請輸入要展開的式子 (Ax+B)ⁿ 的 A、B、n。下方的數學式和輸入欄是連動的,直接改寫數學式也能計算。要展開所有的項,還是只求特定的一項,可以在「要求的內容」中選擇。
這個頁面可以做什麼
- 用二項式定理展開 \((Ax+B)^{n}\)(\(n\) 為 0~12),當場顯示依降冪排列的式子
- 只想知道 \(x^{3}\) 的係數時,可以指定 \(x\) 的指數(或從第一項算起的第幾項),只求那一項
- 只求一項時,也會顯示二項式係數 \(C^{n}_{k}\) 的值,以及代入 \(\dfrac{n!}{k!\,(n-k)!}\) 的計算過程
- 畫出到第 \(n\) 列的巴斯卡三角形,並把用到的那一列標上顏色
- \(A\)、\(B\) 除了小數、負數,也能輸入像 3/4 這樣的分數。係數會保留分數並約分,精確計算
- 淺顯易懂的公式解說,以及可直接複製到 Excel、Google 試算表、Python 的公式,也都整理在這個頁面
這個計算有什麼用?
每次的機率都是 \(p\) 而且不會改變、各次結果互不影響的試驗重複 \(n\) 次時,剛好發生 \(k\) 次的機率是 \(C^{n}_{k} p^{k}(1-p)^{n-k}\)。這正是用二項式定理展開 \((p + (1-p))^n\) 的其中一項,這種機率分布叫做二項分布。
例如從不良率一直是 3% 的生產線抽出 10 個,1 個不良品都沒有的機率是 \(k = 0\) 的項 \(0.97^{10} \approx 0.737\),也就是約 74%。反過來說,檢查 10 個大約有 26% 的機率會發現不良品。決定抽驗個數、估計民調的誤差範圍、判斷新藥是否有效,背後都是同樣的想法。
父母的基因組合都是 \(\mathrm{Aa}\) 時,子代的基因型會以 \(\mathrm{AA} : \mathrm{Aa} : \mathrm{aa} = 1 : 2 : 1\) 的比例出現。這個 1、2、1 是因為父母各以 \(\dfrac{1}{2}\) 的機率傳下 \(\mathrm{A}\) 或 \(\mathrm{a}\):\(\left(\dfrac{1}{2}\mathrm{A} + \dfrac{1}{2}\mathrm{a}\right)^{2} = \dfrac{1}{4}\left(\mathrm{AA} + 2\,\mathrm{Aa} + \mathrm{aa}\right)\),正是二項式係數,和巴斯卡三角形 \(n = 2\) 那一列的數相同。
要看的性狀變多、或依子女人數細分時,手算就很難追蹤了。像「4 個兄弟姊妹中剛好 2 個出現某性狀的機率」這種問題,用二項式定理一步就能算出。品種改良和遺傳諮詢,就是用這種方式估計預期的比例。
以年利率 \(r\) 投資 \(n\) 年的倍率 \((1+r)^{n}\),用二項式定理展開是 \(1 + nr + C^{n}_{2} r^{2} + \cdots\)。前面的 \(1 + nr\) 是單利,後面的部分是「利滾利」。
例如年利率 1%、10 年是 \(1.01^{10} = 1.10462\cdots\),但只取展開的前 3 項 \(1 + 0.1 + 0.0045\) 就得到 1.1045,幾乎一樣。後面的項越來越小,所以很適合用來心算估計。利率、通膨率、人口成長率等每年以相同百分比增加的東西,都是這種形式。
在設計或測量的現場,常需要很快知道「某個量稍微改變時,結果會變多少」。用二項式定理展開後,把很小的平方以上的項捨去,就得到近似式 \((1+x)^{n} \approx 1 + nx\)。
例如正方體每邊長 1% 時,體積變成 \((1+0.01)^{3} = 1.030301\) 倍,也就是約增加 3%。用近似式算是 \(1 + 3 \times 0.01 = 1.03\),幾乎相同。「長度誤差 1%,體積誤差約 3%」這個經驗法則,直接用在訂定零件公差和估計測量誤差上。
對 \(n\) 種東西自由決定「選或不選」時,組合的總數是 \(2^{n}\) 種。這就是在二項式定理中令 \(a = b = 1\) 的式子 \(\sum_{k=0}^{n} C^{n}_{k} = 2^{n}\),也是巴斯卡三角形每一列的總和。
例如手搖飲料店有 5 種加料(珍珠、椰果、仙草、布丁、粉粿),連什麼都不加也算在內,共有 \(2^{5} = 32\) 種點法。而且看那一列的數,還能知道「剛好加 2 種料的點法有 \(C^{5}_{2} = 10\) 種」這樣的細目。菜單的組合數、問卷的作答模式、軟體測試案例的列舉等,凡是要計算選擇的場合都廣泛用到這個想法。
公式與圖示
符號與用語解說
符號
| \(C^{n}_{k}\) | C n 取 k | 從 \(n\) 個東西中選 \(k\) 個的方法數(組合數)。在二項式定理中是展開式的係數,所以也叫二項式係數。\(\mathrm{C}\) 是英文 combination(組合)的第一個字母。也寫成 \(\binom{n}{k}\)、\({}_n\mathrm{C}_k\)、C(n, k)。 |
| \(n!\) | n 階乘 | 把 1 到 \(n\) 的整數全部相乘(\(4! = 4 \times 3 \times 2 \times 1 = 24\))。看起來像驚嘆號,但不是在驚訝,而是表示「階乘」的數學符號。依定義 \(0! = 1\)。 |
| \(a,\ b\) | a、b | 二項式定理中放在括號裡的兩個項。「二項」指的就是這兩個。習慣上用字母表前面的 \(a,\ b,\ c\) 表示固定的東西。 |
| \(n\) | n | 表示同一個括號要乘幾個的數(指數)。表示次數或個數的文字常用 number(數)的第一個字母 \(n\)。本頁是 0 以上、12 以下的整數。 |
| \(k\) | k | 表示「選了幾個 \(b\)」的編號,從 0 變到 \(n\)。\(k = 0\) 的項是第 1 項,所以說「第 \(k+1\) 項」。表示整數計數的文字常用 \(k\)。 |
| \(\displaystyle\sum\) | sigma | 表示「全部加起來」的符號。是希臘字母大寫的 sigma,相當於英文 Sum(總和)的第一個字母 S。\(\sum_{k=0}^{n}\) 的意思是「讓 \(k\) 從 0 變到 \(n\),把後面的式子全部加起來」。 |
| \(T_{k+1}\) | T 下標 k+1 | 把展開式依降冪排列時,從第一項算起的第 \(k+1\) 項。\(T\) 是英文 term(項)的第一個字母,叫做一般項。 |
| \(A,\ B\) | 大寫 A、B | 這個計算機的輸入欄使用的文字。\((Ax+B)^n\) 的 \(A\) 是 \(x\) 的係數,\(B\) 是沒有 \(x\) 的常數項。代入二項式定理的 \(a\)、\(b\),就是 \(a = Ax\)、\(b = B\)。 |
| \(x\) | x | 值不固定的文字(變數)。這個計算機展開 \((Ax+B)^n\) 形式的式子,所以答案是 \(x\) 的多項式。 |
用語
| 二項式定理 | 展開 \((a+b)^n\) 時,各項的係數就是組合數 \(C^{n}_{k}\) 的定理。台灣在高一下的「排列組合」單元學到。 |
| 二項式係數 | 二項式定理中出現的係數 \(C^{n}_{k}\)。和組合數是同一個東西,但著重在「展開式的係數」這個角色時這樣稱呼。 |
| 組合 | 從幾個東西中不考慮順序選出幾個的選法。從 \(n\) 個中選 \(k\) 個的方法數寫成 \(C^{n}_{k}\)。和要區分順序的「排列」不同,選出的成員相同就算 1 種。 |
| 階乘 | 從 1 乘到那個數的所有整數的乘積。\(5! = 5 \times 4 \times 3 \times 2 \times 1 = 120\)。計算組合數時會用到。 |
| 一般項 | 把展開式「第幾項會是這種形式」統一表示的項。在二項式定理中,第 \(k+1\) 項 \(C^{n}_{k} a^{n-k} b^{k}\) 就是一般項。只想求一項時,把值代進去即可。 |
| 展開 | 把有括號的式子算開,化成沒有括號的加減形式。剛好和因式分解是相反的操作。 |
| 降冪排列 | 把式子的項依文字的指數由大到小排列的寫法,像 \(x^3 + 2x^2 - x + 5\) 這樣。答案通常依這個順序寫。 |
| 巴斯卡三角形 | 把二項式係數一列一列排成三角形。兩端是 1,內側的數是上一列相鄰兩數的和。以法國數學家巴斯卡命名,但中國宋代的賈憲、楊輝早在巴斯卡之前 500 年以上就已經知道,所以在華人世界也叫「楊輝三角形」。 |
| 多項式 | 像 \(2x^3 - x + 5\) 這樣,把 \(x\) 的次方乘上係數的項加起來的式子。用二項式定理展開的結果也是多項式。 |
| 項 | 把式子用加號、減號分開後的每一塊。\(x^3 - 2x + 3\) 的項是 \(x^3\)、\(-2x\)、\(3\) 三個。 |
| 係數 | 寫在文字前面的數。\(3x^2\) 的 3 就是係數。像 \(x^2\) 這樣沒寫數字的項,係數當成 1。 |
| 指數 | 寫在 \(x^3\) 右上方的小 3。表示同一個東西相乘的次數(\(x^3 = x \times x \times x\))。 |
| 常數項 | 像 \(x^2 + 3x + 5\) 的 5 這樣,不含 \(x\)、「只有數字的項」。在這個計算機中,括號裡的 \(B\) 和展開式的最後一項就是常數項。 |
| 二項分布 | 同一個試驗重複 \(n\) 次時,成功 \(k\) 次的機率分布。它的機率 \(C^{n}_{k} p^{k}(1-p)^{n-k}\),正是用二項式定理展開 \((p + (1-p))^n\) 的每一項。名稱中的「二項」也來自二項式定理。 |
| 廣義二項式定理 | 擴充成指數是分數或負數時也能用的二項式定理,會變成項無限延續的式子(無窮級數)。這個計算機只處理指數為 0 以上整數的情況。 |
建議先了解的基礎知識
為了能「理解意義」地使用這個頁面的計算,這裡整理了建議先了解的基礎知識。
遇到卡關時,回頭複習表中的內容是最快的方法。
| 代數式的展開(國中七~八年級,12~14 歲) |
|
| 次方與指數律(國中七年級~高一,12~16 歲) |
|
| 負數的計算(國中七年級,12~13 歲) |
|
| 組合與階乘(高一,15~16 歲) |
|
| 總和的符號 Σ(高中「數列與級數」,15~17 歲) |
|
| 分數的計算(國小五年級~國中七年級,10~13 歲) |
|
用 Excel 計算的方法
| x 的係數 A | 2 |
| 常數項 B | 3 |
| 指數 n | 5 |
| k=0 那一項的係數(x 的 n−0 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,0)*$B$1^($B$3-0)*$B$2^0,0) |
| k=1 那一項的係數(x 的 n−1 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,1)*$B$1^($B$3-1)*$B$2^1,0) |
| k=2 那一項的係數(x 的 n−2 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,2)*$B$1^($B$3-2)*$B$2^2,0) |
| k=3 那一項的係數(x 的 n−3 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,3)*$B$1^($B$3-3)*$B$2^3,0) |
| k=4 那一項的係數(x 的 n−4 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,4)*$B$1^($B$3-4)*$B$2^4,0) |
| k=5 那一項的係數(x 的 n−5 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,5)*$B$1^($B$3-5)*$B$2^5,0) |
| k=6 那一項的係數(x 的 n−6 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,6)*$B$1^($B$3-6)*$B$2^6,0) |
| x 的係數 A | 2 |
| 常數項 B | 3 |
| 指數 n | 5 |
| 項的編號(從第一項算起) | 3 |
| k(編號減 1) | =B4-1 |
| x 的指數(n−k) | =B3-B5 |
| 二項式係數 C(n, k) | =COMBIN(B3,B5) |
| 該項的係數 | =B7*B1^B6*B2^B5 |
| n | 5 |
| k | 2 |
| 二項式係數 C(n, k) | =COMBIN(B1,B2) |
| 用階乘的式子確認 | =FACT(B1)/(FACT(B2)*FACT(B1-B2)) |
| n = 0 的那一列 | 1 | |||||
| n = 1 的那一列 | 1 | 1 | ||||
| n = 2 的那一列 | 1 | =B2+C2 | 1 | |||
| n = 3 的那一列 | 1 | =B3+C3 | =C3+D3 | 1 | ||
| n = 4 的那一列 | 1 | =B4+C4 | =C4+D4 | =D4+E4 | 1 | |
| n = 5 的那一列 | 1 | =B5+C5 | =C5+D5 | =D5+E5 | =E5+F5 | 1 |
COMBIN(n, k) 是二項式係數 C(n, k),FACT(n) 是 n 的階乘,「^」是次方的符號。
第一個表格是展開 (2x+3)⁵ 的例子,從 k=0 開始依序顯示 32、240、720、1080、810、243(k 那一列是 x 的 n−k 次方的係數)。改寫 A、B、n,就能得到您自己的式子的係數。n 小於 6 時,不存在的項那一列會顯示 0(IFERROR 會把它變成 0)。n 為 7 以上時,請把最後一列往下複製,並把式中的 6 改成 7、8……。
第二個表格只求「第 3 項」:k 是 2,x 的指數是 3,二項式係數是 10,該項的係數是 720。
第三個表格是從 5 個中選 2 個的方法數,兩個式子都是 10。
第四個表格只自己輸入兩端的 1,內側的數都是把正上方兩格相加的式子。n = 5 那一列會顯示 1、5、10、10、5、1。
用 Google 試算表計算的方法
| x 的係數 A | 2 |
| 常數項 B | 3 |
| 指數 n | 5 |
| k=0 那一項的係數(x 的 n−0 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,0)*$B$1^($B$3-0)*$B$2^0,0) |
| k=1 那一項的係數(x 的 n−1 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,1)*$B$1^($B$3-1)*$B$2^1,0) |
| k=2 那一項的係數(x 的 n−2 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,2)*$B$1^($B$3-2)*$B$2^2,0) |
| k=3 那一項的係數(x 的 n−3 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,3)*$B$1^($B$3-3)*$B$2^3,0) |
| k=4 那一項的係數(x 的 n−4 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,4)*$B$1^($B$3-4)*$B$2^4,0) |
| k=5 那一項的係數(x 的 n−5 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,5)*$B$1^($B$3-5)*$B$2^5,0) |
| k=6 那一項的係數(x 的 n−6 次方) | =IFERROR(COMBIN($B$3,6)*$B$1^($B$3-6)*$B$2^6,0) |
| x 的係數 A | 2 |
| 常數項 B | 3 |
| 指數 n | 5 |
| 項的編號(從第一項算起) | 3 |
| k(編號減 1) | =B4-1 |
| x 的指數(n−k) | =B3-B5 |
| 二項式係數 C(n, k) | =COMBIN(B3,B5) |
| 該項的係數 | =B7*B1^B6*B2^B5 |
| n | 5 |
| k | 2 |
| 二項式係數 C(n, k) | =COMBIN(B1,B2) |
| 用階乘的式子確認 | =FACT(B1)/(FACT(B2)*FACT(B1-B2)) |
| n = 0 的那一列 | 1 | |||||
| n = 1 的那一列 | 1 | 1 | ||||
| n = 2 的那一列 | 1 | =B2+C2 | 1 | |||
| n = 3 的那一列 | 1 | =B3+C3 | =C3+D3 | 1 | ||
| n = 4 的那一列 | 1 | =B4+C4 | =C4+D4 | =D4+E4 | 1 | |
| n = 5 的那一列 | 1 | =B5+C5 | =C5+D5 | =D5+E5 | =E5+F5 | 1 |
用 Python 計算的方法
from fractions import Fraction
from math import comb
# 展開 (Ax + B) 的 n 次方(3/4 這樣的分數可以寫成 Fraction(3, 4))
coef_x = Fraction(2) # x 的係數 A
const = Fraction(3) # 常數項 B
power = 5 # 指數 n
# k 從 0 變到 n。x 的指數是 n - k,係數是 C(n, k) × A^(n-k) × B^k
for k in range(power + 1):
exponent = power - k
coefficient = comb(power, k) * coef_x ** exponent * const ** k
print(f"x^{exponent} 的係數:{coefficient}")
# 只求 x^3 的係數(k = n - 3)
target = 3
k = power - target
coefficient = comb(power, k) * coef_x ** target * const ** k
print(f"二項式係數:{comb(power, k)}")
print(f"x^{target} 的係數:{coefficient}")
用 LaTeX 等數學式語言的寫法(可直接複製)
(a+b)ⁿ = Cⁿ₀aⁿ + Cⁿ₁aⁿ⁻¹b + ⋯ + Cⁿₙbⁿ
(a+b)^{n} = \sum_{k=0}^{n} C^{n}_{k}\, a^{n-k} b^{k}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msup>
<mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><mo>+</mo><mi>b</mi><mo>)</mo></mrow>
<mi>n</mi>
</msup>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mo>∑</mo>
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<msubsup><mi mathvariant="normal">C</mi><mi>k</mi><mi>n</mi></msubsup>
<msup><mi>a</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>k</mi></mrow></msup>
<msup><mi>b</mi><mi>k</mi></msup>
</mrow>
</math>
(a+b)^n = sum_(k=0)^n C(n,k) a^(n-k) b^k
Sum[Binomial[n, k] a^(n - k) b^k, {k, 0, n}]
sum(binomial(n, k)*a^(n-k)*b^k, k = 0 .. n);
symsum(nchoosek(n, k)*a^(n-k)*b^k, k, 0, n)
(a+b)^n = ∑_(k=0)^n C(n,k) a^(n-k) b^k
Tₖ₊₁ = Cⁿₖ aⁿ⁻ᵏ bᵏ
T_{k+1} = C^{n}_{k}\, a^{n-k} b^{k}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msub><mi>T</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub>
<mo>=</mo>
<msubsup><mi mathvariant="normal">C</mi><mi>k</mi><mi>n</mi></msubsup>
<msup><mi>a</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>k</mi></mrow></msup>
<msup><mi>b</mi><mi>k</mi></msup>
</mrow>
</math>
T_(k+1) = C(n,k) a^(n-k) b^k
Binomial[n, k] a^(n - k) b^k
T := binomial(n, k)*a^(n-k)*b^k;
T = nchoosek(n, k)*a^(n-k)*b^k;
T_(k+1) = C(n,k) a^(n-k) b^k
Cⁿₖ = n! ÷ (k!(n−k)!)
C^{n}_{k} = \frac{n!}{k!\,(n-k)!}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msubsup><mi mathvariant="normal">C</mi><mi>k</mi><mi>n</mi></msubsup>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow><mi>n</mi><mo>!</mo></mrow>
<mrow><mi>k</mi><mo>!</mo><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>−</mo><mi>k</mi><mo>)</mo><mo>!</mo></mrow>
</mfrac>
</mrow>
</math>
C(n,k) = (n!)/(k!(n-k)!)
Binomial[n, k]
binomial(n, k);
nchoosek(n, k)
C(n,k) = n!/(k!(n-k)!)
Cⁿ⁻¹ₖ₋₁ + Cⁿ⁻¹ₖ = Cⁿₖ
C^{n-1}_{k-1} + C^{n-1}_{k} = C^{n}_{k}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow>
<msubsup><mi mathvariant="normal">C</mi><mrow><mi>k</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup><mi mathvariant="normal">C</mi><mi>k</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup>
<mo>=</mo>
<msubsup><mi mathvariant="normal">C</mi><mi>k</mi><mi>n</mi></msubsup>
</mrow>
</math>
C(n-1,k-1) + C(n-1,k) = C(n,k)
Binomial[n - 1, k - 1] + Binomial[n - 1, k] == Binomial[n, k]
binomial(n-1, k-1) + binomial(n-1, k) = binomial(n, k);
nchoosek(n-1, k-1) + nchoosek(n-1, k)
C(n-1,k-1) + C(n-1,k) = C(n,k)
請 ChatGPT 幫忙計算的方法
你是數學計算助理。請務必實際執行 Python 程式碼來進行以下計算,並只根據執行結果的數值回答(不要用心算或猜測作答)。 請用二項式定理展開 (2x+3)^5。 請分別列出以下內容: 1. 一般項(第 k+1 項)的式子 2. k = 0 到 5 的二項式係數 C(5, k) 的值 3. 展開後的式子(依 x 的降冪排列,每一項的係數用最簡分數或整數表示) 4. x^3 的係數,以及求法(如何決定 k) 請在 Python 中使用標準函式庫的 math.comb 和 fractions.Fraction 精確計算,並列出所用的公式和執行結果的數值。
使用方法
-
1輸入數值在輸入欄中輸入要計算的數值
-
2計算按下「計算」按鈕
-
3查看結果計算結果會立即顯示。計算的思路和公式的解說,也都能在同一個頁面查看
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