Coefficient binomial - Définition

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Diviseurs et coefficients binomiaux

Les diviseurs premiers de {n \choose k} possèdent la propriété suivante : Si p\quad est un nombre premier et p^r\quad est la plus grande puissance de p\quad qui divise {n \choose k} , alors r\quad est égal au nombre d'entiers naturels j\quad tels que la partie fractionnaire de \frac{k}{p^j}\, soit plus grande que la partie fractionnaire de \frac{n}{p^j}\, . C'est le nombre de retenues dans la soustraction de n par k, lorsque ces deux nombres sont écrits en base p.

En particulier, {n \choose k} est toujours divisible par n/\mbox{pgcd}\,(n,k) (pgcd signifie plus grand commun diviseur).


La règle permet de déterminer les {n \choose k} qui sont pairs. Il suffit pour cela de prendre p = 2 et r \ge 1 . La soustraction de n par k nécessite donc au moins une retenue en binaire. Cela signifie que, dans le développement binaire de n, il se trouve au moins un 0 situé au même rang qu'un 1 dans le développement binaire de k.

A l'inverse, {n \choose k} est impair si, à chaque fois que k possède un 1 dans son développement binaire, il en est de même de n au même rang. On dit que k implique n. Par exemple, si n est de la forme 2p − 1, tous ses chiffres binaires valent 1, et tous les {n \choose k} seront impairs. Si n = 2p, alors n possède un seul 1 dans son développement binaire, et seuls {n \choose 0} et {n \choose n} sont impairs, tous les autres sont pairs.

Formules faisant intervenir les coefficients binomiaux

On suppose que k, n sont des entiers ; z, z' des complexes.

Les formules suivantes peuvent être utiles :

{n \choose k} = {n \choose n-k}          \qquad (4)
{n \choose k} = \frac{n}{k}{n-1 \choose k-1}  \qquad(k>0) et plus généralement {z \choose k} = \frac{z}{k}{z-1 \choose k-1}\qquad (5) .

En remplaçant dans (3) x = y = 1, on obtient

 \sum_{k=0}^{n} {n \choose k} = 2^n \qquad (6)

En dérivant (3), et en remplaçant x = y = 1, il vient

 \sum_{k=1}^{n} k {n \choose k} = n 2^{n-1} \qquad (7)

En développant ( x + y)^n.(x + y)^m = (x + y)^{m +n}\, avec (3), on obtient l'identité de Vandermonde :

 \sum_{j=0}^{k} {m \choose j} {n \choose k-j} = {m+n \choose k} et plus généralement  \sum_{j=0}^{k} {z \choose j} {z' \choose k-j} = {z+z' \choose k} \qquad (8)

À partir du développement (8), en remplaçant m = k = n et en utilisant (4), on obtient

 \sum_{k=0}^{n} {n \choose k}^2 = {2n \choose n} \qquad (9)

En développant (x+y)^{2n}(x-y)^{2n}=(x^2-y^2)^{2n}\, et en observant le coefficient devant  x^{2n}y^{2n}\, , on obtient

 \sum_{k=0}^{2n} (-1)^k{2n \choose k}^2 = (-1)^n {2n \choose n} \qquad (10)

On a,

 \sum_{k=0}^{n} {n-k \choose k} = \mathcal{F}(n+1) \qquad (11)

Ici, F(n+1) désigne le n+1 ième terme de la suite de Fibonacci. Cette formule sur les diagonales du triangle de Pascal peut être démontrée par une récurrence sur n en utilisant (2).

Et enfin,

 \sum_{j=k}^{n} {j \choose k} = {n+1 \choose k+1} \qquad (12)

Cela peut être démontré par récurrence sur n en utilisant (2).

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