布尼兹的一封信中阐明的（此信经由皇家学会的亨利·奥尔登伯格转交）.牛顿写道：
项式的“指数是整数还是（比如说）分数,是正数还是负数”的问题.公式中的A、B、C等表示展开式中该字母所在项的前一项.
对于那些见过现代形式的二项展开式的读者来说,牛顿的公式可能显得过于复杂和陌生.但只要仔细研究一下,就可以解决读者的任何疑问.我们首先来看,
出
也许,这种形式看起来就比较熟悉了.
我们不妨应用牛顿的公式来解一些具体例题.例如,在展开(1＋x)3时,
这恰恰就是帕斯卡三角的非列系数.并且,由于我们的原指数是正整数3,所以,展开式到第四项结束.
但是,当指数是负数时,又有一个完全不同的情况摆在牛顿面前.例如,展开(1＋x)－3,根据牛顿公式,我们得到
或简化为
方程右边永远没有终止.应用负指数定义,这一方程就成为
或其等价方程
牛顿将上式交叉相乘并消去同类项,证实
（1＋3x＋3x2＋x3）（1＋3x＋6x2－10x3＋15x4－……）＝1
牛顿用等式右边的无穷级数自乘,也就是求这无穷级数的平方,以检验这一貌似奇特的公式,其结果如下：
所以
这就证实了
与牛顿原推导结果相同.
牛顿写道；“用这一定理进行开方运算非常简便.”例如,假设我们求
现在,将等式右边的平方根代入前面标有（）符号的二项展开式中的前6项,当然,此处要用29替换原公式中的x,因而,我
了前6个常数项.如果我们取二项展开式中更多的项,我们就会得到更加精确的近似值.并且,我们还可以用同样的方法求出三次根、四次根,等等,
续演算.
别奇怪的.而真正令人吃惊的是,牛顿的二项式定理精确地告诉我们应该采用哪些分数,而这些分数则是以一种完全机械的方式得出的,无须任何特殊的见解与机巧.这显然是一个求任何次方根的有效而巧妙的方法.
二项式定理是我们即将讨论的伟大定理的两个必要前提之一.另一个前提是牛顿的逆流数,也就是我们今天所说的积分.但是,对逆流数的详尽说明属于微积分问题,超出了本书的范围.然而,我们可以用牛顿的话来阐述其重要定理,并举一两个例子来加以说明.
牛顿在1669年中撰著的《运用无穷多项方程的分析学》一书中提出了逆流数问题,但这部论著直到1711年才发表.这是牛顿第一次提出逆流数问题,他将他的这部论文交给几个数学同事传阅.比如,我们知道,艾萨克·巴罗就曾看到过这部论文,他在1669年7月20日给他一个熟人的信里写道：“……我的一个朋友……在这些问题上很有天分,他曾带给我几篇论文.”巴罗或《分析学》一书的任何其他读者遇到的第一个法则如下.
设任意曲线AD的底边为AB,其垂直纵边为BD,设AB＝x,
BD＝y,并设a、b、c等为已知量,m和n为整数.则：
到x点之内的图形的面积.根据牛顿法则,这一图形的面积为
按照牛顿公式,面积为12x2,对这一结果,可以很容易地用三角形面积公式
牛顿又进一步说明了《分析学》一书的法则2,“如果y值是由几项之和组成的,那么,其面积也同样等于每一项面积之和.”例如,他写道,曲
那么,牛顿所采用的两个工具就是：二项式定理和求一定曲线下面积的流数法.他运用这两个工具,可以得心应手地解决许多复杂的数学与物理问题,而我们将要看到的是牛顿如何应用这两个工具,使一个古老的问题获得了全新的生命：计算π的近似值.我们在第四章的后记中,追溯了这一著名数字的某些历史,确认了某些学者,如阿基米德、韦达和卢道尔夫·冯瑟伦在计算更精确的π近似值方面所作出的贡献.1670年左右,这个问题引起了艾萨克·牛顿的注意.他运用他奇妙的新方法,对这一古老问题进行研究,并取得了辉煌的成就.