前置
二项式定理
(x+y)n 的每个因子选 x 或 y。展开写成对选择函数求和;证明对因子个数归纳,反复使用分配律。
引理
设 R 是含幺交换环,1 为其乘法单位元,I 为有限集,ai,bi∈R。记 ci,0=ai,ci,1=bi。空乘积规定为 1。乘法交换且结合,故 ∏i∈I 与把 I 排成序列的方式无关。则
i∈I∏(ai+bi)=f:I→{0,1}∑i∈I∏ci,f(i).(4)
证明
对 n=∣I∣ 归纳。取双射把 I从 An0=1 递推,得到
积约定为 1。∅→{0,1} 只有空函数,其空乘积也是 1,两边相等。
设等式对某个 n 成立。第 n+1 个因子拆出来,再用归纳假设:
i=1∏n+1(ai+bi)=(i=1∏n(ai+bi))(an+1+bn+1)=(f:[n]→{0,1}∑i=1∏nci,f(i))(cn+1,0+cn+1,1).(5)
对和式中的每一项用分配律,并按最后一个因子的取值分开:
=f:[n]→{0,1}∑(i=1∏nci,f(i))cn+1,0+f:[n]→{0,1}∑(i=1∏nci,f(i))cn+1,1.(6)
每个 f:[n]→{0,1} 与 ε∈{0,1} 决定唯一的 f~:[n+1]→{0,1},
f~(i)={f(i),ε,1≤i≤n,i=n+1.(7)
因此 (6) 等于
f~:[n+1]→{0,1}∑i=1∏n+1ci,f~(i).(8)
这就是 n+1 时的等式。由归纳,引理对一切有限 I 成立。n=1 是从空乘积走出的第一步,右边恰为 a1+b1。
定理
设 R 是含幺交换环,1 为其乘法单位元,n 为非负整数,x,y∈R。对 z∈R 约定 z0=1,且当 m≥0 时 zm+1=zmz。非负整数 m 作用在 a∈R 上是累加:把 a 加 m 次,m=0 时得加法零元 0。n=0 时把 (x+y)0 规定为 1。则
(x+y)n=k=0∑nCnkxkyn−k.(9)
右端的 Cnk 是组合数,按上述整数倍作用在 xkyn−k 上。系数环为含幺交换环时,多项式环仍是含幺交换环,未定元是其中的元素,故同一等式对未定元成立。
证明
对 i∈[n] 取 ai=x,bi=y,从而 ci,0=x,ci,1=y。引理给出
(x+y)n=f:[n]→{0,1}∑i=1∏nci,f(i).(10)
按取到 x 的次数分组。记
Fk={f:[n]→{0,1}:∣f−1(0)∣=k}.(11)
这些集合两两不交,且
{f:[n]→{0,1}}=F0⊔⋯⊔Fn,(12)
所以 (10) 按 k 写成
(x+y)n=k=0∑nf∈Fk∑i=1∏nci,f(i).(13)
若 f∈Fk,则有 k 个因子为 x,其余 n−k 个为 y。乘法交换,乘积与这些因子的位置无关:
i=1∏nci,f(i)=xkyn−k.(14)
(13) 的内层和是把这个元素相加 ∣Fk∣ 次,
f∈Fk∑i=1∏nci,f(i)=∣Fk∣xkyn−k.(15)
f∈Fk 由 S=f−1(0) 决定,且 S∈C(n,k)。反过来,每个 S∈C(n,k) 给出
fS(i)={0,1,i∈S,i∈/S,(16)
并且 fS−1(0)=S,故 fS∈Fk。f↦f−1(0) 与 S↦fS 互逆,因此 ∣Fk∣=∣C(n,k)∣=Cnk。代入 (15),再代入 (13),得到 (9)。