Kvant

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算术
二项式
ODDS

D.B.福克斯,M.B.福克斯

(1+x)2=1+2x+x2(1+x)^2=1+2x+x^2
(1+x)3=1+3x+3x2+x3(1+x)^3=1+3x+3x^2+x^3

任何小学生都知道这些公式。数字 1、2、1; 1, 3, 3, 1,以及以类似方式获得的数字的 4, 5, … 次方,称为生物项系数。本文讨论生物系数的各种属性。第一段阐述了“一般理论”:这里证明的大部分定理也包含在学校课程中。在第二段中,我们将展示如何在将任何生物系数除以任何素数时轻松找到余数。本段中的一些陈述是作为假设提出的。也许读者«Kvant»会尝试证明它们。

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§ 1. 二项式系数的定义和最简单的性质

如果二项式(二项式)1+x1+x用某种自然幂nn进行加权,那么显然,结果是一个nn次数的多项式(即xx出现在该多项式中的最高次数将等于nn)。例如:

(1+x)0=1,(1+x)^0 = 1,
(1+x)1=1+x,(1+x)^1 = 1+x,
(1+x)2=1+2x+x2,(1+x)^2 = 1+2x+x^2,
(1+x)3=1+3x+3x2+x3,(1+x)^3 = 1+3x+3x^2+x^3,
(1+x)4=1+4x+6x2+4x3+x4,(1+x)^4 = 1+4x+6x^2+4x^3+x^4,
(1+x)5=1+5x+10x2+10x3+(1+x)^5 = 1+5x+10x^2+10x^3+
+5x4+x5,+5x^4+x^5,

这些多项式的系数称为二项式。它们有特殊的符号:(1+x)n(1+x)^n中xmx^m的系数用CnmC_n^m表示。例如,C21=2C_2^1=2、C42=6C_4^2=6、C53=10C_5^3=10。在旧的代数教科书中,数字CnmC_n^m被称为“nn到mm的组合数”。这是有原因的,但我们没有

从这里很容易得到

(a+x)n=Cn0an+Cn1an−1x…(a+x)^n = C_n^0a^n + C_n^1a^{n-1}x\ldots
…+Cnnxn\ldots + C_n^nx^n

(将公式(1)应用于(1+x)an(1+x)a^n的计算并将所得等式两边乘以ana^n就足够了)。最后一个公式称为牛顿二项式。因此,系数被称为“二项式”。

显然,CnmC_n^m是非负整数,Cnm=0C_n^m=0对应m>nm>n(多项式(1+x)n(1+x)^n的次数为nn,xmx^m和m>nm>n不包含在其中)。很容易进一步验证Cn0=Cn1=1C_n^0=C_n^1=1。其他二项式系数 CnmC_n^m(其中 0<m<n0<m<n)可以通过 1+x1+x 的各种幂得到。表中给出了 n⩽10n\leqslant10 的值。

我们看到二项式系数增长得相当快。细心的读者会注意到这些数字的排列有多种模式。通常,这种模式很容易从二项式系数的定义中导出。我们在这里仅证明主要的。让我们从最重要的开始——所谓的帕斯卡恒等式。

我们将在其中强调:对我们来说这并不重要。所以,

(1+x)n=Cn0+Cn1x+Cn2x2+…(1+x)^n = C_n^0+C_n^1x+C_n^2x^2+\ldots
…+Cnnxn.\ldots +C_n^nx^n.

(1)

定理 1(帕斯卡恒等式)。

Cnm=Cn−1m+Cn−1m−1C_n^m = C_{n-1}^m+C_{n-1}^{m-1}

(2)

对于任何自然n,mn, m。

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证明。根据定义,CnmC_n^m是多项式(1+x)n(1+x)^n中xmx^m的系数。为了找到这个系数,您需要乘以等于 1+x1+x 的 nn 多项式。将它们相乘n−1n-1,我们得到多项式1+Cn−11x+Cn−12x2+⋯+xn−11+C_{n-1}^1x + C_{n-1}^2x^2 + \dots + x^{n-1}。执行最后一个乘法,我们得到

(1+x)(1+Cn−11x+Cn−12x2+⋯+xn−1)=1+Cn−11x+Cn−12x2+⋯+xn−1+x+Cn−11x2+Cn−12x3+⋯+xn=1+(Cn−11+1)x+(Cn−12+Cn−11)x2+⋯+xn.(1+x)(1+C_{n-1}^1x + C_{n-1}^2x^2 + \dots + x^{n-1}) = 1 + C_{n-1}^1x + C_{n-1}^2x^2 + \dots + x^{n-1} + x + C_{n-1}^1x^2 + C_{n-1}^2x^3 + \dots + x^n = 1 + (C_{n-1}^1 + 1)x + (C_{n-1}^2 + C_{n-1}^1)x^2 + \dots + x^n.

在结果表达式中,xmx^m的系数等于Cn−1m+Cn−1m−1C_{n-1}^m + C_{n-1}^{m-1}。因此,

Cnm=Cn−1m+Cn−1m−1.C_n^m = C_{n-1}^m + C_{n-1}^{m-1}.

帕斯卡恒等式可以方便地用于计算生物系数。例如,如果我们想在表中再添加一行(第十一行),那么我们只需将上一行(第十行)中相邻的数字成对添加即可:

C110=1C111=C101+C100=11C112=C102+C101=55C113=C103+C102=165C114=C104+C103=330C115=C105+C104=462C_{11}^0 = 1 \quad C_{11}^1 = C_{10}^1 + C_{10}^0 = 11 \quad C_{11}^2 = C_{10}^2 + C_{10}^1 = 55 \quad C_{11}^3 = C_{10}^3 + C_{10}^2 = 165 \quad C_{11}^4 = C_{10}^4 + C_{10}^3 = 330 \quad C_{11}^5 = C_{10}^5 + C_{10}^4 = 462

这说明将生物项系数写成三角表的形式是很方便的(见

3*

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因此,公式(3)对于n=1n=1成立,并且从其对于n−1n-1的有效性可知它对于nn也成立。这证明了对于任意nn的公式(3)。

我们建议初次熟悉公式(3)的读者从中推导出已知的Cn0=Cnn=1C_n^0 = C_n^n = 1和Cnm=0C_n^m = 0对于m>nm>n的等式。

公式(3)很有趣,因为它右边的分数等于一个整数,即它的分母中的所有数字都会与分子中的数字相消。

将进一步使用以下定理。

定理3. 如果数字nn和mm互质(即数字nn和mm的最大公约数为1),则CnmC_n^m能被nn整除。

证明:

Cnm=n(n−1)…(n−m+1)1⋅2…m=nm⋅(n−1)…(n−m+1)1⋅2…(m−1)=nm⋅Cn−1mC_n^m = \frac{n(n-1)\ldots(n-m+1)}{1\cdot2\ldots m} = \frac{n}{m} \cdot \frac{(n-1)\ldots(n-m+1)}{1\cdot2\ldots(m-1)} = \frac{n}{m} \cdot C_{n-1}^m

因此,

mCnm=nCn−1mmC_n^m = nC_{n-1}^m

即数字mCnmmC_n^m可以被nn整除。但由于 mm 和 nn 互质,即 mm 不能被 nn 的任何素因数整除,因此 CnmC_n^m 可以被 nn 整除。

例如,C94=126C_9^4 = 126可以被9整除,C103=120C_{10}^3 = 120可以被10整除。

让我们指出生物系数的更多属性:

  1. Cnm=Cn−1mC_n^m = C_{n-1}^m
  2. Cnm+Cn+1m+…+Cm+km=Cm+k+1mC_n^m + C_{n+1}^m + \ldots + C_{m+k}^m = C_{m+k+1}^m
  3. Cn0+Cn1+…+Cnn=2nC_n^0 + C_n^1 + \ldots + C_n^n = 2^n
  4. Cn0+Cn2+Cn4+…=Cn1+Cn3+Cn5+…C_n^0 + C_n^2 + C_n^4 + \ldots = C_n^1 + C_n^3 + C_n^5 + \ldots

我们将这些性质的证明留给读者。

§ 2. 生物系数除以素数的余数

在本段(以及下一段)中,我们经常需要使用“数字 aa 和 bb 除以 pp 时余数相等”的形式。通常,这种形式被缩写符号“a≡ba \equiv b(modpp)”代替。换句话说,公式“a≡ba \equiv b (mod pp)”意味着a−ba-b可以被pp整除。例如,4≡14 \equiv 1 (mod 3)、999999≡222222999999 \equiv 222222 (mod 7) 等。公式“a≡ba \equiv b (mod pp)”有时读作如下:“数字aa 与数字bb 模pp 相当”(但是,我们也不会使用表达式)。

以下是符号 ≡ 的两个特性:

  1. 如果 a≡ba \equiv b (mod pp) 和 kk 是整数,则 ka≡kbka \equiv kb (mod pp)。

事实上,如果a−ba-b能被pp整除,那么ka−kb=k(a−b)ka-kb = k(a-b)也能被pp整除。

  1. 如果 a≡ba \equiv b (mod pp) 和 b≡cb \equiv c (mod pp),则a≡ca \equiv c (mod pp)。

事实上,如果a−ba-b能被pp整除并且b−cb-c能被pp整除,那么a−c=(a−b)+(b−c)a-c = (a-b)+(b-c)也能被pp整除。

让我们回想一下,任何自然数aa都可以除以自然数pp“有余数”,即aa可以唯一地写成a=bp+ca=bp+c的形式,其中bb,cc是整数,使得0≤c<p0 \leq c < p。

本节的主要目标是证明以下陈述。

定理4.设pp为素数,mm和nn为自然数。此外,令kk和ll为数字mm和nn除以pp的部分,ss和tt为余数(即m=kp+sm=kp+s、n=lp+tn=lp+t,其中kk、 ll、ss、tt 为整数,0≤s<p0 \leq s < p、0≤t<p0 \leq t < p)。然后

Cn∗=Cl∗⋅Cs∗(modp).C_n^* = C_l^* \cdot C_s^* \pmod p.

正如我们将在下面看到的,该定理使我们能够找到生物系数除以素数的余数,几乎无需执行任何计算。

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这样C11933≡0C_{119}^{33} \equiv 0 (mod 3),即C11933C_{119}^{33}可以被3整除而没有余数。

请注意,如果我们将定理 4 应用于 CnmC_n^m,其中 n≥mn \geq m,那么通过写出 m=kp+sm = kp + s,n=lp+tn = lp + t,我们当然会得到 l≥kl \geq k;然而,无法预测ss、tt 哪个数字更大。如果有s>ts > t,那么根据我们的定理Cnm≡ClkCst=0C_n^m \equiv C_l^k C_s^t = 0 (mod pp),即CnmC_n^m能被pp整除。正如我们所看到的,为了确定数字CnmC_n^m除以pp的余数,通常需要多次使用定理4;每当类似上述的现象发生时,每当这种情况发生时,这意味着类似的数字CnmC_n^m可以被pp整除。同样,我们得到C11933C_{119}^{33}可以被3整除。

我们看到,nn越大,CnmC_n^m越有可能被pp整除。很容易证明以下更精确的说法:CnmC_n^m和0≤n≤pr0 \leq n \leq p^r、0≤m≤n0 \leq m \leq n的数字总数还有pr(pr+1)2\frac{p^r (p^r + 1)}{2},其中不能被pp整除的正好是pr(p+1)r2r\frac{p^r (p + 1)^r}{2^r}(这里pp很简单,rr很自然;证明仅基于定理3,我们留下给读者)。需要强调的是,对于大rr,数字pr(p+1)r2r\frac{p^r (p + 1)^r}{2^r}比数字pr(pr+1)2\frac{p^r (p^r + 1)}{2}小许多倍。

例如,在数字 CnmC_n^m 和 0≤n≤350 \leq n \leq 3^5、0≤m≤n0 \leq m \leq n 中,大约有 26.2% 不能被 3 整除;如果0≤n≤3100 \leq n \leq 3^{10},则约为3.6%,如果0≤n≤3150 \leq n \leq 3^{15},则约为0.45%。

最后,我们来说说定理 4 的视觉解释的权重,它可以通过考虑所谓的“根据 pp 模型的帕斯卡三角形”来获得。这是从帕斯卡三角形中得到的三角表的名称,如果其中的每个数字被除以 pp 时的余数替换。我们不证明关于这个三角形的任何定理,但我们邀请读者看两张描绘帕斯卡三角形模 2 和 3 的图片(封面上和第 22 页)。想想这些三角形在 图 上看不到的部分是如何排列的。尝试将定理 4 表述为关于帕斯卡三角形模 pp 结构的定理。

§ 3. 关于生物系数除以素数幂的余数的一些知识

我们不以任何一般方式考虑将生物系数除以合数的余数问题。 (不过,读者可以自己思考一下;例如,数字C11933C_{119}^{33}除以4的余数是多少:一或trem?)我们将仅限于谈论一个我们尚未完全解释的惊人现象。

让我们从一些计算开始。使用生物系数公式(参见§1,公式(2)),我们得到

C21=2,C_2^1 = 2,
C42=6,C_4^2 = 6,
C84=70,C_8^4 = 70,
C168=12870,C_{16}^8 = 12870,
C3216=601080390.C_{32}^16 = 601080390.

(当然,每个人都知道 1、2、4、8、16、32…是 2 的连续幂。)结果数字本身不应该以任何特殊方式使用;然而,它们的连续差异揭示了惊人的特性。让我们看看它们:

6−2=4=22,6 - 2 = 4 = 2^2,
70−6=64=26,70 - 6 = 64 = 2^6,
12870−70=12800=29⋅25,12870 - 70 = 12800 = 2^9 \cdot 25,

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running_head:
folio:

601 080 390−12 870=601 067 520=212⋅146 745.601\ 080\ 390 - 12\ 870 = 601\ 067\ 520 = 2^{12} \cdot 146\ 745.

我们看到这些差异被分成了二的高次方——大到这种现象不会造成伤害。有可能证明一个至少部分解释它的定理。

定理 5. 如果 n>1n > 1,则数
αn=C2n+12n−C2n2n−1\alpha_n = C_{2n+1}^{2n} - C_{2n}^{2n-1}
能被22n+22^{2n+2}整除。

扫地。
1°。假设 n>1n > 1 显着,因为 α1\alpha_1 等于 4 并且不能被 22n+2=24=162^{2n+2} = 2^4 = 16 整除。
2°。人们可能认为n>1n > 1的αn\alpha_n甚至可以被23n2^{3n}整除:对于n=2,3,4n = 2, 3, 4也是如此。但我们不知道如何证明这一点。

证明。让我们从一般观察开始,如果数字 rr 是奇数,则 C2nrC_{2n}^{r} 可以被 2n2^n 整除。事实上,由于 rr 是奇数,并且 2n2^n 除了 2 之外没有素因数,因此数字 rr 和 2n2^n 是互质的,我们需要的陈述来自定理 3。

让我们把理论
P(x)=(1+x)2n+1−(1−x2)2n.P(x) = (1+x)^{2n+1} - (1-x^2)^{2n}.

多项式P(x)P(x)包含x2nx^{2n},系数为C2n+12n−C2n2n−1=αnC_{2n+1}^{2n} - C_{2n}^{2n-1} = \alpha_n(这里我们使用n>1n > 1这一事实:当(1−x2)=1+(−x2)(1-x^2) = 1 + (-x^2)出现2n2^n次方时,我们得到系数C2n2n−1C_{2n}^{2n-1}不是x2nx^{2n},而是(-x^2)^{2n-1} = (-1)^{2n-1}x^2^n,而数字(−1)2n−1(-1)^{2n-1}为1 n>1n > 1 且在 n=1n = 1 处等于 −1-1。

另一边,
P(x)=(1+x)2n+1−(1+x)2n=(1+x)2n[(1+x)2n−(1−x)2n].P(x) = (1+x)^{2n+1} - (1+x)^{2n} = (1+x)^{2n}[(1+x)^{2n} - (1-x)^{2n}].

同时
(1+x)2n−(1−x)2n=(1+x)2n−(1+(−x))2n=1+C2n1x+C2n2x2+C2n3x3+⋯+x2n−1−C2n1(−x)−C2n2(−x)2−C2n3(−x)3−⋯−(−x)2n=(1+x)^{2n} - (1-x)^{2n} = (1+x)^{2n} - (1+(-x))^{2n} = 1 + C_{2n}^{1}x + C_{2n}^{2}x^2 + C_{2n}^{3}x^3 + \dots + x^{2n} - 1 - C_{2n}^{1}(-x) - C_{2n}^{2}(-x)^2 - C_{2n}^{3}(-x)^3 - \dots - (-x)^{2n} =
(因为 (−x)k(-x)^k 等于 xkx^k 对于甚至 kk 且相等 −xk-x^k 对于奇数 kk)
=2(C2n1x+C2n3x3+C2n5x5+⋯+C2n2n−1x2n−1).= 2\left(C_{2n}^{1}x + C_{2n}^{3}x^3 + C_{2n}^{5}x^5 + \dots + C_{2n}^{2n-1}x^{2n-1}\right).

我们强调,所得多项式 xx 仅以奇数次幂出现。

我们想知道 x2nx^{2n} 以什么系数进入 P(x)P(x),即进入乘积
(1+x)2n[(1+x)2n−(1−x)2n]=2(1+C2n1x+C2n2x2+C2n3x3+⋯+x2n)×(C2n1x+C2n3x3+C2n5x5+⋯+C2n2n−1x2n−1).(1+x)^{2n}[(1+x)^{2n} - (1-x)^{2n}] = 2\left(1 + C_{2n}^{1}x + C_{2n}^{2}x^2 + C_{2n}^{3}x^3 + \dots + x^{2n}\right) \times \left(C_{2n}^{1}x + C_{2n}^{3}x^3 + C_{2n}^{5}x^5 + \dots + C_{2n}^{2n-1}x^{2n-1}\right).

显然,第一个因子乘以x2n−1x^{2n-1},第二个因子乘以xx,第二个因子乘以x2n−3x^{2n-3},第二个因子乘以x3x^3,等等即可得到x2nx^{2n}。因此,x2nx^{2n}的P(x)P(x)中的系数等于αn\alpha_n,也等于
2(C2n1C2n2n−1+C2n3C2n2n−3+⋯+C2n2n−1C2n1).2\left(C_{2n}^{1}C_{2n}^{2n-1} + C_{2n}^{3}C_{2n}^{2n-3} + \dots + C_{2n}^{2n-1}C_{2n}^{1}\right).

众所周知,每个数字C2n1,C2n3,…,C2n2n−1C_{2n}^{1}, C_{2n}^{3}, \dots, C_{2n}^{2n-1}都可以被2n2^n整除。因此,括号中的每一项都除以2n⋅2n=22n2^n \cdot 2^n = 2^{2n};此外,两者位于整个表达式之前,

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此外,括号中的每个术语出现两次。因此,根据需要,αn\alpha_n 可以被 22n+22^{2n+2}整除。

这样,数αn\alpha_n能被2的高次方整除的奇怪现象就在一定程度上得到了解释。但如果你用三、五、七代替二,就不会观察到类似的情况。真的吗,

C93−C31=84−3=81=34;C_9^3 - C_3^1 = 84 - 3 = 81 = 3^4;

C279−C93=4686825−84=4686741=37⋅2143;C_{27}^9 - C_9^3 = 4686825 - 84 = 4686741 = 3^7 \cdot 2143;

C8127−C279=2306279447501851002720−4686825=2306279447501846315895=310⋅39057044954221855;C_{81}^{27} - C_{27}^9 = 2306279447501851002720 - 4686825 = 2306279447501846315895 = 3^{10} \cdot 39057044954221855;

C255−C51=43130−5=43125=55⋅69;C_{25}^5 - C_5^1 = 43130 - 5 = 43125 = 5^5 \cdot 69;

C497−C71=85900584−7=85900577=75⋅5111.C_{49}^7 - C_7^1 = 85900584 - 7 = 85900577 = 7^5 \cdot 5111.

简而言之,对于素数 pp 来说,这个数字似乎是正确的

Cpn+1pn−Cpnpn−1C_{pn+1}^{p^n} - C_{pn}^{p^n-1}

可以被数字 pp 的高次幂整除。但我们不知道如何证明这一点。

顺便说一句,如果 pp 不是素数,则不会观察到任何此类情况。例如,

C164−C41=1820−4=1816C_{16}^4 - C_4^1 = 1820 - 4 = 1816

甚至不能被424^2整除;

C366−C61=1947792−6=1947786C_{36}^6 - C_6^1 = 1947792 - 6 = 1947786

甚至不能被626^2整除。

我们相信«Kvant»的读者之一能够理解生物系数算术这个复杂的问题。