مقدمة
- المادة: الرياضيات
- المسار: مسار الطب وعلوم الحياة
- الوحدة: الفصل 1 — البراهين الجبرية
تعرف أن (a+b)2=a2+2ab+b2. لكن ماذا عن (a+b)7؟ ضرب القوس في نفسه سبع مرات عمل طويل ومعرّض للأخطاء. انظر إلى صفوف مثلث باسكال: كل صف يعطي معاملات مفكوك قوة من قوى (a+b). في هذا الدرس نتعلم قاعدة تعطينا أي معامل مباشرة دون ضرب متكرر، ثم نعممها على المقادير ذات الحدود الثلاثة.
أهداف التعلم
- أن تحسب معامل ذات الحدين nCr وتربطه بمثلث باسكال.
- أن تفك (a+b)n باستخدام نظرية ذات الحدين.
- أن تجد معامل حد معين أو الحد الخالي من المتغير باستخدام الحد العام دون فك المقدار كاملًا.
- أن تجد معامل حد في مفكوك مقدار من ثلاثة حدود بنظرية متعددة الحدود.
- أن تستخدم نظرية ذات الحدين في إثبات متطابقات بسيطة ومسائل قابلية القسمة.
شرح الدرس
معامل ذات الحدين
مضروب العدد الصحيح الموجب n هو n!=n×(n−1)×⋯×2×1، ونعرّف 0!=1. ومعامل ذات الحدين هو عدد طرق اختيار r عنصرًا من n عنصرًا دون ترتيب:
nCr=(rn)=r!(n−r)!n!
مثال: 5C3=3×2×15×4×3=10. ومن خواصه: nC0=nCn=1، و nCr=nCn−r (تماثل المعاملات).

نظرية ذات الحدين
لأي عدد صحيح موجب n:
(a+b)n=nC0an+nC1an−1b+nC2an−2b2+⋯+nCran−rbr+⋯+nCnbn
لاحظ في المفكوك:
- عدد الحدود n+1.
- أس a يتناقص من n إلى الصفر، وأس b يتزايد من الصفر إلى n، ومجموع الأسين في كل حد يساوي n.
- المعاملات هي الصف رقم n في مثلث باسكال.
الحد العام
الحد الذي يكون فيه أس b مساويًا r (وهو الحد رقم r+1) هو:
Tr+1=nCran−rbr
لإيجاد معامل حد معين: نكتب الحد العام، ونجمع أسس المتغير، ونساويها بالأس المطلوب لنجد r، ثم نعوض. انتبه: إذا كان في الحد الثاني إشارة سالبة أو معامل، فهو جزء من b، مثل b=−3y.
نظرية متعددة الحدود
عند فك (a+b+c)n يكون الحد الذي يحتوي على apbqcr (حيث p+q+r=n) هو:
p!q!r!n!apbqcr
فإذا كانت الحدود تحوي معاملات، مثل (a−2b+3c)n، نعوض بالحد كاملًا: ap(−2b)q(3c)r. ونظرية ذات الحدين حالة خاصة منها بحدين فقط.
تطبيقات: التعويض بقيم مناسبة
بفك (1+x)n=nC0+nC1x+nC2x2+⋯+nCnxn ثم التعويض بقيمة مناسبة لـ x نحصل على متطابقات مفيدة:
- x=1: nC0+nC1+⋯+nCn=2n.
- x=−1: nC0−nC1+nC2−⋯+(−1)nnCn=0.
- x=2: nC0+2nC1+22nC2+⋯+2nnCn=3n.
وبالتعويض x=1 في أي مفكوك نحصل على مجموع معاملاته.
أمثلة وتطبيقات
مثال 1 (فك مقدار): فك (x−3)4. هنا a=x و b=−3 و n=4، والمعاملات 1,4,6,4,1:
(x−3)4=x4+4x3(−3)+6x2(−3)2+4x(−3)3+(−3)4
=x4−12x3+54x2−108x+81
مثال 2 (معامل حد): أوجد معامل x3 في مفكوك (2x+1)6.
Tr+1=6Cr(2x)6−r(1)r=6Cr26−rx6−r
نريد 6−r=3، أي r=3، فيكون المعامل 6C3×23=20×8=160.
مثال 3 (حد بمتغيرين): معامل x2y3 في مفكوك (x−2y)5: نأخذ r=3، فيكون 5C3x2(−2y)3=10×(−8)x2y3، والمعامل −80.
مثال 4 (الحد الخالي من x): في مفكوك (x+x2)6:
Tr+1=6Crx6−r(x2)r=6Cr2rx6−2r
الحد الخالي من x عندما 6−2r=0، أي r=3، ويساوي 6C3×23=160.
مثال 5 (متعددة الحدود): معامل a2bc في مفكوك (a+2b−c)4:
2!1!1!4!a2(2b)(−c)=12×2×(−1)a2bc=−24a2bc
مثال 6 (قابلية القسمة): أثبت أن 9n−1 يقبل القسمة على 8 لكل عدد صحيح موجب n.
9n−1=(1+8)n−1=nC18+nC282+⋯+nCn8n
كل حد في الطرف الأيمن مضاعف للعدد 8، فالمجموع يقبل القسمة على 8.
ملاحظات مهمة
- الحد العام Tr+1 هو الحد رقم r+1 لا رقم r؛ فالحد الثالث مثلًا يقابل r=2.
- ضع الحد الثاني كاملًا بإشارته ومعامله بين قوسين قبل رفعه إلى القوة.
- معامل الحد يختلف عن معامل ذات الحدين؛ ففي المثال 2 معامل ذات الحدين 20، أما معامل الحد فهو 160.
- في نظرية متعددة الحدود تحقق دائمًا أن مجموع الأسس يساوي n، وإلا فالحد غير موجود في المفكوك.
المفاهيم الأساسية
- nCr=r!(n−r)!n!، وهي صفوف مثلث باسكال، و nCr=nCn−r.
- (a+b)n له n+1 حدًّا، وحده العام Tr+1=nCran−rbr.
- في (a+b+c)n: معامل apbqcr هو p!q!r!n! حيث p+q+r=n.
- مجموع معاملات مفكوك نحصل عليه بالتعويض بـ x=1.
- ∑nCr=2n، والمجموع المتناوب للمعاملات صفر.
ملخص الدرس
تعطي نظرية ذات الحدين مفكوك (a+b)n مباشرة: معاملاته هي معاملات ذات الحدين nCr (صفوف مثلث باسكال)، وأسس الحدين تتوزع بحيث يكون مجموعها n في كل حد. ويسمح الحد العام بإيجاد أي معامل دون فك كامل، وتعمم نظرية متعددة الحدود الفكرة على ثلاثة حدود بالمعامل p!q!r!n!. وبالتعويض بقيم مناسبة في مفكوك (1+x)n نثبت متطابقات للمعاملات ونحل مسائل قابلية القسمة.
أسئلة للتدريب
- احسب 7C2 و 7C5، وفسّر تساويهما.
- فك (2a−b)4.
- أوجد معامل x5 في مفكوك (x−2)8.
- أوجد الحد الخالي من x في مفكوك (x2−x1)6.
- أوجد معامل x2yz في مفكوك (x+y+z)4.
- أثبت أن nC0+2nC1+4nC2+⋯+2nnCn=3n.