三项式展开式系数的求解策略

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  在二项式定理的内容中,经常涉及三项式展开式的问题,如求三项式展开式中的某一项或某一项的系数等. 对特殊类型的三项式而言,可转化为二项式问题求解,而对于一般三项式,则问题显得较为复杂. 本文将通过具体例子来说明三项式展开式问题的求解方法,并在二项式展开式问题的基础上,推广得出求三项式展开式中系数问题的一般方法.
  转化为二项式求解
  例1 求[(x2+1x+2)5]的展开式中的常数项.
  解析 方法一:∵[(x2+1x+2)5]=[[12(x+2x)2]5=2-5×(x+2x)10],
  其通项为[Tr+1=Cr10·xr2-10-r2·210-r2].
  令[r2-10-r2=0],解得,[r=5].
  ∴所求常数项为[2-5·C510·252=6322].
  方法二:∵[(x2+1x+2)5]=[(x2+22x+22x)5=[(x+2)2]5(2x)5=(x+2)10(2x)5],
  对于二项式[(x+2)10],其通项为[Tr+1=Cr10·x10-r·2r2],要得到原展开式中的常数项,则只须[10-r=5],即[r=5].
  ∴所求常数项为[C510·25225=6322].
  点拨 求三项式展开式中的系数问题,其解题的关键是利用转化思想方法,将三项式转化为二项式问题求解. 上述方法一和方法二对特殊类型的三项式来说,是较实用又简捷的一种思考方法,但对一般的三项式来说却行不通,需另行他法.
  例2 求[(x-1+1x)5]的展开式中含[x]的项.
  解析 ∵[(x-1+1x)5=1x5[(x2-x)+1]5],
  ∴要求展开式中含[x]的项,只须求[[(x2-x)+1]5]中含[x6]的项.
  ∵[[(x2-x)+1]5][=(x2-x)5+5(x2-x)4+10(x2-x)3+10(x2-x)2+5(x2-x)+1],
  ∴只有[(x2-x)5],[5(x2-x)4]和[10(x2-x)3]中才有可能含有[x6]的项.
  又[(x2-x)5=x5(x-1)5]的展开式中[x6]的系数为[C45=5],
  [5(x2-x)4=5x4(x-1)4]的展开式中[x6]的系数为[5C24=30],
  [10(x2-x)3=10x3(x-1)3]的展开式中[x6]的系数为10,
  ∴[(x-1+1x)5]展开式中含[x]的项为[(5+30+10)x=][45x].
  点拨 显然,对此例用例1中的两种方法求解是较复杂的,对此,不妨将其变形、展开,再转化为二项式的情形求解. 另外,此例也可转化为[(x-1+1x)5=][[x2+(1-x)]5x5],再展开求解. 同学们不妨试一试,看能否找到解题的“捷径”.
  回归定义(或课本)求解
  例3 题目见例2.
  解析 ∵[(x-1+1x)5]可看作五个[(x-1+1x)]相乘,由多项式乘法法则,从以上五个括号中一个括号内取[x],其他四个括号内取常数项,则积为[x]的一次项,此时系数为[C15?1?C44(-1)4=5].
  同理,从以上五个括号中两个括号内取[x],一个括号内取[1x],两个括号内取常数项,其积也为[x]的一次项,此时系数为[C25?C13?C22(-1)2=30].
  再从以上五个括号中三个括号内取[x],两个括号内取[1x],其积也为[x]的一次项,此时系数为[C35?C22=10].
  综上知,展开式中含[x]的项为[(5+30+10)x=45x].
  点拨 上述方法实际上是一种“回归法”,即回归到课本中的定义、概念上去,通过对定义、概念等的透彻理解,从而得到解题的方法. 此种方法在数学解题中非常重要,应深刻领会,熟练掌握.
  例4 求[(x2+3x-1)9·(2x+1)4]展开式中含[x2]的项的系数.
  解析 由题意得,前一式子中的[x2]、[3x]及后一式子中的[2x]取出的个数有以下几种情况:1,0,0;0,2,0;0,1,1;0,0,2.
  所以展开式中含[x2]的项为
  [C19x2C88(-1)8C44+C29(3x)2C77(-1)7C44+C19(3x)1C88(-1)8C14(2x)C33+]
  [+C99(-1)9C24(2x)2C22=-123x2].
  故展开式中含[x2]的项的系数为-123.
  点拨 显然,此例转化为二项式问题求解是很困难的. 为此,考虑用回归课本的方法求解则较为方便. 注意,回归课本并不是要拘泥于教材,而是在充分理解的基础上熟练地驾驭教材,并用“另一双眼睛”去解读和处理教材,读出“味道”,“用活”知识,“构建”网络,从而达到提升能力之目的.
  利用公式(定理)求解
  我们知道,二项式[(a+b)n]的展开式的通项为[Tr+1=Crnan-rbr]. 令[p+r=n],则[Tr+1=Crnapbr],其系数[Crn=n!r!(n-r)!=n!p!r!]. 由此得到如下结论:[(a+b)n]的展开式中含[apbr]的系数为[n!p!r!],其中[p],[r∈N],且[p+r=n]. 将此结论推广,可得到如下定理:
  定理 [(a+b+c)n]的展开式中含[apbqcr]项的系数为[n!p!q!r!],其中[p],[q],[r∈N],且[p+q+r=n]. (证明略)
  例5 求[(x+y2-2z)8]展开式中含[x6yz]项的系数.
  解析 由定理知,[p=6],[q=r=1],则所求系数为[8!6!1!1!·(12)1(-2)1=-56].
  点拨 此例属一般三项式问题,可直接用定理求解.
  对于更一般的三项式,有以下的推论.
  推论 三项式[(axt+bxk+c)n]的展开式中含[xm]的系数为[n!p!q!r!apbqcr],其中[p],[q],[r∈N],[tp+kq=m],且[p+q+r=n](∑表示对所有的[p],[q],[r]求和). (证明略)
  例6 (1)求[(1+x+x2)8]的展开式中[x5]的系数;
  (2)求[(|x|+1x-2)3]的展开式中的常数项.
  解析 (1)由推论得,[p+q+r=8,q+2r=5,]
  即[p=3,q=5,r=0,]或[p=4,q=3,r=1,]或[p=5,q=1,r=2.]
  ∴展开式中[x5]的系数为
  [8!p!q!r!=8!3!5!0!+8!4!3!1!+8!5!1!2!=504].
  (2)由推论得,[p+q+r=3,p-q=0,] 即[p=0,q=0,r=3,]或[p=1,q=1,r=1.]
  ∴展开式中的常数项为
  [3!p!q!r!·(-2)r=3!0!0!3!·(-2)3+3!1!1!1!·(-2)1=-20].
  点拨 (1)中[x5]可看作[1p?xq?(x2)r],由此得[q+2r=5](其中[p+q+r=8]). (2)中要求常数项,可将[(|x|+1x-2)3]中的一般项转化为[|x|p?(|x|-1)q?(-2)r],由题意和推论知,[p+q+r=3],且[p-q=0].
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