Pascalův trojúhelník

V matematice je Pascalův trojúhelník prezentací binomických koeficientů v trojúhelníku . Byl pojmenován na počest francouzského matematika Blaise Pascala . Na západě je známý pod názvem „Pascalův trojúhelník“, ačkoli jej studovali jiní matematici, někdy několik století před ním, v Indii , v Persii (kde se mu říká „ Khayyamův trojúhelník  “), v Maghrebu , v Čína (kde se jí říká „trojúhelník Yang Hui  “), v Německu a v Itálii (kde se jí říká „trojúhelník Tartaglia  “).

Konstrukce trojúhelníku se řídí Pascalovým vztahem:

pro všechna celá čísla n a k taková, že 0 < k < n .

Pascalův trojúhelník lze zobecnit na jiné dimenze. Trojrozměrná verze se nazývá Pascalova pyramida nebo Pascalův čtyřstěn, zatímco obecné verze se nazývají Pascalovy simplexy .

Dějiny

Tradice dává název Pascalův trojúhelník výše popsanému trojúhelníku. Tento trojúhelník však byl na východě a na Středním východě znám již několik století před vydáním Blaise Pascala . On byl dobře známý perské matematiky, například al-Karaji ( 953 - 1029 ) nebo Omar Khayyam v XI -tého  století nebo matematici Maghrebu jako Ibn al-Banna a jeho následovníků, kteří jej používají k rozvoji ( z + b ) n . V Číně se objevuje již v roce 1261 v díle Yang Hui (v hodnosti 6) a v Jade Mirror of the Four Elements od Zhu Shijie v roce 1303 (v hodnosti 8). Yang Hui připsat autorství trojúhelníku čínského matematik XI -tého  století Jia Xian . Tento trojúhelník umožnil prezentovat koeficienty různých termínů v binomickém vzorci a podle Victora J. Katze byl použit k zobecnění metody extrakce kořenů na stupně větší než 2.

V Evropě se objevuje v díle Petera Apiana , Rechnung (1527). Studují ji Michael Stifel (1486-1567), Tartaglia (1499-1557) a François Viète (1540-1603). Navíc je pod názvem „trojúhelník Tartaglia“ známý v Itálii. Je také známý Marinu Mersennovi (1588-1648). Ale je to Blaise Pascal, kdo tomu věnuje pojednání: Smlouva o aritmetickém trojúhelníku (1654), která prokazuje 19 jeho vlastností, vlastností vyplývajících částečně z kombinatorické definice koeficientů. Mnohé z těchto vlastností již byly známy, ale byly přijaty a nebyly prokázány. Aby je předvedl, nastavuje Pascal ve svém pojednání dokonalou verzi uvažování indukcí . Ukazuje souvislost mezi trojúhelníkem a binomickým vzorcem. Používá jej při řešení problému spravedlivého sdílení sázek v hazardní hře, která je přerušena před definovaným termínem (problém stran).

Konstrukce

Kombinační

Napsáním Pascalova vzorce

Pro všechna celá čísla i a j v intervalu 0 < j < i , ,

všimli jsme si, že koeficient řádku i a sloupce j se získá sečtením koeficientů řádku i - 1 a sloupce j - 1 a řádku i - 1 a sloupce j . Kromě toho máme:

.

Dedukujeme metodu konstrukce Pascalova trojúhelníku, která spočívá v pyramidové formě v umístění 1 na vrchol pyramidy, poté 1 a 1 níže, na obě strany. Konce řádků jsou vždy 1 s a ostatní čísla jsou součtem dvou čísel přímo nad nimi.

V trojúhelníkové formě, kde i je index řádku a j index sloupce:

Počet cest v binární síti

Představte si, že každé číslo v trojúhelníku je uzel v síti, který je připojen k sousedním číslům nahoře a dole. Nyní pro jakýkoli uzel v síti spočítáme počet cest v síti (aniž bychom se vrátili zpět), které spojují tento uzel s horním uzlem trojúhelníku. Odpovědí je číslo Pascalu spojené s tímto uzlem.

Vlastnosti

Souvisí se stavbou

Binomický vzorec

Pascalův trojúhelník se často používá v binomických expanzích . Ve skutečnosti lze na stejné linii najít všechny koeficienty zasahující do vývoje síly součtu dvou členů.

Příklad: ( X + 1) 2 = X 2 + 2 X + 1 2 a koeficienty každé monomie jsou koeficienty třetí řady Pascalova trojúhelníku (řada 2), tj. 1, 2, 1. Zevšeobecnění: ( X + Y ) n = a 0 X n Y 0 + a 1 X n –1 Y 1 + ... + a n X 0 Y n , kde koeficienty jsou ty, které se nacházejí na n +1 e řádku Pascalova trojúhelník (řada hodnosti n ).

Známe součtový vzorec , jednoduše se objeví několik vlastností.

Nastavme a = b = 1 , pak máme .

Nechť a = 1 a b = –1 , pak máme .

Známe-li tyto dvě rovnosti, z nichž jedna je střídavý součet, přichází součet členů řádu 0, 2, 4, ... v řadě 2 n –1 a je roven součtu členů d objednávka 1, 3, 5, ....

Vlastnost výčtu

Číslo nacházející se ve sloupci p (počítání sloupců počínaje od 0) a řádku n (počítání řádků začínajících od 0) označuje počet možných kombinací p prvků v sadě n prvků.

V řádku n a sloupci p máme .

Katalánská čísla

Všechny řádky sudé pozice ( 2 n ) mají centrální člen, vydělením tohoto členu n +1 nebo odstraněním jeho souseda získáme katalánské číslo .

Sierpińského trojúhelník

Pokud vepsáme Pascalův trojúhelník do trojúhelníkového rámce, je spojení buněk obsahujících liché členy Sierpińského trojúhelník .

Pokud je p prvočíslo větší než 2 , lze analogické fraktální struktury získat obarvením všech buněk, které neodpovídají 0 modulo p .

Přišel na čísla

Čísla umístěná na třetí sestupné úhlopříčce odpovídají trojúhelníkovým číslům , čísla čtvrté úhlopříčky čtyřstěnným číslům , čísla páté úhlopříčky pentatopickým číslům a čísla n- té úhlopříčky n-aktuálním číslům.

Trigonometrické vzorce

Binomický vzorec aplikovaný na Moivreův vzorec

umožňuje rozšířit cos ( n θ) a sin ( n θ) .

Koeficienty umístěné na řádku hodnosti n umožňují psát tan ( n θ) jako funkci t = tan (θ)

Příklad: na řádku 4 čteme 1 - 4 - 6 - 4 - 1 a Obecný vzorec .

Koeficienty umístěné na vzestupné úhlopříčce nám umožňují vyjádřit sin ( n θ) jako produkt sin (θ) polynomem ve 2 cos (θ) (viz Čebyševův polynom ):

Příklad: na vzestupné úhlopříčce řady 5 čteme 1 - 3 - 1 a

kde U 4 je Čebyševův polynom druhého druhu řádu 4. Zobecnění: v případě, že podmínky vzestupné diagonální hodnosti n jsou , máme

V důsledku toho, koeficienty umístěné na vzestupné úhlopříčce hodnosti n , aby bylo možné určit, polynom stupně [( n -1) / 2], jejichž kořeny jsou hodnoty pro k měnící se od 1 do

Příklad: na úhlopříčce hodnosti 7 čteme 1 - 5 - 6 - 1, takže víme, že (pro k = 1, 2, 3) jsou kořeny . Zobecnění: má kořeny .

Fourierova transformace sin ( x ) n +1 / x

Koeficienty ( x  + 1) n jsou n- tou řádkou trojúhelníku. Koeficienty ( x  - 1) n jsou stejné, až na to, že se střídá znaménko.

Po vhodné normalizaci je ve Fourierově transformaci sin ( x ) n +1 / x přítomna stejná posloupnost čísel .

Přesněji řečeno: je-li n sudé, je třeba vzít skutečnou část transformace a pokud je n liché, je třeba vzít imaginární část.

Výsledkem je pak funkce schodiště, jejíž hodnoty (vhodně normalizované) jsou dány n- tou řadou trojúhelníku se střídavými znaky.

Tak :

sestaví 4 tý  řádek trojúhelníku, se střídajícími se znaky.

Toto je zevšeobecnění následujícího výsledku (často používaného v elektrotechnice):

je funkcí Heaviside .

Odpovídající řádek trojúhelníku je řádek 0, který je omezen na číslo 1.

Zobecnění

Zobecněný binomický

Pascalův vztah sahá i do zobecněných binomických koeficientů , ve kterých je komplexní číslo .

Zobecnění na vyšší dimenze

Pascalův trojúhelník se snadno zobecní na vyšší dimenze. Trojrozměrná verze se nazývá Pascalova pyramida .

Zobecnění pro záporné řádky

Pascalův trojúhelník se zobecňuje pro záporné řádky.

Nejprve napište trojúhelník v následujícím tvaru, který se nazývá pole A ( m , n ):

m = 0 m = 1 m = 2 m = 3 m = 4 m = 5 ...
n = 0 1 0 0 0 0 0 ...
n = 1 1 1 0 0 0 0 ...
n = 2 1 2 1 0 0 0 ...
n = 3 1 3 3 1 0 0 ...
n = 4 1 4 6 4 1 0 ...

Poté to napište takto:

m = 0 m = 1 m = 2 m = 3 m = 4 m = 5 ...
n = -4 1 ...
n = -3 1 ...
n = -2 1 ...
n = -1 1 ...
n = 0 1 0 0 0 0 0 ...
n = 1 1 1 0 0 0 0 ...
n = 2 1 2 1 0 0 0 ...
n = 3 1 3 3 1 0 0 ...
n = 4 1 4 6 4 1 0 ...

Vzorec:

lze přeskupit takto:

což umožňuje výpočet podmínek záporné pozice:

m = 0 m = 1 m = 2 m = 3 m = 4 m = 5 ...
n = −4 1 -4 10 -20 35 -56 ...
n = -3 1 -3 6 -10 15 -21 ...
n = -2 1 -2 3 -4 5 -6 ...
n = -1 1 -1 1 -1 1 -1 ...
n = 0 1 0 0 0 0 0 ...
n = 1 1 1 0 0 0 0 ...
n = 2 1 2 1 0 0 0 ...
n = 3 1 3 3 1 0 0 ...
n = 4 1 4 6 4 1 0 ...

Toto rozšíření zachovává vzorce:

.

a

Tak :

Další možnost rozšíření ve srovnání se zápornými řádky je následující:

m = -4 m = -3 m = -2 m = -1 m = 0 m = 1 m = 2 m = 3 m = 4 m = 5 ...
n = -4 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
n = -3 1 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
n '= -2 1 0 0 0 0 0 0 0 ...
n = -1 1 0 0 0 0 0 0 ...
n = 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 ...
n = 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 ...
n = 2 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 ...
n = 3 0 0 0 0 1 3 3 1 0 0 ...
n = 4 0 0 0 0 1 4 6 4 1 0 ...

Použitím stejných pravidel jako dříve dochází k:

m = -4 m = -3 m = -2 m = -1 m = 0 m = 1 m = 2 m = 3 m = 4 m = 5 ...
n = -4 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
n = -3 -3 1 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
n = -2 3 -2 1 0 0 0 0 0 0 0 ...
n = -1 -1 1 -1 1 0 0 0 0 0 0 ..
n = 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 ...
n = 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 ...
n = 2 0 0 0 0 1 2 1 0 0 0 ...
n = 3 0 0 0 0 1 3 3 1 0 0 ...
n = 4 0 0 0 0 1 4 6 4 1 0 ...

Toto zobecnění umožňuje zachovat exponenciální vlastnost matice. Opravdu, jak máme,

,

rozšiřujeme na,

Tyto dvě zobecnění lze získat také pomocí funkce gama zápisem:

.

Poznámky a odkazy

(fr) Tento článek je částečně nebo zcela převzat z anglického článku Wikipedie s názvem „  Pascalův trojúhelník  “ ( viz seznam autorů ) .

Poznámky

  1. Nebo obecněji pro všechna relativní celá čísla n a k , s if nebo konvencí .
  2. Použití aritmetického trojúhelníku k určení stran mezi dvěma hráči, kteří hrají v několika hrách.
  3. Formula využívaná Pascalem v jeho problému stran.

Reference

  1. (in) John J. O'Connor a Edmund F. Robertson , „Abu Bakr ibn Muhammad ibn al-Husayn al-Karaji“ v archivu MacTutor History of Mathematics , University of St Andrews ( číst online ).
  2. (in) John J. O'Connor a Edmund F. Robertson , „Ibn al-Banna“ v archivu MacTutor History of Mathematics , University of St Andrews ( číst online ).
  3. (in) VJ Katz , A History of Mathematics: An Introduction , 1992 (podle Binomial Theorem and the Pascal Triangle , podle UniSA ).
  4. Web Gérarda Vilemina .
  5. Henri Bosmans, Historická poznámka o aritmetickém trojúhelníku [PDF] .
  6. (La) Marin Mersenne, F. Marini Mersenni Harmonicorum libri , Paříž, G. Baudry, 1636( číst online ) , s.  136.
  7. (in) Eric W. Weisstein , „The  Christmas Stocking Theorem  “ na MathWorld .
  8. Ian Stewart , "fraktální Pascal" pro vědu , n o  129, 1988 , s.  100-105 . Podle tohoto webu .
  9. Henri Immediato, Praktický výpočet s Pascalovým trojúhelníkem .
  10. Jak vypočítat reálná čísla COS (pi / n) pomocí Pascalova trojúhelníku .

Podívejte se také

Související články

externí odkazy

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">