Matemáticas

Teorema del binomio: concepto, demostración y ejemplos


Teorema del binomio

¿Qué es el teorema del binomio?

El teorema del binomio es una ecuación que nos dice cómo se desarrolla una expresión de la forma (a+b)n para algún número natural n. Un binomio no es más que la suma de dos elementos, como (a+b). También nos permite saber para un término dado por akbn-k cuál es el coeficiente que lo acompaña.

Este teorema es comúnmente atribuido al inventor, físico y matemático inglés sir Isaac Newton; sin embargo, se han encontrado diversos registros que indican que en el Medio Oriente ya se conocía su existencia, alrededor del año 1000.

Números combinatorios

El teorema del binomio nos dice matemáticamente lo siguiente:

Teorema del binomio

En esta expresión a y b son números reales y n es un número natural.

Antes de dar la demostración, veamos algunos conceptos básicos que son necesarios.

El número combinatorio o combinaciones de n en k es expresado de la siguiente manera:

Teorema del binomio

Esta forma expresa el valor de cuántos subconjuntos con k elementos se pueden elegir de un conjunto de n elementos. Su expresión algebraica viene dada por:

Teorema del binomio

Veamos un ejemplo: supongamos que tenemos un grupo de siete pelotas, de las cuales dos de son rojas y el resto son de color azul.

Teorema del binomio

Queremos saber de cuántas maneras podemos ordenarlas en fila. Una manera podría ser colocar las dos rojas en la primera y segunda posición, y el resto de las pelotas en las posiciones que quedan.

Teorema del binomio

Similar al caso anterior, podríamos darles a las pelotas rojas la primera y la última posición respectivamente, y ocupar las otras con pelotas azules.

Teorema del binomio

Ahora, una forma eficaz de contar de cuántas maneras podemos ordenar las pelotas en fila es usando a los números combinatorios. Podemos ver a cada posición como un elemento del siguiente conjunto:

Teorema del binomio

A continuación solo queda elegir un subconjunto de dos elementos, en el cual cada uno de estos elementos representa la posición que ocuparán las pelotas rojas. Esta elección la podemos hacer según la relación dada por:

Teorema del binomio

De esta manera, tenemos que existen 21 maneras de ordenar dichas pelotas.

La idea general de este ejemplo nos será de gran utilidad en la demostración del teorema del binomio. Observemos un caso particular: si n = 4, tenemos (a+b)4, que no es más que:

Teorema del binomio

Cuando desarrollamos este producto, nos queda la suma de los términos que se obtienen al multiplicar un elemento de cada uno de los cuatro factores (a+b). Así, tendremos términos que serán de la forma:

Teorema del binomio

Si quisiéramos obtener el término de la forma a4, solo basta con multiplicar de la siguiente manera:

Teorema del binomio

Nótese que solo hay una forma de obtener este elemento; pero, ¿qué pasa si ahora buscamos el término de la forma a2b2? Como “a” y “b” son números reales y, por lo tanto, vale la ley conmutativa, tenemos que una forma de obtener este término es multiplicar con los miembros como indican las flechas.

Teorema del binomio

Realizar todas estas operaciones suele ser algo tedioso, pero si vemos el término “a” como una combinación en donde deseamos saber de cuántas maneras podemos elegir dos “a” de un conjunto de cuatro factores, podemos usar la idea del ejemplo anterior. Entonces, tenemos lo siguiente:

Teorema del binomio

Así pues, sabemos que en el desarrollo final de la expresión (a+b)4 tendremos exactamente 6a2b2. Usando la misma idea para los demás elementos, se tiene que:

Teorema del binomio

Luego sumamos las expresiones obtenidas anteriormente y nos queda que:

Teorema del binomio

Se trata de una demostración formal para el caso general en el que “n” sea cualquier número natural.

Demostración

Notemos que los términos que quedan al desarrollar (a+b)n son de la forma akbn-k, donde k=0,1,…,n. Usando la idea del ejemplo anterior, tenemos la forma de elegir “k” variables “a” de los “n” factores es de:

Teorema del binomio

Al elegir de esta manera, automáticamente estamos eligiendo n-k variables “b”. De esto se sigue que:

Teorema del binomio

Ejemplos

Considerando (a+b)5, ¿cuál sería su desarrollo?

Por el teorema del binomio tenemos que:

Teorema del binomio

El teorema del binomio nos resulta muy útil si tenemos una expresión en la que queremos saber cuál es el coeficiente de un término en específico sin tener que realizar el desarrollo completo. Como ejemplo podemos tomar la siguiente incógnita: ¿cuál es el coeficiente de x7y9 en el desarrollo de (x + y)16?

Por el teorema del binomio, tenemos que el coeficiente es:

Teorema del binomio

Otro ejemplo sería: ¿cuál es el coeficiente de x5y8 en el desarrollo de (3x-7y)13?

Primero rescribimos la expresión de una manera conveniente; esto es:

Teorema del binomio

Luego, usando el teorema del binomio, tenemos que el coeficiente buscado es cuando se tiene k = 5

Teorema del binomio

Otro ejemplo de los usos de este teorema es en la demostración de algunas identidades comunes, como las que mencionaremos a continuación.

Identidad 1

Si “n” es un número natural, tenemos que:

Teorema del binomio

Para la demostración usamos el teorema del binomio, donde tanto “a” como “b” toman el valor de 1. Entonces nos queda:

Teorema del binomio

De esta forma tenemos probada la primera identidad.

Identidad 2

Si “n” es un número natural, entonces

Teorema del binomio

Por el teorema del binomio tenemos que:

Teorema del binomio

Otra demostración

Podemos hacer una demostración distinta para el teorema de binomio haciendo uso del método inductivo y la identidad de pascal, la cual nos dice que, si “n” y “k” son enteros positivos que cumplen con n ≥ k, entonces:

Teorema del binomio

Demostración por inducción

Primero veamos que la base inductiva se cumple.  Si n = 1, tenemos que:

Teorema del binomio

Efectivamente, vemos que se cumple. Ahora, sea n = j tal que se cumple:

Teorema del binomio

Queremos ver que para  n= j+1 se cumple que:

Teorema del binomio

Entonces, tenemos que:

Teorema del binomio

Por hipótesis sabemos que:

Teorema del binomio

Luego, usando la propiedad distributiva:

Teorema del binomio

Posteriormente, desarrollando cada una de las sumatorias se tiene:

Teorema del binomio

Ahora, si agrupamos de manera conveniente, nos queda que:

Usando la identidad de pascal, tenemos que:

Teorema del binomio

Para finalizar, nótese que:

Teorema del binomio

Por lo tanto, vemos que el teorema del binomio se cumple para todo “n” perteneciente a los números naturales, y con esto termina la prueba.

Curiosidades

El número combinatorio (nk) también es llamado coeficiente binomial por ser precisamente el coeficiente que aparece en el desarrollo del binomio (a+b)n.

Isaac Newton dio una generalización de este teorema para el caso en el cual el exponente es un número real; este teorema es conocido como el teorema del binomio de Newton.

Ya en la antigüedad se conocía este resultado para el caso particular en el que n=2. Este caso es mencionado en los Elementos de Euclides.