杨辉三角及其空间拓展

杨辉三角及其空间拓展株洲市二中G0216 刘子儒 郭时伟 摘 要本文首先对杨辉三角中特有的数学规律作了初步探索，发现了其奇偶排列的等边三角形现象然后，在研究中，我们在空间杨辉三角的问题上迈出了第一步——由平面杨辉三角走向三维杨辉三角我们在研究过程中推导出了三维杨辉三角数坐标公式，并总结出其与三项式系数的关系在三维杨辉三角模型的基础上我们又续而导出四维杨辉三角和N维杨辉三角经过努力的研究，最后归纳出了四维及N维杨辉三角数坐标公式由此得出了N项式展开项系数定理在研究过程中我们还有机地结合现代计算机技术协助公式的推导，并将其付之实用，进一步完善了课题的研究对此,还有几名著名的数学教授提出了宝贵的意见这些都是前人从未涉足过的领域，而这篇论文把这次研究的新颖性给淋漓尽致地体现出来了关键词：杨辉三角　空间　公式　系数杨辉三角，作为中国古代数学中的奇迹在数学计算中，日常生活中，无时不刻地展示着自己的魅力从古至今，从中国到外国，有无数的学者为之着迷但是，以往的学者们的研究只限于平面内的杨辉三角如果考虑到空间上的拓展，那在学术上是突破性的所以我们决定对杨辉三角进行全面、深刻地分析，将其拓展到三维、四维乃至N维。

研究杨辉三角，是在偶然中想到的对于多次出现在数学课本上的“杨辉三角”，不对其有些想法才是奇怪了而恰好我的母亲又叫“杨辉”所以，小时候第一次在《十万个为什么》中看到时就留下了深刻的印象再加上多次、再次地在高中数学课本中“相遇”，愈发觉得亲切一．杨辉三角的相关信息看似简单的一个数字列表，却蕴藏着很深的奥秘这无疑是我国古代劳动人民智慧的结晶，也集中地体现了数学的奥妙无穷有了它，我们可以轻易地计算两个数的和的几次方，甚至用来开一个数的几次方杨辉（约十三世纪）字谦光，钱塘（今浙江杭州）人，是我国南宋时的数学家，杨辉的数学著作有《讲解九章算法》十二卷，流传至今的只是其中的一部分，其中“开方作法本源”载有二项式系数三角形，后人称为杨辉三角形，此外，他还著有《日用算法》二卷，《乘除通变算宝》三卷，《田亩比类乘除捷法》二卷、《续古摘奇算法》二卷等1／＼1／＼／＼／＼／＼／＼(a+b) 01112／＼／＼／＼／＼313／＼／＼／＼／＼／＼61410151105114(a+b) 1(a+b) 2(a+b) 3(a+b) 4(a+b) 520图　1.1＼／二项式展开的系数，按（图1.1）排列成一个三角形这里每一行的外侧的两数都是1，中间的数字等于两肩的数的和。

这一三角形最早发现于我国南宋数学家杨辉所著《详解九章算法》一书（1261年），在我国通常称为杨辉三角形，杨辉在书中指出“一出《释锁》算书，贾宪用此术”，可见更早时代的贾宪已知道这一三角形了并且，当时不仅用这一三角来求二项展开式的系数，还用于对一个数开n次方在西方，十五世纪和十六世纪时，也有多人发现了这一三角形国外却把它叫做帕斯卡三角形而法国数学家帕斯卡（Blaise Pascal，1623~1662）发现这一三角形却是十七世纪的事，比我国杨辉晚了五百年左右，由此可见我国古代数学的成就是非常值得中华民族自豪的首先，让我们来看看杨辉三角的某些性质1.项数:在杨辉三角的第n行的项数为(n+1)2.系数:在杨辉三角形的第n行，各项的系数分别为：C、C、C……C（n=1、2、3……）这与二项式定理有密切的联系：(a+b)n=Can+Can-1b1+…+Can-rbr+…+Cbn（nN*）在其中令a=b=1则 C+C+C+…+C=2n所以，可推出杨辉三角形的第n行的系数和为2n3.总项数:在杨辉三角形的n行及以上，总的项数K=(n+1)(n+2)4.通项公式:令C表示第几行第(m+1)个数，则这个数的系数为C=所以这个数为M= C·an-mbm=5.最大值：在杨辉三角的第几行中（mN*）,当 n=2m， Km= C，即中间的一项当n=2m+1，Km=C，或Km= C，即中间的两项。

以上是我们查阅的资料，再来看看我们自己的发现AB 图　5.1如果用笔将杨辉三角中的偶数与奇数分别标出，便又会出现一种奇特的现象，所有的偶数都会呈现出倒立的等边三角形状排列，而奇数都成正立三角形排列，且等边三角形（偶数）的边长依次为：3、7、15、31、63……经过反复思考比对，我们又发出现了其中的规律即：3=22-1 7=23-1 15=24-1 31=25-1即所有的偶数依次排出以（2n-1）（nN*）的长度为边长的倒立的等边三角形以上种种的性质都向我们展示了杨辉三角独特的魅力，那么，它在解题中有哪些运用呢？例：如图5.1，有一只猫在A点，它要跑到老鼠所在的B点，要求它只能向上或向右跑，问有几种跑法如图，本题的背景正是著名的杨辉三角形，只需以A点为顶点，依次排出杨辉三角，容易解得共有35种走法这是信息学中典型的有向图的问题，或许信息学的朋友对信息题的数学解法并不陌生，但想不到还可以用杨辉三角解有向图吧！AB 1111410203536101523451111图　5.211(b 3)111410(ab3) (a+b)2(a+b)3(a+b)1(a+b) 0(b 2)(b 1)(b 0)(a 1)(a2b3) (a3b3) 201(a 2)1(a 3)1(a 4)23(ab) (a2b) (a3b) 436(ab2) (a2b2) (a3b2) 10(a 0)a b 图　2.1以上的例子还有很多很多，这里就不一一列举了，这也已经足以反映杨辉三角的魅力之所在了。

二、二维直角坐标系中的杨辉三角为了研究方便，我借鉴平面直角坐标系将杨辉三角放了进去正如图所示，在平面直角坐标系里，杨辉三角成了直角三角形了且它还具有一个特点，就是这个平面直角坐标系是由两个直角坐标系重叠而成的图　7.1111141020112343610351151511515356211267056 图　7.2b2b1b0a1ab3a2b3a3b3a2a3aba2ba3bab2a2b2a3b2a4b3a4a5a4ba4b2b4b3ab4a2b4a3b4a5ba5b2a5b4a4b4a5b3一边是杨辉三角的系数的坐标系，另一边是a、b各项的次数的坐标系，当两者合并成为新的杨辉三角形时，一切的运算与规律都已经系统化了，沿着经过整点的斜率为-1的线，我们轻易地可以找到(a+b)n的系数与项数，这也就是坐标系，系统化的杨辉三角，二项式定理既然是在平面直角坐标系中（这里只考虑整点），点与坐标就会有一一对应的关系，这其中就必然有规律，经过我们的推理，得出了杨辉三角的平面公式。

∵本来杨辉三角第n行0、1、2、…m…n+1各数则第(m+1)个数Pm=C,m=y n=x+yx=n-my=m当呈直角坐标系时 P=C ①这就系统地表达了杨辉三角的内含，这更有助于我们研究其规律，及研究二项式的展开项三、三维直角坐标系中的杨辉三角当研究了二维直角坐标系中的杨辉三角后，就很自然地想到三维直角坐标系，我们完全可以将3个二维直角坐标系中的杨辉三角放在一起，组成三维直角坐标系中的杨辉三角图　8.111114102011234361035151511515357055551515151535353535707011112233334444661010101020206121212Y (b)Z (c)X (a)正如上图，我们得到了一组在空间有序排列的数字，这就是我们的立体杨辉三角，那么，它又有哪些性质呢？对此我们再度展开了研究与探索：图　9.111111133111133336BCAD立体杨辉三角中的每一个平面内都是一个杨辉三角的平面型，所以它就包含了一般杨辉三角的所有性质，其中最主要的当然是对二项展开式系数的表示，对于（a+b）n，在面的斜线上我们依次可以找到各项系数分别是C、C、C、C…C (n∈N*)纵观整位体图，我们发现，以原点为顶点，过坐标轴上某一顶点截下一个正三棱锥，以下图为例我们截下立体杨辉三角中的正三棱锥O—ABC，首先，沿底边依次有数字1，3，3，1，3，3，1，3，3，这到底有什么规律呢？我们一时还看不出来，但仔细一算，我们还忽略了一点重要的地方，假设点O到ABC的距离为d，则有： 又∴D在面ABC上所以，这个三棱锥底面上的数字为1，3，3，1，3，3，1，3，3，6同样也，我们共截下了3个正三棱锥，它们底边的数字为： 1、1、1、 1，2，1，2，1，2 1，3，3，1，3，3，1，3，3，6这时，我们发现 我们又继续地研究，发现这确实是我们的立体杨辉三角的规律，有了它，我们可以做出三项式的展开项的系数，即，在面对这样的式子时，我们可以轻易地知道它的每一项的系数了。

在古希腊，毕达哥拉斯学派把1，3，6，10，15……这些数，即1，1+2，1+2+3，1+2+3+4，1+2+3+4+5……称作三角形数，因为它们可以组成正三角形，如图而我们作的各个正三棱锥的底面上的整点数（包括原点），也正好符合三角形数的原理，而且最重要的，也是与平面的杨辉三角形的联系最紧密的是，它们正好是的各项系数为了更清淅地观察，我们又做了立体三维的实物模型与平面的杨辉三角形类似，我们又做了另一个空间直角坐标系，让三条轴分别为A、B、C三轴，轴上标出它们的项数递推这样一来，将两个空间直角坐标系合并后，我们便能得到将系数、项数合并系统化的杨辉三角立体图在实物模型上，我们可以更好地分析出各数字之间的关系，但我们又把目标瞄向了杨辉三角的立体公式zx11111111143643322(b 2)公式推导：设在空间直角坐标系中有一点 P（x，y，z）首先，过y=0作x-z平面的平行截面（并以此为“标一”）过y=1作x-z平面的平行截面我们发现：①当过y=y0作x-z平面的平行截面。