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必修五之杨辉三角里的等差数列

(2012-04-14 21:28:43)
标签:

杨辉三角

等差数列

级数

分类: 必修五内容

11这个数字,大家应该有感情,著名的光棍节就是了,虽然俺经过努力,成功脱光,不过,每年的哦光棍节俺都不忘记忆一番。不过今天俺们不说光棍节,倒是伟大的科学家们说过这样一句在我看来是相当抽人的一句话:咱们宇宙其实就是11维的,这是什么意思?莫非宇宙是光棍儿们统治的?先不管这个深奥的不得了的东西,我们来看看著名的杨辉三角。
       下面就是杨辉三角,他和二次项定理有很亲密的关系:
                                1
                               1
                              1
                             1
                            1
                    10  10    1
                 15  20  15    1
              21  35  35  21   1
           28  56  70  56  28   1
………………………………………………
       其具体原理大家都知道,那就是每一个数恰和是头上两个数之和。这里要说的,是这个杨辉三角和11的关系:
       杨辉三角的第一行是1,恰是11的零次方;第二行是11,恰是11的一次方;第三行是121,恰是11的平方;第四行是14641,恰是11的三次方;……这就是规律!
       不过慢慢地到后面就不行了,比如第五行,第五行是15101051,而11的五次方=161051。好像不行了也。不过呢,我们前面讲过,这完全是因为十进制的原因,在前面的几行里,每一个数字都是一位数,但是从第五行开始,就有数变成了两位数,这就要发生进位的现象。我们按照这个观点进行一下重新的计算:
       第五行是15101051,他实际上代表的数是:
       1
         5
         10
           10
               5
            1
 ———————
      161051
       而这,恰好就是11的五次方了,后面的更高的几行,也可以按照这个原理来进行。也就是说,杨辉三角的第n行,其实就是11^n,只不过要注意十进制的进位就可以了。
      其实这个结论,完全可以通过二次项定理来证明,在这里就忽略。其实对于杨辉三角,还有很多的奥秘等着我们去发掘。比如,我们可以通过杨辉三角来求一些级数之和,比如我们可以通过杨辉三角查出1+2+3+4+5=15.1+3+6+10=20.这是如何做到的?我们明天继续讲述。昨天我们见识了漂亮的杨辉三角,知道杨辉三角 的每一行其实是和11这个数字有密切关系的。今天我们来看看杨辉三角的一个有趣应用,那就是用之来求一些级数之和。
                                1
                               1
                              1
                             1
                            1
                    10  10    1
                 15  20  15    1
              21  35  35  21   1
           28  56  70  56  28   1
………………………………………………
       比如我现在求级数1+2+3+4+5的和,运用这个杨辉三角就变得很简单:在杨辉三角里找到这个级数,如下图黄色部分所示:
       http://xuefuzi.com/content/uploadfile/201104/86f7e92528e2a1cbd064eed4bdf9b22e20110414140848.jpg
       那么其左下角的15就是所求的和,也就是如图中的红色部分,同样的,要求数列1+2+3+5+6+7,找出来以后,立马就可以得到其和为28,朋友们可以自己找。再如,要求级数1+3+6+10+15,你可以在杨辉三角里找到两个,一个就是和上面图一个方向的,在其左下角的数为35,这个级数的和就为35.如果是反方向的,那么答案就在他的右下角,也是35。朋友们可以自己查找级数1+4+10+20+35的和。
       上面的方法很实用,不过朋友们或许已经发现,还是有所缺陷的,那就是每一个数列只能从1开始加,比如要计算级数6+10+15+21,我们就不能用这个方法计算了。难道这个方法就不适用了吗?非也!我们需要对上面的方法进行改进:
       以计算6+10+15+21为例,我们在杨辉三角里找出这个级数,如下图所示:
       http://xuefuzi.com/content/uploadfile/201104/f47454d1d3644127f42070181a8b9afc20110414142551.jpg
      这个级数左下角的数字为56,按照上面,这个56应该是1+3+6+10+15+21的和,那么如何得到6+10+15+21的和呢?很简单,那就是找到第一个数6,与6相邻并且在同一行的数字4.注意4和56的位置。他们都在级数所在斜行的下方的那一斜行上。如果方向相反,也是这一原理。那么56-4=52就是这个级数之和。咱们按照这样的方法,可以计算5+15+35这个级数的和为56-1=55;3+4+5=15-3=22。还可以举出很多。比如各位朋友可以自己寻找级数10+20+35的和。
       这是杨辉三角的一个很巧的应用,对于他的证明,也完全可以用组合数公式证明。我们初次之外还可以观察这样一个性质:如果我们将从上至下每一个斜行分别按照从小到大的顺序记号,那么第一斜行是一个常数数列,第二斜行是一个以1为公差的等差数列。第三斜行就是一个高阶等差数列……其实,杨辉三角有一个一成不变的等差数列,非常有趣。明天我们继续介绍。

 为了方便,先把已经说了两天的杨辉三角先放出来:
                                1
                               1
                              1
                             1
                            1
                    10  10    1
                 15  20  15    1
              21  35  35  21   1
           28  56  70  56  28   1
………………………………………………
       我们考虑每一个斜行:
       第一个斜行为“1,1,1,……”,这是一个零阶等差数列;
       第二个斜行为“1,2,3,4……”,这是一个一阶等差数列;
       第三个斜行为“1,3,6,10……”,这是一个二阶等差数列;
       第四个斜行为“1,4,10,20……”,这是一个三阶等差数列;
       ………………………………
       第n斜行就是一个n-1阶等差数列。这是杨辉三角里一个很有趣的性质,关于高阶等差数列的概念,各位可以去参考百度百科解释
       除了这些,他还有一个更加有趣的性质,不仅是有高阶等差,而且还有到处都有的等差数列
       http://xuefuzi.com/content/uploadfile/201104/f3ccdd27d2000e3f9255a7e3e2c4880020110415120452.jpg
       如上图,我们选择任意两行,现在考虑下一行中的元素与上一行对应元素的比值,如果差一个,就用0补上,那么这些比值就为:
       1/1,4/5,6/10,4/10,1/5,0/1
        这一个数列有什么性质?这是一个等差数列!
        不仅仅是这仅有的两行,你任取两个相邻行,上行与下行的对应元素之比形成的数列为一等差数列,记住,一定是上一行比上下一行。比如考虑“1,5,10,10,5,1,0(差的就用0补齐)”与“1,6,15,20,15,6,1”两行,其对应元素比值为:1/1,5/6,10/15,10/20,5/15,1/6,0/1.这显然也是一个以-1/6为公差的等差数列。也就是说:
        考虑杨辉三角里的相邻两行,上一行与下一行的对应元素之比构成的数列为等差数列。
        并且我们可以进行量化:考虑第n行与第n+1行,他们所形成的等差数列的公差为-1/n 。当然这个数列的排列顺序要从从左至右依次。
        不仅如此,就算是在斜行里,也有这样的性质:
        http://xuefuzi.com/content/uploadfile/201104/156005c5baf40ff51a327f1c34f2975b20110415123926.jpg
       如上图所示,考虑杨辉三角里的两个相邻斜行。不过这时候就不是上行比上下一行,而是刚好相反,下一行比上上一行。比如图中的两行,其对应元素的比值为:
       1/1,4/3,10/6,20/10,35/15,56/21……
       显然这个是以1/3为公差的等差数列,而且这是一个无穷数列。考虑任意两个相邻的斜行,运用上面的法则,得到的数列一定是一个等差数列。我们同样可以知道,第n斜行与第n+1斜行得到的等差数列的公差为1/n。
       其中美丽之处,足以媲美万千风景,我便是其中一游客,流连忘返。杨辉三角里面的东西,可不止这么多,这完全是一个无穷无尽的宝藏,已经知道的都是几百条,还有一些我们还没有发现,等待我们一起去挖掘。

  出处:学夫子数学博客http://xuefuzi.com

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