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第18讲 排列组合、二项式定理
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第18讲 排列组合、二项式定理
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第18讲 排列组合、二项式定理
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1.加法原理与乘法原理
(1)分类加法计数原理
完成一件事有两类不同的方案,在第1类方案中有m种不同的方法,在第2类方案中有n种不同的方法.那么完成这件事共有N=m+n种不同的方法.
(2)分步乘法计数原理
完成一件事需要两个步骤,做第1步有m种不同的方法,做第2步有n种不同的方法,那么完成这件事共有N=m×n种不同的方法.
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(3)分类加法和分步乘法计数原理,区别在于:分类加法计数原理针对“分类”问题,其中各种方法相互独立,用其中任何一种方法都可以做完这件事;分步乘法计数原理针对“分步”问题,各个步骤相互依存,只有各个步骤都完成了才算完成这件事.
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2.排列与组合
(1)排列与组合的概念
名称 定义
排列 从n个不同元素中取出m(m≤n)个不同元素 按照一定的顺序排成一列
组合 合成一组
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(2)排列数与组合数
从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有不同排列的个数,叫做从n个不同元素中取出m个元素的排列数.
从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有不同组合的个数,叫做从n个不同元素中取出m个元素的组合数.
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(3)排列数、组合数的公式及性质
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3.二项式定理
(1)二项式定理
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(2)二项式系数的性质
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题型一 加法与乘法原理
【例1】 (1)从甲地到乙地每天有直达汽车4班,从甲到丙地,每天有5个班车,从丙地到乙地每天有3个班车,则从甲地到乙地不同的乘车方法有( )
A.12种 B.19种 C.32种 D.60种
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(2)如图,用6种不同的颜色分别给图中A,B,C,D四块区域涂色,若相邻区域不能涂同一种颜色,则不同的涂法共有( )
A.400种 B.460种 C.480种 D.496种
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【解析】 (1)分两类:一类是直接从甲到乙,有n1=4种方法;
另一类是从甲经丙再到乙,可分为两步,有n2=5×3=15种方法.
由分类计数原理可得:
从甲到乙的不同乘车方法n=n1+n2=4+15=19.故选B.
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(2)完成此事可能使用4种颜色,也可能使用3种颜色.当使用4种颜色时:从A开始,有6种方法,B有5种,C有4种,D有3种,完成此事共有6×5×4×3=360种方法;当使用3种颜色时,A,D使用同一种颜色,从A,D开始,有6种方法,B有5种,C有4种,完成此事共有6×5×4=120种方法.由分类加法计数原理可知:不同的涂法有360+120=480(种).
【答案】(1)B (2)C
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【规律方法】
(1)注意在综合应用两个原理解决问题时,一般是先分类再分步.在分步时可能又用到分类加法计数原理;注意对于较复杂的两个原理综合应用的问题,可恰当地列出示意图或列出表格,使问题形象化、直观化.
(2)解决涂色问题,可按颜色的种数分类,也可按不同的区域分步完成.第(2)题中,相邻区域不同色,是按区域1与3是否同色分类处理.
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变式训练一
1.某地环保部门召集6家企业的负责人座谈,其中甲企业有2人到会,其余5家企业各有1人到会,会上有3人发言,则发言的3人来自3家不同企业的可能情况的种数为( )
A.15 B.30 C.35 D.42
B
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【解析】 发言的3人来自3家不同企业且含甲企业的人的情况有=20(种);发言的3人来自3家不同企业且不含甲企业的人的情况有=10(种).所以发言的3人来自3家不同企业的可能情况共有20+10=30(种),故选B.
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2.如果一个三位正整数如“a1a2a3”满足a1<a2,且a2>a3,则称这样的三位数为凸数(如120,343,275等),那么所有凸数的个数为( )
A.240 B.204 C.729 D.920
A
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【解析】 若a2=2,则百位数字只能选1,个位数字可选1或0.“凸数”为120与121,共2个.若a2=3,则“凸数”有2×3=6(个).若a2=4,满足条件的“凸数”有3×4=12(个),…,若a2=9,满足条件的“凸数”有8×9=72(个).∴所有凸数有2+6+12+20+30+42+56+72=240(个).
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题型二 排列与组合
【例2-1】 3名女生和5名男生排成一排.
(1)如果女生全排在一起,有多少种不同排法?
(2)如果女生都不相邻,有多少种排法?
(3)如果女生不站两端,有多少种排法?
(4)其中甲必须排在乙前面(可不相邻),有多少种排法?
(5)其中甲不站左端,乙不站右端,有多少种排法?
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(5)甲、乙为特殊元素,左、右两边为特殊位置.
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【例2-2】 某市工商局对35种商品进行抽样检查,已知其中有15种假货.现从35种商品中选取3种.
(1)其中某一种假货必须在内,不同的取法有多少种?
(2)其中某一种假货不能在内,不同的取法有多少种?
(3)至少有2种假货在内,不同的取法有多少种?
(4)至多有2种假货在内,不同的取法有多少种?
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【例2—3】 4个不同的球,4个不同的盒子,把球全部放入盒内.
(1)恰有1个盒不放球,共有几种放法?
(2)恰有1个盒内有2个球,共有几种放法?
(3)恰有2个盒不放球,共有几种放法?
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(2)“恰有1个盒内有2个球”,即另外3个盒子放2个球,每个盒子至多放1个球,也即另外3个盒子中恰有一个空盒,因此,“恰有1个盒内有2个球”与“恰有1个盒不放球”是同一件事,所以共有144种放法.
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【规律方法】
(1)求解有限制条件排列问题的主要方法
直接法
分类法 选定一个适当的分类标准,将要完成的事件分成几个类型,分别计算每个类型中的排列数,再由分类加法计数原理得出总数
分步法 选定一个适当的标准,将事件分成几个步骤来完成,分别计算出各步骤的排列数,再由分步乘法计数原理得出总数
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捆绑法 相邻问题捆绑处理,即可以把相邻元素看作一个整体与其他元素进行排列,同时注意捆绑元素的内部排列
插空法 不相邻问题插空处理,即先考虑不受限制的元素的排列,再将不相邻的元素插在前面元素排列的空中
除法 对于定序问题,可先不考虑顺序限制,排列后,再除以已定元素的全排列
间接法 对于分类过多的问题,按正难则反,等价转化的方法
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(2)解决有限制条件排列问题的策略
①根据特殊元素(位置)优先安排进行分步,即先安排特殊元素或特殊位置;
②根据特殊元素当选数量或特殊位置由谁来占进行分类.
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(3)含有附加条件的组合问题的解法
①“含有”或“不含有”某些元素的组合题型:若“含”,则先将这些元素取出,再由另外元素补足;若“不含”,则先将这些元素剔除,再从剩下的元素中去选取;②“至少”或“最多”含有几个元素的组合题型:解这类题目必须十分重视“至少”与“最多”这两个关键词的含义,谨防重复与漏解.用直接法或间接法都可以求解,通常用直接法分类复杂时,用间接法求解.
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(4)解排列、组合问题要遵循的两个原则
①按元素(或位置)的性质进行分类;
②按事情发生的过程进行分步.具体地说,解排列、组合问题常以元素(或位置)为主体,即先满足特殊元素(或位置),再考虑其他元素(或位置).
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变式训练二
1.(2021·全国甲卷)将4个1和2个0随机排成一行,则2个0不相邻的概率为( )
C
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【解析】将4个1和2个0随机排成一行,可利用插空法,4个1产生5个空,
若2个0相邻,则有种排法;若2个0不相邻,则有=10种排法,
所以2个0不相邻的概率为.故选C.
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2.(2023·新高考Ⅱ卷)某学校为了解学生参加体育运动的情况,用比例分配的分层随机抽样方法作抽样调查,拟从初中部和高中部两层共抽取60名学生,已知该校初中部和高中部分别有400名和200名学生,则不同的抽样结果共有 ( )
D
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【解析】初中部和高中部总共有400+200=600(人),按照分层抽样的原理,应从初中部抽取×60=40(人),从高中部抽取×60=40(人),第一步:从初中部抽取40人,有种方法,第2步:从高中部抽取20人,有种方法,根据分步计数原理,一共有种方法;故选D.
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3.(2024·新课标Ⅱ卷)在如图的4×4方格表中选4个方格,要求每行和每列均恰有一个方格被选中,则共有 种选法,在所有符合上述要求的选法中,选中方格中的4个数之和的最大值是 .
11 21 31 40
12 22 33 24
13 22 33 43
15 24 34 44
24
112
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【解析】由题意知,选4个方格,每行和每列均恰有一个方格被选中,则第一列有4个方格可选,第二列有3个方格可选,第三列有2个方格可选,第四列有1个方格可选,所以共有4×3×2×1=24种选法;每种选法可标记为(a,b,c,d),a,b,c,d分别表示第一、二、三、四列的数字,则所有的可能结果为:(11,22,33,44),(11,22,34,43),(11,22,33,44),(11,22,34,42),(11,24,33,43),(11,24,33,42),(12,21,33,44),(12,21,34,43),(12,2231,44),(12,22,34,40),(12,24,31,43),(12,24,33,40),(13,21,33,44),(13,21,34,42),(13,22,31,44),(13,22,34,40),(13,24,31,42),(13,24,33,40),(15,21,33,43),(15,21,33,42),(15,22,31,43),(15,22,33,40),(15,22,31,42),(15,22,33,40),所以选中的方格中,(15,21,33,43)的4个数之和最大,为15+21+33+43=112.故答案为24;112.
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【答案】20
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【例3-2】 在(2x-3y)10的展开式中,求:
(1)二项式系数的和;
(2)各项系数的和;
(3)奇数项的二项式系数和与偶数项的二项式系数和;
(4)奇数项系数和与偶数项系数和;
(5)x的奇次项系数和与x的偶次项系数和.
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【解析】 设(2x-3y)10=a0x10+a1x9y+a2x8y2+…+a10y10,(*)
各项系数和为a0+a1+…+a10,奇数项系数和为a0+a2+…+a10,偶数项系数和为a1+a3+a5+…+a9,x的奇次项系数和为a1+a3+a5+…+a9,x的偶次项系数和为a0+a2+a4+…+a10.
由于(*)是恒等式,故可用“赋值法”求出相关的系数和.
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【规律方法】
(1)与二项展开式有关问题的解题策略
①求展开式中的第n项,可依据二项式的通项直接求出第n项;
②求展开式中的特定项,可依据条件写出第r+1项,再由特定项的特点求出r值即可.
③已知展开式的某项,求特定项的系数,可由某项得出参数项,再由通项写出第r+1项,由特定项得出r值,最后求出其参数.
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(2)赋值法的应用
①形如(ax+b)n,(ax2+bx+c)m(a,b,c∈R)的式子求其展开式的各项系数之和,常用赋值法,只需令x=1即可;
②对形如(ax+by)n(a,b∈R)的式子求其展开式各项系数之和,只需令x=y=1即可;
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变式训练三
A.-6 B.-15 C.6 D.15
A
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【解析】二项式的展开式的通项公式为Tr+1=x6-r=(-a)rx6-2r,当r=3时,为常数项.则(-a)3=-20⇒a=1,令6-2r=4,得r=1,所以含x4项的系数为(-1)1=-6.故选A.
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2.若(1+ax2)·(2-x)4的展开式中x3的系数为8,则实数a的值是( )
A
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【解析】(2-x)4的展开式的通项公式为Tr+1=·24-r·(-1)r·xr,
则1×(2-x)4的展开式中含有x3的项为·21·(-1)3·x3=-8x3,
ax2×(2-x)4的展开式中含有x3的项为ax2×·23·(-1)1·x1=-32ax3,则-8-32a=8,解得a=-.故选A.
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A.-20 B.-10 C.10 D.20
C
【解析】 令x=1,可得a+1=2,所以a=1,所以(ax+)
(2x-1)5=(x+)(2x-1)5,则展开式中常数项为(2x-1)5展开式中x项的系数,即2(-1)4=10.故选C.
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112
【解答】()n的二项展开式的中,只有第5项的二项式系数最大,∴n=8,
通项公式为·(-2)r·=(-2)r·,令=0,求得r=2,
可得二项展开式中常数项等于4×=112.
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A.-32 B.-88 C.88 D.152
C
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【解析】表示5个因式的乘积,要得到常数项,有2种情形:
(1)5个因式中每一个因式都取-2,可得到常数项,它的值为(-2)5=-32;
(2)5个因式中,有2个因式取,一个因式取x2,其余的因式都取-2,
则·(-2)2=120,综上可得,常数项的值为-32+120=88.故选C.
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6.(多选)若x5=a0+a1(1+x)+a2(1+x)2+…+a5(1+x)5,其中a0,a1,a2,…,a5为实数,则( )
A.a0=0 B.a3=10
C.a1+a2+…+a5=1 D.a1+a3+a5=-16
BC
【解答】x5=[-1+(1+x)]5=a0+a1(1+x)+a2(1+x)2+a3(1+x)3+a4(1+x)4+a5(1+x)5,可得a0=-1,a1=5,a2=-10,a3=10.a4=-5,a5=1.
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40
【解析】由2x·(-2x)2+(-2x)4=40x3,所以x3的系数为40.故答案为40.
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2.将7支不同的笔全部放入两个不同的笔筒中,每个笔筒中至少放2支,则不同的放法有( )
A.56种 B.84种 C.112种 D.28种
C
【解析】 根据题意先将7支不同的笔分成两组,若一组2支,另一组5支,有种分组方法;若一组3支,另一组4支,有种分组方法.然后分配到2个不同的笔筒中,故共有(=112种放法.
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3.某校举行文艺汇演,甲、乙、丙等6名同学站成一排演唱歌曲,若甲、乙不相邻,丙不在两端,则不同的排法共有
( )
A.72种 B.144种
C.288种 D.432种
C
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A.84 B.-252 C.252 D.-84
A
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【解析】 由题意可得=36,∴n=9.
∴的展开式的通项为
Tr+1=·99-r·,令9-=0,
得r=6.∴展开式中的常数项为×93×=84.
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5.为了迎接学校即将到来的某项活动,某班组织学生进行卫生大扫除,班主任将班级中的9名同学(包含甲)平均分配到三个区域(分别编号为1,2,3)进行卫生打扫,其中甲同学必须打扫1号区域,则不同的分配方法有( )
A.560种 B.280种
C.840种 D.1120种
A
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6.旅游体验师小李受某旅游网站的邀约,决定对甲、乙、丙、丁这四个景区进行体验式旅游,若甲景区不能最先旅游,乙景区和丁景区不能最后旅游,则小李旅游的方法数为( )
A.24 B.18 C.16 D.10
D
【解析】 第一类,甲景区在最后一个体验,则有种方法;第二类,甲景区不在最后一个体验,则有种方法,所以小李旅游的方法共有=10(种),故选D.
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第18讲 排列组合、二项式定理
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8.将标号为1,2,3,4的四个篮球分给三位小朋友,每位小朋友至少分到一个篮球,且标号1,2的两个篮球不能分给同一个小朋友,则不同的分法种数为( )
A.15 B.20 C.30 D.42
C
【解析】 四个篮球中两个分到一组有种分法,三组篮球进行全排列有种,标号1,2的两个篮球分给同一个小朋友有种分法,所以有=36-6=30(种)分法.
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9.6把椅子摆成一排,3人随机就座,任何两人不相邻的坐法种数为 .
24
【解析】 先排三个空椅子,形成4个间隔,然后插入3个坐人的椅子,故有=24(种).
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10.在(x2-x+y)5的展开式中,x5y2的系数为( )
A.-10 B.10
C.-30 D.30
C
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公式
(1n-1)(n-2)…(n-m+1
(2n,m∈N*,且m≤n).特别
性质
(1)0!=1
(2
①二项式定理:(a+b)nb+n∈N*);
②通项公式:Tr+r+1项;
③二项式系数:二项式展开式中各项的系数…
性质
性质描述
对称性
与首末等距离的两个二项式系数相等,
增减性
二项式
系
当kn∈N*)时,是递增的
当kn∈N*)时,是递减的
二项式系数最大值
当n为偶数时,中间的一
当n为奇数时,中间的两
(3)各二项式系数和
①(a+b)n展开式的各二项式系数和n.
②偶数项的二项式系数的和等于奇数项的二项式系数的和,=2n-1.
【解析】 (1)(捆绑法)由于女生排在一起,可把她们看成一个整体,这样同五个男生合在一起有6个元素,排成一排,而其中每一种排法中,三个女生间又,因此共320(种)不同排法.
(2)(插空法)先排5个男生,,这5个男生之间和两端有6个位置,从中选取3个位置排女生,,因此共400(种)不同排法.
(3)【解法一】(位置分析法) 因为两端不排女生,只能从5个男生中选2人排列,,剩余的位置没有特殊要求,,因此共400(种)不同排法.
【解法二】(元素分析法) 从中间6个位置选3个安排女生,,其余位置无限制,,因此共400(种)不同排法.
(4)8名学生的所有排列,其中甲在乙前面与乙在甲前面的各占其,∴符合要求的排法种数160(种).
【解法一】(特殊元素法) 甲在最右边时,其他的可全排,;甲不在最右边时,可从余下6个位置中任选一个,而乙可排在除去最右边位置后剩余的6个中的任一个上,,其余人全排列,共
由分类加法计数原理,共960(种).
【解法二】(特殊位置法) 先排最左边,除去甲外,,余下7个位置全排,,但应剔除乙在最右边时的排,因此共960(种).
解法三(间接法) 8个人全排,,其中,不合条件的有甲在最左边时,,乙在最右边时,,其中都包含了甲在最左边,同时乙在最右边的情形,因此共960(种).
【解析】 (1)从余下的34种商品中,选取2种(种),
∴某一种假货必须在内的不同取法有561种.
(2)从34种可选商品中,选取3种,984(种).
∴某一种假货不能在内的不同取法有5 984种.
(3)选取2件假货,选取3件假货,共有选取方100+455=2 555(种).
∴至少有2种假货在内的不同的取法有2 555种.
(4)选取3件的总数,因此共有选取方式
545-455=6 090(种).
∴至多有2种假货在内的不同的取法有6 090种.
【解析】 (1)为保证“恰有1个盒不放球”,先从4个盒子中任意取出去一个,问题转化为“4个球,3个盒子,每个盒子都要放入球,共有几种放法?”即把4个球分成2,1,1的三组,然后再从3个盒子中选1个放2个球,其余2个球放在另外2个盒子内,由分步乘法计数原理,共(种).
(3)确定2个空盒
4个球放进2个盒子可分成(3,1),(2,2)两类,第一类有序不均匀分组;第二类有序均匀分组故共()=84(种).
A
A
C
题型三 二项式
【例3-1】 (2024·天津卷)在的展开式中,常数项为 .
【解析】因为的展开式的通项为Tr+1==36-2rx6(r-3),r=0,1,…,6,令6(r-3)=0,可得r=3,所以常数项为30=20.故答案为20.
(1)二项式系数的和
(2)令x=y=1,各项系数和为(2-3)10=(-1)10=1.
(3)奇数项的二项式系数和,
偶数项的二项式系数和=29.
(4)令x=y=1,得到a0+a1+a2+…+a10=1,①
令x=1,y=-1(或x=-1,y=1),
得a0-a1+a2-a3+…+a10=510,②
①+②得2(a0+a2+…+a10)=1+510,
∴奇数项系数和;
①-②得2(a1+a3+…+a9)=1-510,
∴偶数项系数和
(5)x的奇次项系数和为a1+a3+a5+…+a;
x的偶次项系数和为a0+a2+a4+…+a1
③若f(x)=a0+a1x+a2x2+…+anxn,则f(x)展开式中各项系数之和为f(1),奇数项系数之和为a0+a2+a4+,偶数项系数之和为a1+a3+a5+
1.二项-20,则含x4项的系数为( )
A
2x-1)5的展开式中各项系数的和为2,则该展开式中常数项为 ( )
45项的二项式系数最大,则二项展开式中常数项等于 .
( )
1-2x)4的展开式中x3的系数为 .
【解析】(1)除甲、乙、丙外的3个人排成一排有6(种)排法,再将甲、乙2个人插空,有12(种)排法,最后排丙,丙不在两端,则丙有4种排法,故共有6×12×4=288(种)不同的排法.故选C.
4n∈N*)的展开式中第3项的二项式系数为36,则其展开式中的常数项为 ( )
【解析】第一步,将9名同学平均分成3组,有种分法;第二步,含有甲同学的一组打扫1号区域,其他两组分别负责2,3号区域,有种分法.由分步乘法计数原理可知,不同的分配方法共有560(种).故选A.
7.(多选)已知的展开式中的第三项的系数为45,则( )
A.n=9
B.展开式中所有项的系数之和为1024
C.展开式中二项式系数最大的项是第6项
D.展开式中含x3的项是第7项
【解析】的展开式的第三项为T3)2,所以第三项的系数为45,所以n=10,故A错误;,令x=1,得展开式中所有项的系数之和为210=1024,故B正确;展开式中总共有11项,则二项式系数最大的项是第6项,故C正确;的展开式的通项为)r,令3,解得r=6,所以展开式中含x3的项是第7项,故D正确.故选BCD.
【解析】(x2-x+y)5=[(x2-x)+y]5,其展开式的通项为(x2-x·yr,令r=2,得T3(x2-x)3·y2,而(x2-x)3的展开式的通项为(x2·(-x)k=(-1)k,令k=1,则(x2-x+y)5的展开式中x5y2的系数为(-1)130.
$$