这道题很有意思,我们来一步步把它拆解开。
首先,我们来看题目:(x1 + x2 + ... + x8 + 1) 的 8 次方
这其实是一个关于多项式展开的问题。当我们将一个包含多个项的表达式进行幂运算时,展开后的结果可能会非常庞大。我们现在要做的就是,先别急着去算那个具体的数,而是要弄清楚“合并同类项后有多少项”。
理解“合并同类项”
在多项式运算中,“同类项”指的是含有相同字母且字母的指数也相同的项。例如,在 `2x + 3x + y` 这个表达式中,`2x` 和 `3x` 是同类项,可以合并成 `5x`。
在我们的题目中,`(x1 + x2 + ... + x8 + 1)` 里面,`x1`, `x2`, ..., `x8` 都是不同的变量,而 `1` 是一个常数项。所以,在这个括号内部,没有同类项可以合并。
现在,我们要计算的是这个括号的 8 次方。想象一下,我们把它写成:
(x1 + x2 + ... + x8 + 1) (x1 + x2 + ... + x8 + 1) ... (共8个这样的括号相乘)
当我们进行这样的多项式乘法时,每一项的产生都是从每个括号中各取一个项相乘得到的。
核心问题:怎么产生不同的项?
要弄清楚合并同类项后有多少项,关键在于理解展开后会产生哪些不同形式的项。
考虑一个简单一些的例子:`(a + b + c)^2`
根据乘法法则,展开后是:
`(a + b + c) (a + b + c)`
`= aa + ab + ac`
`+ ba + bb + bc`
`+ ca + cb + cc`
`= a^2 + ab + ac + ba + b^2 + bc + ca + cb + c^2`
合并同类项后(`ab` 和 `ba` 是同类项,`ac` 和 `ca` 是同类项,`bc` 和 `cb` 是同类项):
`= a^2 + b^2 + c^2 + 2ab + 2ac + 2bc`
我们发现,展开后每一项的 形式 是由各个变量以某种组合方式出现,并且这些变量的指数加起来等于括号的次方数(在这个例子中是 2)。
回到我们的原题:(x1 + x2 + ... + x8 + 1) 的 8 次方
这里一共有 9 个“候选”项可以从每个括号中取出进行相乘:`x1`, `x2`, ..., `x8`, `1`。
当我们进行 8 次乘法时,我们相当于从这 9 个项里,总共抽取了 8 次。而且,从每个括号里只能抽一次。
展开后的每一项,都可以看作是 从这 9 个项中挑选出 8 个项进行相乘(允许重复选择同一个项)。
例如:
`x1 x1 x1 x1 x1 x1 x1 x1` (即 `x1^8`)
`x1 x1 x1 x1 x1 x1 x1 x2` (即 `x1^7 x2`)
`x1 x1 x1 x1 x1 x1 x1 1` (即 `x1^7 1`, 等同于 `x1^7`)
`x1 x1 x1 x1 x1 x1 2 1` (这个例子不对,因为我们只能从 `x1` 到 `x8` 和 `1` 中选取,不能选数字 `2`)
`x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8`
`x1 x1 x1 x1 x1 x1 1 1` (即 `x1^6 1^2`, 等同于 `x1^6`)
`1 1 1 1 1 1 1 1` (即 `1^8`, 等同于 `1`)
关键概念:组合数学与“隔板法”
要计算有多少种不同的组合,我们可以借用组合数学中的工具。
想象一下我们要从 9 个“种类”的项(`x1` 到 `x8` 以及 `1`)中,总共抽取 8 次。每次抽取的项会以指数的形式累加。
我们可以把这个问题看作一个“分发”问题:我们有 8 个“球”(代表 8 次乘法),要把它们分发到 9 个“盒子”里(代表 9 个可选的项 `x1` 到 `x8` 和 `1`)。
为什么是 8 个球和 9 个盒子?
我们总共要进行 8 次乘法,每次乘法就相当于一个“球”。
这 8 次乘法的结果,可以看作是分配给了 9 种不同的项(`x1` 到 `x8` 和 `1`)。例如,如果一个项是 `x1^3 x5^2 1^3`,这意味着我们把 3 个“球”分给了 `x1` 的盒子,2 个分给了 `x5` 的盒子,3 个分给了 `1` 的盒子,总共是 3+2+3 = 8 个球。
这个问题就转化成了:将 8 个无差别的球放入 9 个有差别的盒子中的方法数。
这里我们用到了组合数学中的一个重要概念:重复组合(或称多重组合)。
在多重组合中,计算将 k 个无差别的物品分到 n 个有差别的盒子中,有多少种不同的方法,公式是:
$C(n+k1, k) = C(n+k1, n1) = inom{n+k1}{k} = inom{n+k1}{n1}$
这里:
`n` 是盒子的数量(我们可选的项的种类数)。在我们的问题中,有 `x1` 到 `x8` 和 `1`,所以 `n = 9`。
`k` 是球的数量(我们总共需要选择多少次)。在我们的问题中,是 8 次方,所以 `k = 8`。
将数值代入公式:
$C(9 + 8 1, 8) = C(16, 8)$
或者
$C(9 + 8 1, 9 1) = C(16, 8)$
计算组合数
组合数 `C(n, k)` 的计算公式是:
$C(n, k) = frac{n!}{k!(nk)!}$
所以,`C(16, 8)` 的计算是:
$C(16, 8) = frac{16!}{8!(168)!} = frac{16!}{8!8!}$
我们来计算一下:
$C(16, 8) = frac{16 imes 15 imes 14 imes 13 imes 12 imes 11 imes 10 imes 9}{8 imes 7 imes 6 imes 5 imes 4 imes 3 imes 2 imes 1}$
化简一下:
`8 2 = 16` (约掉上面的 16)
`7` (约掉上面的 14,变成 2)
`6` (约掉上面的 12,变成 2)
`5 3 = 15` (约掉上面的 15)
`4` (约掉上面的 10 和 2,10/2=5,5/4... 不好约。换个思路)
我们一步一步来:
$C(16, 8) = frac{16 imes 15 imes 14 imes 13 imes 12 imes 11 imes 10 imes 9}{8 imes 7 imes 6 imes 5 imes 4 imes 3 imes 2 imes 1}$
$C(16, 8) = frac{16}{8 imes 2} imes frac{15}{5 imes 3} imes frac{14}{7} imes frac{12}{6 imes 4} imes 13 imes 11 imes 10 imes 9$
$C(16, 8) = 1 imes 1 imes 2 imes frac{12}{24} imes 13 imes 11 imes 10 imes 9$ ... 这个化简有点乱。
直接算分子和分母:
分子:$16 imes 15 imes 14 imes 13 imes 12 imes 11 imes 10 imes 9 = 518,918,400$
分母:$8! = 8 imes 7 imes 6 imes 5 imes 4 imes 3 imes 2 imes 1 = 40,320$
$C(16, 8) = frac{518,918,400}{40,320} = 12,870$
所以,合并同类项后,将会有 12,870 项。
类似问题怎么解决?
这种问题本质上是在问 多项式 `(a1 + a2 + ... + an)^k` 展开后,合并同类项有多少项。
这里的“项”指的是形如 `c a1^p1 a2^p2 ... an^pn` 的表达式,其中 `c` 是系数,`p1, p2, ..., pn` 是非负整数,并且满足 `p1 + p2 + ... + pn = k`。
`n` 是括号内不同项的数量。
`k` 是幂的次数。
这个问题的解决方法就是我们刚才使用的重复组合。
1. 确定 `n` 和 `k`:
`n` 是括号内不包含常数项的变量的个数。
`k` 是幂的次数。
2. 处理常数项:
如果括号内有常数项(比如题目中的 `+ 1`),我们会把它看作一个独立的“变量”或者“类别”。
所以,如果原问题是 `(x1 + x2 + ... + x_m + c)^k`:
这里的 `n` 实际上是 `m + 1`(m个变量加上1个常数项)。
`k` 仍然是幂的次数。
3. 应用重复组合公式:
将 `k` 个“选择”分配到 `n` 个“类别”中。
公式是:$C(n + k 1, k)$ 或 $C(n + k 1, n 1)$。
举例说明
问题 1:`(a + b + c)^3`
括号内有 3 个项(a, b, c),所以 `n = 3`。
幂是 3,所以 `k = 3`。
项的形式是 `a^p1 b^p2 c^p3`,其中 `p1 + p2 + p3 = 3`。
应用公式:$C(3 + 3 1, 3) = C(5, 3) = frac{5!}{3!2!} = frac{5 imes 4}{2 imes 1} = 10$ 项。
展开看看:`a^3, b^3, c^3, 3a^2b, 3a^2c, 3b^2a, 3b^2c, 3c^2a, 3c^2b, 6abc`,正好 10 项。
问题 2:`(x + y)^5`
括号内有 2 个项(x, y),所以 `n = 2`。
幂是 5,所以 `k = 5`。
项的形式是 `x^p1 y^p2`,其中 `p1 + p2 = 5`。
应用公式:$C(2 + 5 1, 5) = C(6, 5) = frac{6!}{5!1!} = 6$ 项。
根据二项式定理,展开后是 `x^5, 5x^4y, 10x^3y^2, 10x^2y^3, 5xy^4, y^5`,共 6 项。
问题 3:`(x1 + x2 + x3 + x4)^2`
括号内有 4 个项(x1, x2, x3, x4),所以 `n = 4`。
幂是 2,所以 `k = 2`。
项的形式是 `x1^p1 x2^p2 x3^p3 x4^p4`,其中 `p1 + p2 + p3 + p4 = 2`。
应用公式:$C(4 + 2 1, 2) = C(5, 2) = frac{5!}{2!3!} = frac{5 imes 4}{2 imes 1} = 10$ 项。
总结一下解决这类问题的思路:
1. 识别出括号内有多少个“不同种类的项”。如果存在常数项,把它也算作一个“种类”。设这个数量为 `n`。
2. 确定幂的次数,设为 `k`。
3. 问题的本质是“将 k 次乘法的结果分配到 n 个不同的项上”,这等同于将 `k` 个无差别的物品分配到 `n` 个有差别的盒子中。
4. 使用重复组合公式 $C(n + k 1, k)$ 来计算结果。
所以,关键在于理解为什么可以用重复组合来解决。每次乘法我们都在括号内的项中选择一个,连续选择 `k` 次。例如 `(x1 + x2 + 1)^2`:
我们可以这样选:
第一次选 `x1`,第二次选 `x1` > `x1^2`
第一次选 `x1`,第二次选 `x2` > `x1 x2`
第一次选 `x1`,第二次选 `1` > `x1 1`
第一次选 `x2`,第二次选 `x1` > `x2 x1`
第一次选 `x2`,第二次选 `x2` > `x2^2`
第一次选 `x2`,第二次选 `1` > `x2 1`
第一次选 `1`,第二次选 `x1` > `1 x1`
第一次选 `1`,第二次选 `x2` > `1 x2`
第一次选 `1`,第二次选 `1` > `1^2`
每一项的指数和都等于 2。我们是在从 `x1, x2, 1` 这 3 个类别中,总共“挑选”2次。这里的“挑选”可以重复。
这就符合了将 2 个球(2次挑选)分给 3 个盒子(3个类别)的模型。
$n=3, k=2$ > $C(3+21, 2) = C(4, 2) = 6$ 项。
展开:`(x1+x2+1)^2 = x1^2 + x2^2 + 1 + 2x1x2 + 2x1 + 2x2`。共 6 项。
回到最开始的题目:(x1 + x2 + ... + x8 + 1) 的 8 次方
这里,括号内有 8 个变量 `x1` 到 `x8`,再加上 1 个常数项,所以总共有 `n = 8 + 1 = 9` 个“类别”。
幂的次数是 `k = 8`。
因此,项的数量就是 $C(9 + 8 1, 8) = C(16, 8) = 12,870$ 项。
掌握了这个方法,任何类似的多项式展开项数问题都能迎刃而解了!