x , y x, y x , y 가 수(실수 또는 복소수)이고 n ≥ 0 n \geq 0 n ≥ 0 이 정수일 때, 이항정리 ( x + y ) n = ∑ k = 0 n ( n k ) x n − k y k (x+y)^n = \sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}x^{n-k}y^k ( x + y ) n = ∑ k = 0 n ( k n ) x n − k y k 를 n n n 에 대한 귀납법으로 증명하세요.
( x + y ) n = ∑ k = 0 n ( n k ) x n − k y k (x+y)^n = \sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}x^{n-k}y^k ( x + y ) n = k = 0 ∑ n ( k n ) x n − k y k
행 n = 4 n = 4 n = 4 : 1 , 4 , 6 , 4 , 1 1,\ 4,\ 6,\ 4,\ 1 1 , 4 , 6 , 4 , 1 — ( x + y ) 4 (x+y)^4 ( x + y ) 4 전개식의 계수들.
증명 보기
먼저 귀납 단계에 쓸 파스칼 항등식 ( n k ) + ( n k − 1 ) = ( n + 1 k ) \binom{n}{k}+\binom{n}{k-1}=\binom{n+1}{k} ( k n ) + ( k − 1 n ) = ( k n + 1 ) (1 ≤ k ≤ n 1 \leq k \leq n 1 ≤ k ≤ n )를 확인합니다. 정의 ( n k ) = n ! k ! ( n − k ) ! \binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!} ( k n ) = k ! ( n − k )! n ! 를 대입하면 n ! k ! ( n − k ) ! + n ! ( k − 1 ) ! ( n − k + 1 ) ! \frac{n!}{k!(n-k)!}+\frac{n!}{(k-1)!(n-k+1)!} k ! ( n − k )! n ! + ( k − 1 )! ( n − k + 1 )! n ! 이고, n ! ( k − 1 ) ! ( n − k ) ! \frac{n!}{(k-1)!(n-k)!} ( k − 1 )! ( n − k )! n ! 로 묶어내면 n ! ( k − 1 ) ! ( n − k ) ! ( 1 k + 1 n − k + 1 ) = n ! ( k − 1 ) ! ( n − k ) ! ⋅ n + 1 k ( n − k + 1 ) = ( n + 1 ) ! k ! ( n + 1 − k ) ! = ( n + 1 k ) \frac{n!}{(k-1)!(n-k)!}\left(\frac1k+\frac1{n-k+1}\right) = \frac{n!}{(k-1)!(n-k)!}\cdot\frac{n+1}{k(n-k+1)} = \frac{(n+1)!}{k!(n+1-k)!} = \binom{n+1}{k} ( k − 1 )! ( n − k )! n ! ( k 1 + n − k + 1 1 ) = ( k − 1 )! ( n − k )! n ! ⋅ k ( n − k + 1 ) n + 1 = k ! ( n + 1 − k )! ( n + 1 )! = ( k n + 1 ) 입니다.
기저 n = 0 n = 0 n = 0 : 좌변은 ( x + y ) 0 = 1 (x+y)^0 = 1 ( x + y ) 0 = 1 이고, 우변은 k = 0 k=0 k = 0 인 항 하나뿐이라 ( 0 0 ) x 0 y 0 = 1 ⋅ 1 ⋅ 1 = 1 \binom{0}{0}x^0y^0 = 1\cdot 1\cdot 1 = 1 ( 0 0 ) x 0 y 0 = 1 ⋅ 1 ⋅ 1 = 1 — 성립합니다.
n n n 에서 성립한다고 가정합니다. ( x + y ) n + 1 = ( x + y ) ( x + y ) n (x+y)^{n+1} = (x+y)(x+y)^n ( x + y ) n + 1 = ( x + y ) ( x + y ) n 에 귀납 가설을 대입하면 ∑ k = 0 n ( n k ) x n + 1 − k y k + ∑ k = 0 n ( n k ) x n − k y k + 1 \sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}x^{n+1-k}y^k + \sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}x^{n-k}y^{k+1} ∑ k = 0 n ( k n ) x n + 1 − k y k + ∑ k = 0 n ( k n ) x n − k y k + 1 을 얻습니다.
두 번째 합에서 j = k + 1 j = k+1 j = k + 1 로 치환하면 ∑ j = 1 n + 1 ( n j − 1 ) x n + 1 − j y j \sum_{j=1}^{n+1}\binom{n}{j-1}x^{n+1-j}y^j ∑ j = 1 n + 1 ( j − 1 n ) x n + 1 − j y j 가 됩니다 (첫 번째 합의 k k k 도 j j j 로 다시 씁니다). 1 ≤ j ≤ n 1 \leq j \leq n 1 ≤ j ≤ n 에서 x n + 1 − j y j x^{n+1-j}y^j x n + 1 − j y j 의 계수는 ( n j ) + ( n j − 1 ) \binom{n}{j}+\binom{n}{j-1} ( j n ) + ( j − 1 n ) 이며, 파스칼 항등식으로 ( n + 1 j ) \binom{n+1}{j} ( j n + 1 ) 가 됩니다. 경계항은 j = 0 j=0 j = 0 에서 ( n 0 ) = 1 = ( n + 1 0 ) \binom{n}{0} = 1 = \binom{n+1}{0} ( 0 n ) = 1 = ( 0 n + 1 ) , j = n + 1 j=n+1 j = n + 1 에서 ( n n ) = 1 = ( n + 1 n + 1 ) \binom{n}{n} = 1 = \binom{n+1}{n+1} ( n n ) = 1 = ( n + 1 n + 1 ) 이므로 전체 합은 ∑ j = 0 n + 1 ( n + 1 j ) x n + 1 − j y j \sum_{j=0}^{n+1}\binom{n+1}{j}x^{n+1-j}y^j ∑ j = 0 n + 1 ( j n + 1 ) x n + 1 − j y j — 정확히 n + 1 n+1 n + 1 에서의 공식입니다.
기저와 귀납 단계로 모든 n ≥ 0 n \geq 0 n ≥ 0 에서 이항정리가 성립합니다. 핵심은 파스칼 항등식입니다 — 이항계수의 점화식이 ( x + y ) (x+y) ( x + y ) 를 한 번 더 곱하는 귀납 단계와 정확히 맞아떨어집니다.