杨辉三角形

二项式系数的一种写法
(重定向自贾宪三角形

杨辉三角形,又称帕斯卡三角形賈憲三角形海亚姆三角形巴斯卡三角形,是二项式系數的一种写法,形似三角形,在中国首现于南宋杨辉的《詳解九章算法》得名,其在书中说明是引自贾宪的《释锁算书》,故又名贾宪三角形。前 9 行写出来如下:

永乐大典》一页:杨辉引用贾宪《释锁算书》中的贾宪三角形

杨辉三角形第 层(顶层称第 0 层,第 1 行,第 层即第 行,此处 为包含 0 在内的自然数)正好对应于二项式 展开的系数。例如第二层 1 2 1 是幂指数为 2 的二项式 展开形式 的系数。

性質 编辑

 
每個數是它左上方和右上方的數的和
 
各條線穿過的數之和均為斐波那契數
 
用楊輝三角形做成的謝爾賓斯基三角形
  1. 楊輝三角形以正整數構成,數字左右对称,每行由1开始逐渐变大,然后变小,回到1。
  2. 楊輝三角形每一行的平方和在楊輝三角出現奇數次。
  3. 楊輝三角形第2的冪行所有數都是奇數[註 1],此為盧卡斯定理的特殊情況。
  4.   行的数字个数为   个。
  5.   行的第   個數字為組合數  
  6.   行数字和为  ,因為第   行是   的二項展開。
  7.   行的数字按順序寫下所形成的數字为  ,因為該數字是   的二項展開。例如第二行   ,第三行  ,第四行  ,第五行  ,第六行  (第六行之後需進位)。該規律可推廣至任何進位制,例如在九進制下:  
  8. 除每行最左側與最右側的數字以外,每个数字等于它的左上方與右上方两个数字之和(也就是說,第   行第   個數字等於第   行的第   個數字與第   個數字的和)。這是因为有組合恒等式: 。可用此性质写出整个楊輝三角形。
  9. 如果  質數,則第   行的數中除了兩端的1以外均為   的整數倍數。若  合數則不然。[註 2]
  10. 按照該三角形的斜邊以及與之平行的斜線上的數所形成的數列為第   維度單純形數。即第一列全為1(0維),第二列為自然數形成的數列,第三列為三角形數形成的數列,第四列為四面體數形成的數列,第五列為五胞體數形成的數列,以此類推。
  11.   行(第   層)的所有的數的平方和為第   行(第   層)正中央的數字。可用該式得出  。例如第五行(第四層)所有的數的平方和   是第九行(第八層)正中央的數字。
  12. 將三角形左端對齊之後,沿右斜45度的對角線方向(不改變三角形形狀的話則需要按照中國象棋的走法)取得的數之和為斐波那契數
  13. 將第奇數行正中央的數減去其左側(或右側)第二個數,得到的差為卡塔蘭數
  14. 將楊輝三角形中所有的奇數與所有的偶數以不同顏色塗色的話,可以形成一個類似謝爾賓斯基三角形的圖形。

歷史 编辑

 
印度手稿中使用的 Meru Prastaara (मेरु प्रस्तार),源自賓伽羅 的公式。拉古纳特图书馆J&K手稿;公元755年
 
朱世杰《四元玉鉴》中的「古法七乘方圖」

波斯數學家Al-Karaji和天文學家兼詩人欧玛尔·海亚姆(عمر خیام,Omar Khayyám)在10世紀都發現了這個三角形,而且還知道可以借助這個三角形找 次根,和它跟二项式的關係。但他们的著作已不存。[2]

11世纪北宋数学家贾宪发明了贾宪三角,并发明了增乘方造表法,可以求任意高次方的展开式系数。贾宪还对贾宪三角表(古代称数字表为“立成”)的构造进行描述。[3]贾宪的三角表图和文字描写,仍保存在大英博物馆所藏《永乐大典》卷一万六千三百四十四。

13世纪中国南宋数学家杨辉在《详解九章算术》里解释这种形式的数表,并说明此表引自11世纪前半贾宪的《释锁算术》[4]

1303年元代数学家朱世杰在《四元玉鉴》卷首绘制《古法七乘方图》[5]

意大利人稱之為「塔塔利亞三角形」(Triangolo di Tartaglia)以紀念在16世紀發現一元三次方程解的塔塔利亞

布萊士·帕斯卡的著作Traité du triangle arithmétique(1655年)介紹了這個三角形。帕斯卡搜集了幾個關於它的結果,並以此解決一些概率論上的問題,影响面广泛,Pierre Raymond de Montmort(1708年)和亞伯拉罕·棣莫弗(1730年)都用帕斯卡來稱呼這個三角形。

历史上曾经独立绘制过这种图表的数学家:

  • Karaji 和 Omar Khayyám 波斯 10世紀(图文无存)
  • 賈憲 中國北宋 11世纪 《释锁算术》 (图文现存大英博物馆所藏《永乐大典》)
  • 杨辉 中國南宋 1261《详解九章算法》记载之功(图文现存大英博物馆所藏《永乐大典》)
  • 朱世杰 中國元代 1299《四元玉鉴》级数求和公式
  • 阿尔·卡西 阿拉伯 1427《算术的钥匙》(现存图文)
  • 阿皮亚纳斯 德国 1527
  • 施蒂费尔 德国 1544《综合算术》二项式展开式系数
  • 薛贝尔 法国 1545
  • B·帕斯卡 法国 1654《论算术三角形》

中国数学家的研究 编辑

中国贾宪是贾宪三角的发明人,贾宪/杨辉称之为“释锁求廉本源”,朱世杰称之为“古法七乘方图”(1303年),明代数学家吴敬《九章详注比类算法大全》称之为“开方作法本源”(1450年);明王文素算学宝鉴》称之为“开方本源图”(1524年);明代程大位算法统宗》称之为“开方求廉率作法本源图”(1592年)。 清代梅文鼎《少广拾遗》称之为“七乘府算法”(1692年);清代孔广森《少广正负术》称之为“诸乘方乘率表”;焦循《加减乘除释》称之为“古开方本原图”;刘衡《筹表开诸乘方捷法》称之为“开方求廉率图”;项名达《象数一原》称之为“递加图”。伟烈亚力《数学启蒙》称之为“倍廉法表”;李善兰《垛积比类》称之为“三角垛表”。近代中算史家李俨称之为“巴斯噶三角形”,但根据《永乐大典》指出“巴斯噶三角形”最早由贾宪使用。[6]。著名数学家华罗庚,在1956年写的一本通俗读物《从杨辉三角谈起》[7],将贾宪的《开方作法本源》称为“杨辉三角”,首次将“巴斯噶三角形”回归宋代数学家名下;此后的中学数学教科书和许多数学科普读物都跟随之[8]。另一方面,专业的中国数学史著作,都用“贾宪三角”这个称呼。[9][10]

一個數在杨辉三角出現的次數 编辑

由1開始,正整數在楊輝三角形出現的次數為:,1, 2, 2, 2, 3, 2, 2, 2, 4, 2, 2, 2, 2, 4, ... (OEIS:A003016)。最小而又大於1的數在賈憲三角形至少出現n次的數為2, 3, 6, 10, 120, 120, 3003, 3003, ... (OEIS:A062527

  • 除了1之外,所有正整數都出現有限次。
  • 只有2出現剛好一次。
  • 6,20,70等出現三次。
  • 出現兩次和四次的數很多。
  • 還未能找到出現剛好五次或七次的數。
  • 120,210,1540等出現剛好六次。(OEIS:A098565
    • 因為丟番圖方程
       
      有無窮個解[11],所以出現至少六次的數有無窮多個。
    • 其解答,是
 
 
    • 其中 表示第 個斐波那契數( )。
  • 3003是第一個出現八次的數。

註釋 编辑

  1. ^ 亦即組合數 恆為奇數,其中 為非負整數,  中的某一數。
  2. ^ 考慮二項式係數 ,並限定n不為p或0,則由於分子有質數p,但分母不含p,故分子的p能保留,不被約分而除去,即 恆為p的倍數[1]。另見中一新生之夢

参考文献 编辑

  1. ^ How is (x+y)^p≡x^p+y^p mod p for any prime number p. Mathematics Stack Exchange. 2018-09-27 [2021-04-26]. (原始内容存档于2022-03-25) (英语). 
  2. ^ Victor J. Katz, editor, The Mathematics of Egypt, Mesopotamia, China, India, and Islam, A Sourcebook. Page 518, Princeton University Press 2007.
  3. ^ 郭书春著 《中国科学技术史·数学卷》第十五章 《唐中叶至元中叶熟悉概论》第357页 (贾宪)创造《开发作法本源》即贾宪三角 科学出版社 2010
  4. ^ 永乐大典》卷一万六千三百四十四
  5. ^ 朱世杰 原著 李兆华校证 《四元玉鉴校证》卷首《古法七乘方图》 第58页 科学出版社 2007 ISBN 978-7-03-020112-6
  6. ^ 李俨 《中算家的巴斯噶三角形研究》《李俨.钱宝琮科学史全集》卷6,215-230页
  7. ^ 华罗庚著 《从杨辉三角谈起》 《数学通报丛书》科学出版社 1956年10月
  8. ^ 郭书春 《中国科学技术史·数学卷》422页 第十八章第二节 《贾宪三角》,科学出版社 2010
  9. ^ 吴文俊主编 《中国数学史大系》第五卷 704页
  10. ^ 郭书春 《中国科学技术史·数学卷》 第十八章第二节 《贾宪三角》,科学出版社 2010
  11. ^ Singmaster, David, "Repeated Binomial Coefficients and Fibonacci numbers", Fibonacci Quarterly, volume 13, number 4, pages 296—298, 1975.

外部連結 编辑

参见 编辑