Teorema binomiale

In algebra, il teorema binomiale (o anche formula di Newton, binomio di Newton e sviluppo binomiale) esprime lo sviluppo della potenza $n$ -esima di un binomio qualsiasi mediante la formula^[1]

(a+b)^{n}=\sum _{k=0}^{n}{n \choose k}a^{n-k}b^{k}

,

in cui il fattore ${n \choose k}$ rappresenta il coefficiente binomiale ed è sostituibile con ${\frac {n!}{k!(n-k)!}}$ . Tali coefficienti sono peraltro gli stessi che si trovano nel noto triangolo di Tartaglia.^[2]

Lo sviluppo vale per ogni coppia di numeri reali o complessi, ma più in generale vale in ogni anello commutativo.

Come esempio di applicazione della formula, riportiamo i casi relativi a $n=2$ , $n=3$ ed $n=4$ :

(x+y)^{2}=x^{2}+2xy+y^{2}

(x+y)^{3}=x^{3}+3x^{2}y+3xy^{2}+y^{3}

(x+y)^{4}=x^{4}+4x^{3}y+6x^{2}y^{2}+4xy^{3}+y^{4}.

Nel caso in cui $n$ sia un numero reale o complesso, la somma finita è sostituita da una serie infinita. Questa formula generalizzata, nel caso di $n$ reale positivo, fu realizzata da Isaac Newton (da cui il nome).

Esposizione

«Il binomio di Newton è bello come la Venere di Milo, peccato che pochi se ne accorgano.»

È possibile, secondo il teorema, sviluppare una qualunque potenza intera di $(a+b)$ in una sommatoria nella forma

{\begin{aligned}(a+b)^{n}&={n \choose 0}a^{n}b^{0}+{n \choose 1}a^{n-1}b^{1}+{n \choose 2}a^{n-2}b^{2}+{n \choose 3}a^{n-3}b^{3}+\cdots \\&{}\qquad \cdots +{n \choose n-1}a^{1}b^{n-1}+{n \choose n}a^{0}b^{n},\end{aligned}}

dove ${\tbinom {n}{k}}$ rappresentano i coefficienti binomiali. Utilizzando la notazione di sommatoria, la stessa formula può essere scritta:

(a+b)^{n}=\sum _{k=0}^{n}{n \choose k}a^{n-k}b^{k}.

Una variante di questa formula binomiale può essere ottenuta sostituendo $1$ ad $a$ e $a$ a $b$ , considerando quindi una sola variabile. In questa forma, si ha:

(1+a)^{n}={n \choose 0}a^{0}+{n \choose 1}a^{1}+{n \choose 2}a^{2}+\cdots +{n \choose {n-1}}a^{n-1}+{n \choose n}a^{n},

o, in maniera equivalente,

(1+a)^{n}=\sum _{k=0}^{n}{n \choose k}a^{k}.

Prima dimostrazione (induttiva)

Il teorema binomiale può essere dimostrato per induzione. Infatti è possibile introdurre per tale teorema un passo base per cui esso risulta banalmente vero

(a+b)^{1}=\sum _{k=0}^{1}{1 \choose k}a^{(1-k)}b^{k}=a+b

e provare con il passo induttivo la veridicità del teorema per un esponente $n$ qualsiasi. Infatti presa per corretta l'espressione

(a+b)^{n}=\sum _{k=0}^{n}{n \choose k}a^{(n-k)}b^{k},

si ha

(a+b)^{n+1}

=(a+b)(a+b)^{n}

=(a+b)\sum _{k=0}^{n}\,{n \choose k}a^{n-k}b^{k}

e moltiplicando la sommatoria per $(a+b)$ si ha

=\sum _{k=0}^{n}\,{n \choose k}a^{n+1-k}b^{k}+\sum _{k=0}^{n}\,{n \choose k}a^{n-k}b^{k+1},

da cui

\ \sum _{k=0}^{n}\,{n \choose k}a^{n+1-k}b^{k}

={n \choose 0}a^{n+1}+\sum _{k=1}^{n}\,{n \choose k}a^{n+1-k}b^{k}

={n \choose 0}a^{n+1}+\sum _{k=0}^{n-1}\,{n \choose k+1}a^{n+1-(k+1)}b^{k+1}

={n \choose 0}a^{n+1}+\sum _{k=0}^{n-1}\,{n \choose k+1}a^{n-k}b^{k+1}.

Inoltre

\ \sum _{k=0}^{n}\,{n \choose k}a^{n-k}b^{k+1}

=\sum _{k=0}^{n-1}\,{n \choose k}a^{n-k}b^{k+1}+{n \choose n}b^{n+1}.

Utilizzando nel primo passaggio la proprietà del coefficiente binomiale

{n+1 \choose k+1}={n \choose k+1}+{n \choose k}

si ha che

(a+b)^{n+1}

={n \choose 0}a^{n+1}+\sum _{k=0}^{n-1}\,\left({n \choose k}+{n \choose k+1}\right)a^{n-k}b^{k+1}+{n \choose n}b^{n+1}

={n \choose 0}a^{n+1}+\sum _{k=0}^{n-1}\,{n+1 \choose k+1}a^{n-k}b^{k+1}+{n \choose n}b^{n+1}

={n \choose 0}a^{n+1}+\sum _{k=1}^{n}\,{n+1 \choose k}a^{n+1-k}b^{k}+{n \choose n}b^{n+1}.

Poiché infine

{n \choose 0}={n+1 \choose 0}=1

e

\ {n \choose n}={n+1 \choose n+1}=1,

si ha che

{n \choose 0}a^{n+1}+\sum _{k=1}^{n}\,{n+1 \choose k}a^{n+1-k}b^{k}+{n \choose n}b^{n+1}={n+1 \choose 0}a^{n+1}+\sum _{k=1}^{n}\,{n+1 \choose k}a^{n+1-k}b^{k}+{n+1 \choose n+1}b^{n+1}

e si ottiene l'espressione formale dello sviluppo della potenza successiva del binomio

(a+b)^{n+1}=\sum _{k=0}^{n+1}\,{n+1 \choose k}a^{(n+1)-k}b^{k}

che conferma la tesi.

Seconda dimostrazione (combinatoria)

Se scriviamo $(a+b)^{n}$ come il prodotto

$(a+b)(a+b)(a+b)\,\quad \ldots$

con $n$ fattori, è evidente che il numero delle volte in cui compare nello sviluppo il termine $a^{n-k}b^{k}$ è pari al numero di combinazioni che si possono ottenere prendendo $n-k$ volte $a$ e $k$ volte $b$ dai fattori del prodotto, numero che è dato proprio da ${n \choose k}$ .

Poiché per la proprietà distributiva il prodotto è dato dalla somma di questi termini al variare di $k$ da $0$ a $n$ , si ha subito la tesi.

Caso di esponente generale

La definizione fornita del binomio di Newton è valida solo per $n$ numero naturale. È tuttavia possibile fornire una generalizzazione valida per $(1+x)^{\alpha },\ \alpha \in \mathbb {R}$ , nonché approssimarla in un intorno destro dello 0 con una serie di Taylor.

Nella pratica si usano spesso solo i primi due termini della serie, ossia $(1+x)^{\alpha }=1+\alpha x+o(x),$ dove il resto $o(x)$ indica un infinitesimo di ordine superiore al primo.

Lo sviluppo completo è

(1+x)^{\alpha }=1+\alpha x+{\frac {\alpha (\alpha -1)}{2}}x^{2}+{\frac {\alpha (\alpha -1)(\alpha -2)}{6}}x^{3}+\dots +{\alpha  \choose k}x^{k}+o(x^{k})

,

dove ${\alpha \choose k}$ è il coefficiente binomiale generalizzato, dato da

{\alpha  \choose k}={\frac {\alpha (\alpha -1)\dots (\alpha -k+1)}{k!}}

.

Dimostrazione

Lo sviluppo attorno all'origine della funzione $(1+x)^{\alpha }$ è

(1+x)^{\alpha }=(1+x)_{x=0}^{\alpha }+{\frac {\left((1+x)^{\alpha }\right)_{x=0}^{\prime }}{1!}}x+{\frac {\left((1+x)^{\alpha }\right)_{x=0}^{\prime \prime }}{2!}}x^{2}+\dots +{\frac {\left((1+x)^{\alpha }\right)_{x=0}^{(k)}}{k!}}x^{k}+\dots

e, poiché

\left((1+x)^{\alpha }\right)_{x=0}^{\prime }=\alpha (1+x)_{x=0}^{\alpha -1}=\alpha

\vdots \quad \quad \quad \quad \quad \quad \vdots

\left((1+x)^{\alpha }\right)_{x=0}^{(i)}=\alpha (\alpha -1)\dots (\alpha -i+1)(1+x)_{x=0}^{\alpha -i}=\alpha (\alpha -1)\dots (\alpha -i+1)

si ottiene

(1+x)^{\alpha }=1+\alpha x+{\frac {\alpha (\alpha -1)}{2!}}x^{2}+\dots +{\frac {\alpha (\alpha -1)\dots (\alpha -k+1)}{k!}}x^{k}+\dots

che è la formula di cui sopra. Troncando la serie al $k$ -esimo termine, l'errore che si ottiene è un infinitesimo di ordine $o(x^{k})$ .

Note

^ (EN) The Story of the Binomial Theorem by J. L. Coolidge, su jstor.org, The American Mathematical Monthly, 1949, 147–157.
^ I coefficienti binomiali e il binomio di Newton (PDF), su lsgobetti.it. URL consultato il 22 novembre 2014 (archiviato dall'url originale il 3 settembre 2013).