杨辉三角(三角形矩阵)
帕斯卡三角形(三角形矩阵)一般指本词条
杨辉三角,是二项式係数在三角形中的一种几何排列,中国南宋数学家杨辉1261年所着的《详解九章算法》一书中出现。在欧洲,帕斯卡(1623—-1662)在1654年发现这一规律,所以这个表又叫做帕斯卡三角形。帕斯卡的发现比杨辉要迟393年,比贾宪迟600年。
杨辉三角是中国数学史上的一个伟大成就。
基本介绍
- 中文名:杨辉三角
- 外文名:Pascal’s Triangle
- 别称:贾宪三角形、帕斯卡三角形
- 表达式:几何
- 提出者:杨辉
- 提出时间:约1050年
- 套用学科:数学,计算机
- 适用领域範围:数学,计算机
- 使用人群:中学生、大学生,编程专家、等等
- 发现者:杨辉
简介
杨辉三角,是二项式係数在三角形中的一种几何排列。在欧洲,这个表叫做帕斯卡三角形。帕斯卡(1623—-1662)是在1654年发现这一规律的,比杨辉要迟393年,比贾宪迟600年。杨辉三角是中国古代数学的杰出研究成果之一,它把二项式係数图形化,把组合数内在的一些代数性质直观地从图形中体现出来,是一种离散型的数与形的结合。
概述
前提:每行端点与结尾的数为1.
(与上图中的n不同,这里第一行定义为n=1)
- 每个数等于它上方两数之和。
- 每行数字左右对称,由1开始逐渐变大。
- 第n行的数字有n项。
- 第n行的m个数可表示为 C(n-1, m-1),即为从n-1个不同元素中取m-1个元素的组合数。
- 第n行的第m个数和第n-m+1个数相等 ,为组合数性质之一。
- 每个数字等于上一行的左右两个数字之和。可用此性质写出整个杨辉三角。即第n+1行的第i个数等于第n行的第i-1个数和第i个数之和,这也是组合数的性质之一。即 C(n+1,i)=C(n,i)+C(n,i-1)。
- (a+b) n的展开式中的各项係数依次对应杨辉三角的第(n+1)行中的每一项。
- 将第2n+1行第1个数,跟第2n+2行第3个数、第2n+3行第5个数……连成一线,这些数的和是第4n+1个斐波那契数;将第2n行第2个数(n>1),跟第2n-1行第4个数、第2n-2行第6个数……这些数之和是第4n-2个斐波那契数。
- 将第n行的各数值,分别乘以10的列数m-1次方,然后把这些数值相加的和等于11的n-1次方。例子:第11行数分别为1,10,45,120,210,252,210,120,45,10,1,则11^10 = 1*10^0+10*10^1+45*10^2+…+1*10^10 =25937424601
套用
性质5和性质7是杨辉三角的基本性质,是研究杨辉三角其他规律的基础。 与杨辉三角联繫最紧密的是二项式乘方展开式的係数规律,即二项式定理。例如在杨辉三角中,第3行的三个数恰好对应着两数和的平方的展开式的每一项的係数(性质 8),第4行的四个数恰好依次对应两数和的立方的展开式的每一项的係数,即 ,以此类推。 又因为性质5:第n行的m个数可表示为C(n-1,m-1),即为从n-1个不同元素中取m-1个元素的组合数。因此可得出二项式定理的公式为: 因此,二项式定理与杨辉三角形是一对天然的数形趣遇,它把数形结合带进了计算数学。求二项式展开式係数的问题,实际上是一种组合数的计算问题。用係数通项公式来计算,称为“式算”;用杨辉三角形来计算,称作“图算”。
数在杨辉三角中的出现次数
由1开始,正整数在杨辉三角形出现的次数为∞,1, 2, 2, 2, 3, 2, 2, 2, 4, 2, 2, 2, 2, 4, … (OEIS:A003016)。最小而又大于1的数在贾宪三角形至少出现n次的数为2, 3, 6, 10, 120, 120, 3003, 3003, … (OEIS:A062527) 除了1之外,所有正整数都出现有限次,只有2出现刚好一次,6,20,70等出现三次;出现两次和四次的数很多,还未能找到出现刚好五次的数。120,210,1540等出现刚好六次。(OEIS:A098565) 因为丢番图方程 有无穷个解,所以出现至少六次的数有无穷个多。解为 ,其中F
n表示第n个斐波那契数(F
1=F
2=1)。 3003是第一个出现八次的数。
历史沿革
北宋人贾宪约1050年首先使用“贾宪三角”进行高次开方运算。 杨辉,字谦光,南宋时期杭州人。在他1261年所着的《详解九章算法》一书中,辑录了如上所示的三角形数表,称之为“开方作法本源”图,并说明此表引自11世纪中叶(约公元1050年)贾宪的《释锁算术》,并绘画了“古法七乘方图”。故此,杨辉三角又被称为“贾宪三角”。 元朝数学家朱世杰在《四元玉鑒》(1303年)扩充了“贾宪三角”成“古法七乘方图”。 义大利人称之为“塔塔利亚三角形”(Triangolo di Tartaglia)以纪念在16世纪发现一元三次方程解的塔塔利亚。 在欧洲直到1623年以后,法国数学家帕斯卡在13岁时发现了“帕斯卡三角”。 布莱士·帕斯卡的着作
Traité du triangle arithmétique(1655年)介绍了这个三角形。帕斯卡蒐集了几个关于它的结果,并以此解决一些机率论上的问题,影响面广泛,Pierre Raymond de Montmort(1708年)和亚伯拉罕·棣·美弗(1730年)都用帕斯卡来称呼这个三角形。 21世纪以来国外也逐渐承认这项成果属于中国,所以有些书上称这是“中国三角形”(Chinese triangle) 历史上曾经独立绘製过这种图表的数学家有:
- 贾宪 中国北宋 11世纪 《释锁算术》
- 杨辉 中国南宋1261《详解九章算法》记载之功
- 朱世杰 中国元代 1299《四元玉鑒》级数求和公式
- 阿尔·卡西 阿拉伯 1427《算术的钥匙》
- 阿皮亚纳斯 德国 1527
- 米歇尔.斯蒂费尔 德国 1544《综合算术》二项式展开式係数
- 薛贝尔 法国 1545
- B·帕斯卡 法国 1654《论算术三角形》
其实,中国古代数学家在数学的许多重要领域中处于遥遥领先的地位。中国古代数学史曾经有自己光辉灿烂的篇章,而杨辉三角的发现就是十分精彩的一页。
在编程中实现
杨辉三角在编程实现中较为容易。最常见的算法便是用上一行递推计算;也有运用和组合的对应关係而使用阶乘计算的,然而后者速度较慢且阶乘容易溢出。编程的输出大多相类,此处并不过多添加截图。 C、C++、C#、Java 语言之间的语法也大多相类,因此这里也不会将每一种算法都在这些语言中各实现一遍。要在这些语言的版本间修改,实际上只需注意一些简单的语法和函式名称的改变,如 C 的 int yh[M][M] 应改写为 Java 的 int[][] yh = new int[M][M]、C# 的 int[,] yh=new int[M,M];C printf 应使用 Java 的 System.out.print、C# 的 Console.Write 、C++ 中更智慧型的 cout 来替换。
C++
#include<iostream>#include<iomanip>using namespace std;int main(){ const int n = 15; const int m = 2 * n-1; int arr[n + 1][m] = { 0 }; for (int i = 0; i < n; i++) { arr[i][n - i- 1] = 1; arr[i][n + i -1] = 1; } for (int i = 2; i < n; i++) { for (int j = n - i + 1; j < n-2+i; j = j + 2) arr[i][j] = arr[i - 1][j - 1] + arr[i - 1][j + 1]; } int p; for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = 0; j < n - i - 1; j++) cout << " "; p = 1; for (int j = n - i - 1; p < i + 2; j = j + 2) { cout << setw(4) << arr[i][j] << " "; p = p + 1; } cout << endl; } return 0;}
Bash
#! /bin/bash# 用法:./pasTrig [个数],若不指明个数为 5。# 填充指定个数的空格pad(){ for ((k=0;k<$1;k++)); do echo -n ' '; done; }# 层数和新旧层lyrs=${1-5}prev[0]=1curr[0]=1 # 接下来每行第一个始终为一,无需重複赋值# 执行pad $(((lyrs-1)*2))echo 1for ((i=2; i<=lyrs; i++)); do # 略过 1,已处理 pad $(((lyrs-i)*2)) # 填充空格,注意这里不会怎幺顾及三位以上的数,即第 14 层开始会混乱 curr[i]=1 printf '%-4d' ${curr[0]} for ((j=1; j<i-1; j++)); do # 首尾极值已处理,略过 ((curr[j]=prev[j-1]+prev[j])) printf '%-4d' ${curr[j]} done printf '%-4d\n' ${curr[i]} # 最后一个和换行 # 搬家 prev=(${curr[*]}) done
Bash 输出杨辉三角并使用 nl 表明行号
C#
class Program{ public int yanghui(int value) { if(value<3) return 1; int[,]arry=new int[value,value]; Console.WriteLine("数组为:"); for(int i=0;i<value;i++) { string str=""; str=str.PadLeft(value-i); Console.Write(str); for(int j=0;j<=i;j++) { if(i==j||j==0) arry[i,j]=1; else arry[i,j]=arry[i-1,j-1]+arry[i-1,j]; Console.Write(arry[i,j]+""); } Console.WriteLine(); }} static void Main(string[]args){ Program p=new Program(); Console.WriteLine("请输入数组值:"); if (p.yanghui(Convert.ToInt16(Console.ReadLine()))) Console.WriteLine("输入数值必须大于3"); Console.Readkey();} }
C
以下的代码均用标準 C 语言写成,可以被包括 MSVC(含 VC6)、GCC 的多种 C 编译器编译。 这个算法使用只行列位置和左侧的数值算出数值:
/* yh-rt1.c - 时间和空间最优算法 */#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main(){ int s = 1, h; // 数值和高度 int i, j; // 循环计数 scanf("%d", &h); // 输入层数 printf("1\n"); // 输出第一个 1 for (i = 2; i <= h; s = 1, i++) // 行数 i 从 2 到层高 { printf("1 "); // 第一个 1 for (j = 1; j <= i - 2; j++) // 列位置 j 绕过第一个直接开始循环 //printf("%d ", (s = (i - j) / j * s)); printf("%d ", (s = (i - j) * s / j)); printf("1\n"); // 最后一个 1,换行 } getchar(); // 暂停等待 return 0;}
默认求直角三角形,可通过注释的开关或使用编译器的 -D 定义开关调节等腰三角形和菱形输出。如果觉得複杂,可按照 define 使用的情况剔除因不符合 ifdef 条件从而未启用的代码之后阅读。
默认状态下不启用金字塔和菱形的输出 这个算法创建了一个二维数组,并且通过上一行的数值求当前行。在反过来再次列印时,这个程式会使用以前算好的值,从而节省了重複叠代的时间。
/* yh-2d.c - 二维数组叠代 */#include<stdio.h>#define M 10 // 行数// #define PYRAMID // 金字塔,会额外填充空格// #define REVERSE // 反向再来一次,得到菱形int main(void){ int a [M][M], i, j; // 二维数组和循环变数,a[行][列] for (i = 0; i<M; i++) // 每一行 {#ifdef PYRAMID for (j = 0;j <= M-i; j++) printf (" ");#endif // 填充结束 for (j = 0; j <= i; j++) // 赋值列印 printf("%4d", (a[i][j] = (i == j || j == 0) ? 1 : // 首尾置 1 a[i - 1][j] + a[i - 1][j - 1] )); // 使用上一行计算 printf("\n"); }#ifdef REVERSE for(i = M-2; i >= 0; i--) {#ifdef PYRAMID for (j = 0;j <= M - i; j++) printf(" ");#endif // 填充结束 for (j = 0;j <= i; j++) printf("%4d",a[i][j]); // 直接使用以前求得的值 printf("\n"); }#endif // 菱形结束 getchar(); // 暂停等待}
这一个使用大数组写成,风格更接近教科书上的 VC6 代码。
/* yh-rt3.c - 较为暴力的大数组 */#include <stdio.h>#include "string.h"int main(){ int a[10000]; //容器,由n*(n+1)/2<=10000可知,n<=141 int b,CR,i; //b为当前行数,CR为要求显示的行数,i为循环数 printf("请输入要显示的行数(3~141):"); scanf("%d",&CR); YHSJ(CR); a[1]=a[2]=1; //前两行数值少且全为1,故直接输出 printf("%d\n",a[1]); printf("%d %d\n",a[1],a[2]); for(b=3;b<=CR;b++) //从第三行开始判断 { for(i=b;i>=2;i--) //从倒数第一个数开始加 a[i]=a[i]+a[i-1]; //杨辉三角的规律,没有值的数组默认为0 for(i=1;i<=b;i++) //显示循环 printf("%d ",a[i]); printf("\n"); // 换行 } return 0;}
这个版本使用伫列的方式输出。
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#define EMPTY 1#define OFLOW 2#define INVAL 3#define MAX_Q 100typedef int DataType; // 数据类型选择typedef struct{ DataType elem[MAX_Q]; int front, rear; } LinkQ;// 伫列及检查宏#define InitQ(Q) LinkQ Q; Q.front=Q.rear=-1;#define _EQ(Q,e) Q.elem[(Q.rear=(Q.rear+1)%MAX_Q)]=e#define EnQ(Q,e) if((Q.rear+1)%MAX_Q==Q.front) Exit(OFLOW,"Overflow"); _EQ(Q,e)#define DeQ(Q,e) e=Q.elem[(Q.front=(Q.front+1)%MAX_Q)]#define Front(Q) Q.elem[(Q.front+1)%MAX_Q]// 退出int Exit(int err, char msg[]) { puts(msg); exit(err); return err; }int main(void){ int n=1,i,j,k,t; InitQ(Q); printf("please enter a number:"); scanf("%d",&n); if (n<=0) { printf("ERROR!\n"); exit(INVAL); } for(i=0;i<n;i++) printf(" "); puts("1"); EnQ(Q,1); EnQ(Q,1); for(i=1;i<n;i++) { for(k=0;k<n-i;k++) printf(" "); EnQ(Q,1); for(j=0;j<i;j++){ DeQ(Q,t); printf("%3d ",t); EnQ(Q,t+Front(Q)); } EnQ(Q,1); DeQ(Q,t); printf("%d\n",t); } return 0;}
Visual Basic
Private Sub Form_Click() N = InputBox("", "", 5) ReDim a(N + 1, N + 1), b(N + 1, N + 1) Cls k = 8 For I = 1 To N Print String((N - I) * k / 2 + 1, " "); For J = 1 To I a(I, 1) = 1 a(I, I) = 1 a(I + 1, J + 1) = a(I, J) + a(I, J + 1) b(I, J) = Trim(Str(a(I, J))) Print b(I, J); String(k - Len(b(I, J)), " "); Next J Print Next IEnd Sub
单击视窗在弹出输入框后输入行数后按确认 就能在窗体上列印杨辉三角了
SQL
-- 使用组合的计算公式和阶乘计算杨辉三角,对大数容易溢出。create function Factorial (@count int) returns int as begin declare @ret int,@index int set @ret = 1 --初始值为 1 set @index = 1 while(@index <= @count) begin set @ret = @ret * @index set @index = @index + 1 end return (@ret)endcreate function Combination (@num int,@count int) returns int as begin declare @up int,@L1 int,@R1 int,@ret int set @up = dbo.Factorial(@count) set @L1 = dbo.Factorial(@num) set @R1 = dbo.Factorial(@count - @num) set @ret = @up/(@L1 * @R1) return (@ret)endcreate function PrintRow (@num int) returns nvarchar(100) as begin declare @i int declare @str nvarchar(100) set @str = '' set @i = 1 while (@i < @num) begin set @str = @str + replace(str(dbo.Combination(@i,@num)),' ','') + ' ,' set @i = @i + 1 end return (@str)endcreate proc PasTrigLines(@num int) as begin -- 主程式 declare @i int set @i = 1 while(@i <= @num ) begin if (@i = 0 ) print 1 + ',' else if (@i = 1) print '1,1,' else print '1,' + dbo.PrintRow(@i) + '1,' set @i = @i + 1 endendexec PasTrigLines 10 -- 十个
易语言
来自易语言自带的例子。 以下为全文。
.版本 2.程式集 启动视窗程式集 .程式集变数 帕斯卡三角阶数, 整数型, , , 帕斯卡三角行数 .程式集变数 帕斯卡三角, 文本型, , , 形成的帕斯卡三角.子程式 __启动视窗_创建完毕' 使用算法:递归调用 ' 问题:求帕斯卡(杨辉)三角 ' 问题描述:取N阶的帕斯卡(杨辉)三角并显示 ' 问题分析: ' 运用递归的方法取N层帕斯卡三角,并显示。三角形边界上的数都是1,内部的每个数是位于它上面的两个数之和。 ' 假设f(row, col)表示杨辉三角的第row行的第col个元素,那幺:f(row, col) = 1 (col = 1 或者 row = col),也就是递归的停止条件。f(row, col) = f(row - 1, col - 1) + f(row - 1, col),也就是上一行的两个相邻元素的和。递归调用求解。 ' 备注:.子程式 _计算图形按钮_被单击 .局部变数 行数, 整数型, , , 帕斯卡三角行数 .局部变数 列数, 整数型, , , 帕斯卡三角列数 .局部变数 询问返回, 整数型, , , 信息框返回的结果编辑框2.内容 = “” 帕斯卡三角 = “” ' 判断输入的值 .判断开始 (编辑框1.内容 = “”) 信息框 (“输入错误!”, 0, ) ' 当数值过大时,给出提示 .判断 (到数值 (编辑框1.内容) > 20) 询问返回 = 信息框 (“您输入的数值过大,处理数据时程式将会有一段时间无回响,是否继续?”, #是否钮 + #询问图示, “请问:”) .如果真 (询问返回 = #是钮) ' 如果确定,调用求帕斯卡三角 求帕斯卡三角 () .如果真结束 ' 数据较小时调用求帕斯卡三角 .判断 (编辑框1.内容 ≠ “” 且 到数值 (编辑框1.内容) ≤ 20) 求帕斯卡三角 () .默认.判断结束 .子程式 求帕斯卡三角 .局部变数 行数, 整数型, , , 帕斯卡三角行数 .局部变数 列数, 整数型, , , 帕斯卡三角列数' 要求的帕斯卡三角的总行数 帕斯卡三角阶数 = 到数值 (编辑框1.内容) - 1 .变数循环首 (0, 帕斯卡三角阶数, 1, 行数) .变数循环首 (0, 行数, 1, 列数) ' 取帕斯卡三角元素放到当前行里 帕斯卡三角 = 帕斯卡三角 + 到文本 (取帕斯卡三角元素 (行数 + 1, 列数 + 1)) + “,” .变数循环尾 () 帕斯卡三角 = 取文本左边 (帕斯卡三角, 取文本长度 (帕斯卡三角) - 1) + #换行符 ' 没层需去尾都好加换行符 .变数循环尾 () ' 显示结果 编辑框2.内容 = 帕斯卡三角 .子程式 取帕斯卡三角元素, 整数型, , 取帕斯卡三角中元素的子程式 .参数 行数, 整数型, , 帕斯卡三角行数 .参数 列数, 整数型, , 帕斯卡三角列数.如果 (列数 = 1 或 行数 = 列数) ' 每行的外围两个元素为1 返回 (1) .否则 ' 其余的部分为上一行的(行数 - 1)和(行数)元素之和 返回 (取帕斯卡三角元素 (行数 - 1, 列数 - 1) + 取帕斯卡三角元素 (行数 - 1, 列数)) .如果结束
Java
public class TriangleArray{ public static void main(String[] args) { final int NMAX = 10; // allocate triangular array int[][] odds = new int[NMAX + 1][]; for (int n = 0; n <= NMAX; n++) odds[n] = new int[n + 1]; // fill triangular array for (int n = 0; n < odds.length; n++) for (int k = 0; k < odds[n].length; k++) { /* * compute binomial coefficient n*(n-1)*(n-2)*...*(n-k+1)/(1*2*3*...*k) */ int lotteryOdds = 1; for (int i = 1; i <= k; i++) lotteryOdds = lotteryOdds * (n - i + 1) / i; odds[n][k] = lotteryOdds; } // print triangular array for (int[] row : odds) { for (int odd : row) System.out.printf("%4d", odd); System.out.println(); } }}
PHP
<?php/* 默认输出十行,用T(值)的形式可改变输出行数 */class T{ private $num; public function __construct($var=10) { if ($var<3) die("值太小啦!"); $this->num=$var; } public function display(){ $n=$this->num; $arr=array(); //$arr=array_fill(0,$n+1,array_fill(0,$n+1,0)); $arr[1]=array_fill(0,3,0); $arr[1][1]=1; echo str_pad(" ",$n*12," "); printf("%3d",$arr[1][1]); echo "<br/>"; for($i=2;$i<=$n;$i++){ $arr[$i]=array_fill(0,($i+2),0); for($j=1;$j<=$i;$j++){ if($j==1) echo str_pad(" ",($n+1-$i)*12," "); printf("%3d",$arr[$i][$j]=$arr[$i-1][$j-1]+$arr[$i-1][$j]); echo " "; } echo"<br/>"; } }}$yh=new T(); //$yh=new T(数量);$yh->display();?>
只输出数组的方式如下:
<?php$max = 10;$L = [1];var_dump($L);$L = [1,1];var_dump($L);$n = 2;while ($n <= $max - 1){ $oldL = $L; $L[$n] = 1; $n++; for ($i = 1;$i <count($oldL);$i++){ $L[$i] = $oldL[$i-1] + $oldL[$i]; } var_dump($L);}?>
Python
较为便捷,代码量较少的实现方式如下:
# -*- coding: utf-8 -*-#!/usr/bin/env pythondef triangles(): L = [1] while True: yield L L = [sum(i) for i in zip([0]+L, L+[0])]
该方式用到了列表生成式,理解起来较困难,下面是另一种方式:
def triangles(): ret = [1] while True: yield ret for i in range(1, len(ret)): ret[i] = pre[i] + pre[i - 1] ret.append(1) pre = ret[:]
另一个不用生成器的版本:
def YangHui (num = 10): LL = [[1]] for i in range(1,num): LL.append([(0 if j== 0 else LL[i-1][j-1])+ (0 if j ==len(LL[i-1]) else LL[i-1][j]) for j in range(i+1)]) return LL
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