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3ª série · Matemática
Equações · Álgebra

Binômio de Newton

Antes de começar, convém dominares: Combinações (2ª série do Ensino Médio)

Desenvolver $(2x-y)^4$ multiplicando parênteses à mão é demorado e é fácil errar os sinais. O binômio de Newton fornece os coeficientes desse desenvolvimento sem multiplicar nada: basta contar combinações. É a mesma ideia que conta caminhos em um tabuleiro de Galton ou genótipos em uma população, e aparece sempre que algo se repete $n$ vezes com duas possibilidades.

Fatorial e números binomiais

O fatorial de um número natural, $n!$, é o produto de todos os naturais de $1$ até $n$ (por convenção, $0!=1$). O número binomial $\binom{n}{p}$ conta de quantas maneiras é possível escolher $p$ elementos entre $n$, sem importar a ordem. É o mesmo valor da combinação $C_{n,p}$ que você estudou na 2ª série.

Cálculo detalhado do fatorial de 7 e do número binomial 7 sobre 3. 7! = 7·6·5·4·3·2·1 = 5.040 C(7,3) = 7! / (3!·4!) = 5.040 / (6·24) = 35
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Calcule o valor da seguinte expressão utilizando as propriedades dos fatoriais e dos números combinatórios: $\frac{10!}{8! \cdot 2!} + \binom{7}{3}$.

Calcule o valor da seguinte expressão utilizando as propriedades dos fatoriais e dos números combinatórios: $\frac{10!}{8! \cdot 2!} + \binom{7}{3}$.

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Simplifique ao máximo a seguinte expressão algébrica com fatoriais: $\frac{(n+2)!}{n! \cdot (n+1)}$.

Simplifique ao máximo a seguinte expressão algébrica com fatoriais: $\frac{(n+2)!}{n! \cdot (n+1)}$.

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Encontre o valor do número natural $x$ que satisfaz a seguinte equação com números combinatórios: $\binom{x}{2} = 21$.

Encontre o valor do número natural $x$ que satisfaz a seguinte equação com números combinatórios: $\binom{x}{2} = 21$.

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O triângulo de Pascal

Os números binomiais $\binom{n}{0},\binom{n}{1},\dots,\binom{n}{n}$ da linha $n$ são exatamente os coeficientes do desenvolvimento de $(a+b)^n$. Dispostos em um triângulo, cada número é a soma dos dois que estão acima dele: é o triângulo de Pascal (ou de Tartaglia).

Triângulo de Pascal com as linhas iniciais e a regra da soma de números adjacentes. n=01 n=111 n=2121 n=31331 n=4 14641 n=515101051 n=61615201561 linha n=4: coeficientes de (a+b)⁴
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Utilize o triângulo de Pascal (ou de Tartaglia) para obter os coeficientes da sexta linha e desenvolva a expressão $(m + 2n)^6$.

Utilize o triângulo de Pascal (ou de Tartaglia) para obter os coeficientes da sexta linha e desenvolva a expressão $(m + 2n)^6$.

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A fórmula do binômio de Newton

O binômio de Newton desenvolve $(a+b)^n$ sem multiplicar parênteses um a um: cada termo combina uma potência de $a$ que diminui, uma de $b$ que aumenta e o coeficiente correspondente do triângulo de Pascal.

Esquema do desenvolvimento de (x+3)⁴ com coeficientes do triângulo e potências ordenadas. (x+3)⁴: coeficientes 1, 4, 6, 4, 1 potências de x: 4,3,2,1,0 — potências de 3: 0,1,2,3,4 x⁴ + 12x³ + 54x² + 108x + 81
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Desenvolva completamente o binômio $(x + 3)^4$ utilizando a fórmula do binômio de Newton.

Desenvolva completamente o binômio $(x + 3)^4$ utilizando a fórmula do binômio de Newton.

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Pratica★☆☆Por começar
Desenvolva a expressão $(2a - b)^5$ e indique quantos termos tem o desenvolvimento final.

Desenvolva a expressão $(2a - b)^5$ e indique quantos termos tem o desenvolvimento final.

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Pratica★☆☆Por começar
Desenvolva o binômio com frações $\left(x + \frac{1}{2}\right)^3$ e simplifique cada um dos termos resultantes.

Desenvolva o binômio com frações $\left(x + \frac{1}{2}\right)^3$ e simplifique cada um dos termos resultantes.

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O termo geral

Nem sempre é preciso o desenvolvimento completo: se só pedem «o quarto termo» ou «o termo em $x^3$», a fórmula do termo geral o fornece diretamente.

Fórmula do termo geral do binômio de Newton aplicada ao quarto termo de (x² − 2y)⁷. (x² − 2y)⁷ quarto termo: posição 4, logo p = 3 T₄ = C(7,3) (x²)⁴ (−2y)³ = 35 · x⁸ · (−8y³) = −280x⁸y³
Pratica★☆☆Por começar
Escreva diretamente o quarto termo do desenvolvimento do binômio $(x^2 - 2y)^7$, sem calcular todo o desenvolvimento.

Escreva diretamente o quarto termo do desenvolvimento do binômio $(x^2 - 2y)^7$, sem calcular todo o desenvolvimento.

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Pratica★☆☆Por começar
Calcule o coeficiente do termo que contém $x^3$ no desenvolvimento do binômio $(x - 4)^5$.

Calcule o coeficiente do termo que contém $x^3$ no desenvolvimento do binômio $(x - 4)^5$.

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Pratica★☆☆Por começar
A Sofia está calculando o termo que ocupa a quarta posição ($T_4$) no desenvolvimento do binômio $(x^2 - 2)^6$. Na prova ela escreve o seguinte: «Como pedem o quarto…

A Sofia está calculando o termo que ocupa a quarta posição ($T_4$) no desenvolvimento do binômio $(x^2 - 2)^6$. Na prova ela escreve o seguinte:

«Como pedem o quarto termo, uso $k = 4$:

$T_4 = \binom{6}{4} (x^2)^{6-4} (-2)^4 = 15 \cdot x^4 \cdot 16 = 240x^4$».

  1. a) Identifique e explique de forma fundamentada o erro conceitual que a Sofia comete ao associar o número do termo ao índice $k$ da fórmula geral $T_{k+1} = \binom{n}{k} a^{n-k} b^k$.
  2. b) Corrija a resolução calculando passo a passo o verdadeiro quarto termo do desenvolvimento, indicando claramente o seu sinal, o seu coeficiente numérico e o seu grau.
  3. c) Que termo do desenvolvimento a Sofia realmente calculou no seu procedimento?
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Pratica★★☆Por começar
Em um estudo de genética de populações, a distribuição teórica de certos genótipos em uma geração é dada pelo desenvolvimento do binômio $(p + q)^4$, em que $p$ e $q$…

Em um estudo de genética de populações, a distribuição teórica de certos genótipos em uma geração é dada pelo desenvolvimento do binômio $(p + q)^4$, em que $p$ e $q$ são as frequências alélicas. Se $p = 0,6$ e $q = 0,4$, calcule o valor numérico do termo que contém a expressão $p^2q^2$ e interprete seu significado matemático dentro do desenvolvimento.

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Radicais, frações e termo independente

O termo geral funciona igual quando $a$ ou $b$ são frações, raízes ou trazem seu próprio sinal; só é preciso cuidado ao reunir as potências de $x$ (os expoentes se somam).

Equação do expoente para achar o termo independente de (x² − 1/x)⁹. (x² − 1/x)⁹: T(p+1) = C(9,p)(x²)^(9−p)(−1/x)^p expoente de x: 2(9−p) − p = 18 − 3p termo independente: 18 − 3p = 0 → p = 6
Pratica★★☆Por começar
Determine o termo central no desenvolvimento do binômio $\left(\sqrt{x} - \frac{2}{x}\right)^6$ e simplifique a expressão resultante.

Determine o termo central no desenvolvimento do binômio $\left(\sqrt{x} - \frac{2}{x}\right)^6$ e simplifique a expressão resultante.

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Pratica★★☆Por começar
Encontre o quinto termo no desenvolvimento do binômio $\left(2x^2 - \frac{1}{x}\right)^7$. Simplifique o resultado combinando as potências de $x$.

Encontre o quinto termo no desenvolvimento do binômio $\left(2x^2 - \frac{1}{x}\right)^7$. Simplifique o resultado combinando as potências de $x$.

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Pratica★★☆Por começar
Encontre o termo independente de $x$ (ou seja, o termo que não contém a variável $x$) no desenvolvimento do binômio $\left(x^2 - \frac{1}{x}\right)^9$.

Encontre o termo independente de $x$ (ou seja, o termo que não contém a variável $x$) no desenvolvimento do binômio $\left(x^2 - \frac{1}{x}\right)^9$.

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Pratica★★★Por começar
Encontre o termo independente de $x$ no desenvolvimento do binômio $\left(\sqrt[3]{x^2} - \frac{1}{\sqrt{x}}\right)^{14}$ e determine qual posição ocupa esse termo no…

Encontre o termo independente de $x$ no desenvolvimento do binômio $\left(\sqrt[3]{x^2} - \frac{1}{\sqrt{x}}\right)^{14}$ e determine qual posição ocupa esse termo no desenvolvimento ordenado segundo as potências decrescentes da primeira parcela.

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Propriedades e aplicações

Duas propriedades são muito úteis. A soma de todos os coeficientes de uma linha é sempre $2^n$ (basta usar $a=b=1$). E, para a soma dos coeficientes de um polinômio qualquer, basta calcular seu valor com todas as variáveis iguais a $1$. Além disso, substituir valores pequenos na fórmula permite aproximar situações reais.

A soma dos coeficientes de uma linha do triângulo de Pascal é igual a uma potência de dois. (1+1)ⁿ = soma da linha n= 2ⁿ
Pratica★★☆Por começar
Demonstre que a soma de todos os números combinatórios de uma mesma linha $n$ satisfaz $\binom{n}{0} + \binom{n}{1} + \dots + \binom{n}{n} = 2^n$ utilizando o…

Demonstre que a soma de todos os números combinatórios de uma mesma linha $n$ satisfaz $\binom{n}{0} + \binom{n}{1} + \dots + \binom{n}{n} = 2^n$ utilizando o desenvolvimento do binômio de Newton para $(1+1)^n$. Aplique este resultado para determinar quantos grupos distintos (de qualquer tamanho, incluindo o grupo vazio) podem ser formados com os $8$ funcionários de um escritório.

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Pratica★★☆Por começar
Calcule a soma de todos os coeficientes do polinômio resultante ao desenvolver $(3x - 2y)^5$. Dica: Pense em quais valores numéricos você pode atribuir às variáveis $x$…

Calcule a soma de todos os coeficientes do polinômio resultante ao desenvolver $(3x - 2y)^5$. Dica: Pense em quais valores numéricos você pode atribuir às variáveis $x$ e $y$ para que a expressão avaliada coincida exatamente com a soma de seus coeficientes.

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Pratica★★☆Por começar
Em economia, o capital final acumulado após $5$ anos a juros compostos anuais de $r$ é calculado pela fórmula $C = C_0(1 + r)^5$. Utilize o binômio de Newton para…

Em economia, o capital final acumulado após $5$ anos a juros compostos anuais de $r$ é calculado pela fórmula $C = C_0(1 + r)^5$. Utilize o binômio de Newton para desenvolver $(1 + r)^5$. Se a taxa de juros for $r = 0,03$, calcule uma aproximação do capital final para um capital inicial de $1000$ reais utilizando apenas os três primeiros termos do desenvolvimento.

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Pratica★★★Por começar
Demonstre a propriedade fundamental dos números combinatórios $\binom{n}{k} + \binom{n}{k+1} = \binom{n+1}{k+1}$ utilizando a definição algébrica com fatoriais.…

Demonstre a propriedade fundamental dos números combinatórios $\binom{n}{k} + \binom{n}{k+1} = \binom{n+1}{k+1}$ utilizando a definição algébrica com fatoriais. Posteriormente, utilize as propriedades dos números combinatórios para resolver o seguinte sistema de equações para $x$ e $y$ naturais:

$\binom{x}{y} = \binom{x}{y+1}$

$4x - 5y = 19$

Resolver

Voltando ao início: com a fórmula do binômio, $(2x-y)^4 = (2x)^4 - 4(2x)^3y + 6(2x)^2y^2 - 4(2x)y^3 + y^4 = 16x^4 - 32x^3y + 24x^2y^2 - 8xy^3 + y^4$, em um só passo e sem multiplicar parênteses.

Resumo

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