Bài học Toán THPT - Nhị Thức Newton

📘 BÀI HỌC TOÁN 10: NHỊ THỨC NEWTON

Chương VIII: Đại số tổ hợp - Bài 25 (Bộ sách Kết nối tri thức với cuộc sống)

1. Khai triển Nhị thức Newton với \(n = 4\)

📌 Công thức khai triển \((a + b)^4\): \[ (a + b)^4 = C_4^0 a^4 + C_4^1 a^3b + C_4^2 a^2b^2 + C_4^3 ab^3 + C_4^4 b^4 \]

Thay giá trị các số tổ hợp \(C_4^0 = 1, C_4^1 = 4, C_4^2 = 6, C_4^3 = 4, C_4^4 = 1\), ta thu được:

\[ (a + b)^4 = a^4 + 4a^3b + 6a^2b^2 + 4ab^3 + b^4 \]
💡 Trường hợp đặc biệt \((a - b)^4\):

Bằng cách thay \(b\) bởi \(-b\), các số hạng chứa số mũ lẻ của \(b\) sẽ mang dấu âm:

\[ (a - b)^4 = a^4 - 4a^3b + 6a^2b^2 - 4ab^3 + b^4 \]

2. Khai triển Nhị thức Newton với \(n = 5\)

📌 Công thức khai triển \((a + b)^5\): \[ (a + b)^5 = C_5^0 a^5 + C_5^1 a^4b + C_5^2 a^3b^2 + C_5^3 a^2b^3 + C_5^4 ab^4 + C_5^5 b^5 \]

Thay giá trị các số tổ hợp \(C_5^0 = 1, C_5^1 = 5, C_5^2 = 10, C_5^3 = 10, C_5^4 = 5, C_5^5 = 1\), ta thu được:

\[ (a + b)^5 = a^5 + 5a^4b + 10a^3b^2 + 10a^2b^3 + 5ab^4 + b^5 \]
💡 Trường hợp đặc biệt \((a - b)^5\):

Thay \(b\) bởi \(-b\), dấu của các số hạng sẽ xen kẽ giữa dương và âm:

\[ (a - b)^5 = a^5 - 5a^4b + 10a^3b^2 - 10a^2b^3 + 5ab^4 - b^5 \]

3. Tam giác Pascal & Nhận xét cấu trúc khai triển

📌 Các đặc điểm chính của khai triển \((a + b)^n\) (với \(n = 4, 5\)):
  • Số các số hạng trong khai triển bằng \(n + 1\) (với \(n = 4\) có 5 số hạng; với \(n = 5\) có 6 số hạng).
  • Số mũ của \(a\) giảm dần từ \(n\) đến \(0\); số mũ của \(b\) tăng dần từ \(0\) đến \(n\).
  • Tổng số mũ của \(a\) và \(b\) trong mỗi số hạng luôn bằng \(n\).
  • Các hệ số của các số hạng cách đều hai số hạng đầu và cuối thì bằng nhau: \(C_n^k = C_n^{n-k}\).
💡 Hệ số từ Tam giác Pascal cho \(n = 0, 1, 2, 3, 4, 5\):
\(n = 0\):              1
\(n = 1\):            1     1
\(n = 2\):         1     2     1
\(n = 3\):      1     3     3     1
\(n = 4\):    1     4     6     4     1
\(n = 5\): 1     5    10    10     5     1

4. Tóm tắt công thức khai triển

📌 Bảng tổng hợp công thức Nhị thức Newton Toán 10:
Số mũ \(n\) Khai triển \((a + b)^n\) Khai triển \((a - b)^n\)
\(n = 4\) \(a^4 + 4a^3b + 6a^2b^2 + 4ab^3 + b^4\) \(a^4 - 4a^3b + 6a^2b^2 - 4ab^3 + b^4\)
\(n = 5\) \(a^5 + 5a^4b + 10a^3b^2 + 10a^2b^3 + 5ab^4 + b^5\) \(a^5 - 5a^4b + 10a^3b^2 - 10a^2b^3 + 5ab^4 - b^5\)
💡 Ứng dụng tính tổng các hệ số:

• Để tính tổng tất cả các hệ số trong khai triển, ta cho \(a = 1, b = 1\):

   \(C_4^0 + C_4^1 + C_4^2 + C_4^3 + C_4^4 = 2^4 = 16\)

   \(C_5^0 + C_5^1 + C_5^2 + C_5^3 + C_5^4 + C_5^5 = 2^5 = 32\)

5. Ví dụ minh họa & Bài tập tự luyện

Ví dụ 1 Khai triển biểu thức

Khai triển các biểu thức sau:

a) \((x + 2)^4\)

b) \((2x - 1)^5\)

Lời giải:

a) Áp dụng công thức khai triển \((a + b)^4\) với \(a = x, b = 2\):

\[ (x + 2)^4 = x^4 + 4x^3 \cdot 2 + 6x^2 \cdot 2^2 + 4x \cdot 2^3 + 2^4 \] \[ = x^4 + 8x^3 + 24x^2 + 32x + 16 \]

b) Áp dụng công thức khai triển \((a - b)^5\) với \(a = 2x, b = 1\):

\[ (2x - 1)^5 = (2x)^5 - 5(2x)^4(1) + 10(2x)^3(1)^2 - 10(2x)^2(1)^3 + 5(2x)(1)^4 - 1^5 \] \[ = 32x^5 - 5(16x^4) + 10(8x^3) - 10(4x^2) + 10x - 1 \] \[ = 32x^5 - 80x^4 + 80x^3 - 40x^2 + 10x - 1 \]
Ví dụ 2 Tìm hệ số của số hạng trong khai triển

Tìm hệ số của \(x^3\) trong khai triển của biểu thức \((3x - 2)^4\).

Lời giải:

Áp dụng khai triển \((a - b)^4 = a^4 - 4a^3b + 6a^2b^2 - 4ab^3 + b^4\) với \(a = 3x\) và \(b = 2\).

Số hạng chứa \(x^3\) ứng với số hạng thứ hai: \(-4a^3b\).

Thay \(a = 3x, b = 2\) vào số hạng này, ta được:

\[ -4 \cdot (3x)^3 \cdot 2 = -4 \cdot 27x^3 \cdot 2 = -216x^3 \]

Vậy hệ số của \(x^3\) trong khai triển là \(-216\).

Ví dụ 3 Ứng dụng tính giá trị gần đúng

Dùng hai số hạng đầu tiên trong khai triển của \((1 + 0{,}02)^5\) để tính giá trị gần đúng của \(1{,}02^5\).

Lời giải:

Khai triển \((1 + x)^5 = 1 + 5x + 10x^2 + 10x^3 + 5x^4 + x^5\).

Với \(x = 0{,}02\), sử dụng hai số hạng đầu tiên ta có:

\[ (1 + 0{,}02)^5 \approx 1 + 5 \cdot (0{,}02) = 1 + 0{,}10 = 1{,}10 \]

(Giá trị chính xác của \(1{,}02^5 \approx 1{,}10408\), sự chênh lệch là rất nhỏ).

Bài tập tự luyện:

Bài 1: Khai triển các biểu thức sau:

a) \((x + 3)^5\)

b) \((x - 2y)^4\)

c) \(\left(x + \displaystyle\frac{1}{x}\right)^4\)

Bài 2: Tìm hệ số của \(x^2\) trong khai triển của \((2x - 3)^5\).

Bài 3: Tìm số hạng không chứa \(x\) trong khai triển của \(\left(x - \displaystyle\frac{2}{x}\right)^4\).

Bài 4: Tính tổng các hệ số trong khai triển của biểu thức \((3x - 1)^5\).