Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Алгебра 3 семестр Лекцииi

.pdf
Скачиваний:
65
Добавлен:
18.05.2015
Размер:
670.27 Кб
Скачать

= (ak + bk ) xk + (ak −1 + bk −1 )xk −1 + K + (a1 + b1 )x + (a0 + b0 ) .

ЗАМЕЧАНИЕ. Очевидно, чтобы вычислить сумму многочленов, достаточно записать два многочлена в виде суммы и привести подобные члены.

Произведением многочленов f (x ) и g (x ) называется

многочлен,

который

равен

сумме

всевозможных

произведений одночленов из f (x )

и g (x ) :

 

 

 

f (x )g (x ) = c

n +m

xn +m + c

 

xn +m −1

+ K+ c x + c

0

,

 

 

 

n +m −1

1

 

где ci = a0bi + a1bi −1 + a2bi −2 + K + ai −1b1 + aib0 .

ЗАМЕЧАНИЕ. Запись вида (1) называется стандартной или канонической формой записи многочлена. Обычно при записи многочлена используются следуюшие соглашения.

1)Одночлены вида 0xi не записываются.

2)Одночлены вида 1xi записываются как xi .

3)Одночлены вида (ai )xi записываются как ai xi .

Если переменная x зафиксирована, то вместо f (x ) можно использовать сокращённую запись f .

ПРИМЕР. Найти сумму и произведение многочленов f (x ) = 2x3 + x2 − 3x +1, g (x ) = x2 − 2x −1.

Действуем согласно определению.

f (x ) + g (x ) = (2x3 + x2 − 3x + 1) + (x2 − 2x −1) =

= 2x3 + (1 + 1)x2 + (−3 − 2)x + (1 −1) = 2x3 + 2x2 − 5x . f (x )g (x ) = (2x3 + x2 − 3x +1)(x2 − 2x −1) =

61

= 2x5 + x4 - 3x3 + x2 - 4x4 - 2x3 + 6x2 - 2x -

-2x3 - x2 + 3x -1 = 2x5 - 3x4 - 7x3 + 6x2 + x -1.

Непосредственной проверкой доказывается

ТЕОРЕМА. Многочлены с коэффициентами из K образуют коммутативное, ассоциативное кольцо с единицей

K [x] .

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО состоит в проверке всех аксиом.

ЗАМЕЧАНИЕ. В дальнейшем под многочленом подразумевается любой элемент кольца K [x] . Он не

обязательно записан в стандартной форме. Однако, если выполнить действия, раскрыть скобки и привести подобные члены, то стандартную форму всегда можно получить.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ.

Если f (x ) = a xn + a xn −1 + K+ a x + a

0

 

n

n −1

1

 

и an ¹ 0 , то число n

называется степенью многочлена

f (x )

и обозначается deg ( f ) или cm ( f ) . Коэффициент an

в этом

случае называется старшим коэффициентом.

Таким образом, степень многочлена это наибольшая из степеней его ненулевых одночленов. Степень нулевого многочлена не определяется.

ТЕОРЕМА (свойства степени). 1) Степень суммы

многочленов не превосходит максимальной степени слагаемых, т.е. если f , g ¹ 0, f + g ¹ 0 , то

cm ( f + g) £ max (cm ( f ), cm (g)) .

2) Степень произведения многочленов равна сумме степеней сомножителей, т.е. если f , g ¹ 0 , то

cm ( f × g) = cm ( f ) + cm (g) .

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. 1) следует из определения суммы.

62

2) Пусть

 

 

 

 

 

 

f (x ) = a xn + a

xn −1

+ K+ a x + a

0

, a ¹ 0 ,

n

n −1

 

1

 

n

g (x ) = b xm + b xm −1

+ K + b x + b , b ¹ 0 ,

m

m −1

1

0

m

тогда

f (x )g (x ) = anbm xn +m + (anbm −1 + an −1bm )xn +m −1 + K + a0b0 .

Так как кольцо не содержит делителей нуля, то anbm ¹ 0

и

cm ( f g ) = n + m = cm ( f ) + cm (g ) .

СЛЕДСТВИЕ. Если кольцо K не имеет делителей нуля, то кольцо K [x] также не имеет делителей нуля.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Из условия anbm ¹ 0 следует, что f (x ) g (x) ¹ 0 .

Мы будем доказывать, что кольцо многочленов является евклидовым кольцом. Евклидовой нормой в нём будет степень. Для этого нужно выяснить, какие многочлены являются обратимыми, и проверить аксиомы евклидовой нормы.

ТЕОРЕМА (об обратимых элементах кольца многочленов).

Многочлен f (x ) Î K [x] обратим тогда и только тогда, когда

он является многочленом нулевой степени и обратим в

кольце K , т.е. f (x ) = a0 Î K .

 

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Пусть

f (x ) имеет обратный элемент,

т.е. существует g (x ) Î K [x]

такой, что f (x ) g (x ) = 1 .

Вычисляя степень правой и левой части этого равенства и применяя свойство степени, получаем

cm ( f g ) = cm ( f ) + cm (g ) = 0 .

63

Отсюда следует, что cm ( f ) = cm (g ) = 0 , т.е. f , g Î K , Причём по условию они обратимы.

В обратную сторону теорема очевидна.

Докажем свойство делимости 7 ( = аксиома 1 евклидовой нормы).

7) Если f ¹ 0 и f Mg , то cm ( f ) ³ cm (g) .

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Если f ¹ 0 , то и g ¹ 0 . По условию

f Mg , поэтому существует h (x ) Î K [x] такое, что f (x ) = g (x )h (x ) , причём h ¹ 0 .

Вычислим степень обеих частей неравенства и применим свойство степени.

cm ( f ) = cm (gh ) = cm (g) + cm (h ) ³ cm (g) .

Теорема о делении с остатком (аксиома 2 евклидовой нормы) будет доказана позднее, а пока дадим определение деления с остатком.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Пусть даны многочлены f , g Î K [x] ,

причём g ¹ 0 . Разделить с остатком многочлен f (x ) на многочлен g (x ) , значит найти такие многочлены h, r Î K [x] ,

что

f (x ) = g (x )h (x ) + r (x ) ,

причём либо r = 0 , либо cm (r ) < cm (g) .

Свойства делимости 1)–6) также, очевидно, будут выполняться в кольце многочленов, и ими можно пользоваться.

ПРИМЕР. Определить, при каких a, b Î ¡ выполняется

соотношение

64

(x2 + ax + b)M(x +1) .

Для того, чтобы данное соотношение выполнялось, должен существовать такой h (x ) Î ¡[x] , что

(x2 + ax + b) = (x +1) × h (x ) .

Согласно свойствам степени cm (h (x )) = 1.

Воспользуемся так называемым методом неопределённых коэффициентов и будем искать h (x) в стандартной форме с неопределёнными коэффициентами:

h (x ) = cx + d .

Подставляем выражение для h (x) в равенство и приводим правую часть к стандартной форме.

x2 + ax + b = (x +1)(cx + d ) = cx2 + (c + d)x + d .

Согласно определению равенства многочленов, коэффициенты при одинаковых степенях x в левой и правой части должны совпадать. Приравниваем их и находим a, b .

ì 1 = ïía = c ïî b =

c,

ìa = 1 + d,

 

 

+ d, Û

d

свободная переменная.

í

b = d;

d.

î

 

 

 

 

 

 

§2. Многочлены как функции

Если вместо переменной x в многочлен подставить некоторый элемент c K и произвести вычисления, то получится некоторый элемент кольца K . Ввиду этого, многочлены можно рассматривать как функции из K в K и использовать для их изучения приёмы теории функций.

65

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Пусть f (x ) = a xn

+ a xn −1

+ K+ a x + a

0

n

n −1

1

 

некоторый многочлен. Значением

f (x ) в

точке

c K

называется элемент

 

 

 

 

f (c ) = ancn + an −1cn −1 + K + a1c + a0 Î K .

Если f (c ) = 0 ,

то c называется корнем многочлена

f (x ) .

 

Нахождение корней основная задача теории

многочленов.

 

ТЕОРЕМА (Безу).

Для любого многочлена f (x ) Î K [x] и

c K существуют и единственные h (x ) Î K [x], r Î K такие,

что

f (x ) = (x - c )h (x ) + r .

(2)

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Если f (x ) Î K , то h (x ) = 0, r = f (x ) и

доказательство закончено. Пусть cm ( f ) = n ³ 1, тогда

f (x ) = an xn + an −1xn −1 + K+ a1x + a0, an ¹ 0 .

Согласно свойству степени cm (h ) = n -1. Будем искать частное h (x) методом неопределённых коэффициентов.

h (x ) = bn −1xn −1 + bn −2xn −2 + K+ b1x + b0 ,

f(x ) = an xn + an −1xn −1 + K+ a1x + a0 =

=(x - c )(bn −1xn −1 + bn −2xn −2 +K+ b1x + b0 ) + r =

=bn −1xn + (bn −2 - cbn −1 )xn −1 + (bn −3 - cbn −2 ) xn −2 + K

K + (b0 - cb1 ) x + (r - cb0 ) .

66

Приравниваем коэффициенты при одинаковых степенях x и выражаем неизвестные коэффициенты bi и r .

ì

 

an = bn −1,

ïa

 

= b

- cb

ï

n −1

 

n −2

n

ïa

 

= b

- cb

í

n −2

 

n −3

n

ï

 

 

 

K

 

ï

 

a1 = b0 - cb1,

ï

 

a

 

= r - cb ;

ï

 

0

î

 

 

 

0

 

 

 

 

ì

 

 

bn −1 = an ,

 

 

−1

,

 

ïb

 

= a

 

−1

+ cb ,

 

 

 

 

ï

n −2

n

n −1

 

 

−2

,

Û

ïb

 

 

= a

 

 

+ cb

,

(3)

 

í n −3

n −2

n −2

 

 

 

 

 

ï

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

ï

 

b0 = a1 + cb1,

 

 

 

 

 

 

ï

 

r = a

 

+ cb .

 

 

 

 

 

 

ï

 

0

 

 

 

 

 

 

î

 

 

 

 

0

 

 

Полученная система легко решается: из первого уравнения находим bn −1 , подставляем его значение во второе

уравнение и находим bn −2 , подставляем полученное значение bn −2 в третье уравнение и находим bn −3 , и так до тех пор, пока не будут найдены все коэффициенты bi и r .

Тем самым доказано, что h (x ) Î K [x], r Î K ,

удовлетворяющие

условию

теоремы

существуют

и

единственны, т.к. решение системы находится однозначно.

 

СЛЕДСТВИЯ. 1) r = f (c ) .

 

 

 

2) Элемент

c K является корнем

f (x ) тогда

и

только тогда, когда f (x )M(x - c ) .

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. 1) Воспользуемся тем, что многочлен задаёт функцию и подставим c K в равенство (2).

f(c ) = (c - c ) ×h (c ) + r = r .

2)Если f (c ) = 0 , то

f (x ) = (x - c ) ×h (x ) + f (c ) = (x - c ) ×h (x )

и, следовательно, f (x )M(x - c ) . Если f (x )M(x - c ) , то f (x ) = (x - c ) ×h (x ) , и если подставить c в это равенство, то

67

f (c ) = (c - c ) ×h (c ) = 0 .

ЗАМЕЧАНИЕ. Система (3) решается "сверху-вниз", т.е. каждый коэффициент bi , начиная с bn −2 , вычисляется по

предыдущему коэффициенту, причём всякий раз по одной и той же схеме, которая называется схемой Горнера. Вычисления можно весьма компактно записывать в таблицу. Поясним это на примере ниже.

Схема Горнера, фактически, позволяет делить с остатком произвольный многочлен на многочлен вида (x - c ) .

Многочлен h (x) при этом является неполным частным, а r остатком.

При помощи следствий можно вычислять значение многочлена, проверять делимость на многочлен первой

степени.

 

 

ПРИМЕР.

Вычислить при c = 2

значение многочлена

f (x ) = 2x4 - 5x2 - 4x + 1.

 

Запишем

все коэффициенты

f (x ) в таблицу, как

показано ниже. При этом необходимо отметить, что в вычислениях участвуют все коэффициенты, включая те, которые равны нулю.

 

2

 

0

 

–5

 

–4

 

1

 

c = 2

2

 

4

 

3

 

2

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Во вторую строку будем вписывать коэффициенты bi

по мере их вычисления.

Так

как

b3 = a4 = 2 ,

то число из

первой клетки просто переносим вниз. Далее вычисления выполняются по принципу bi −1 = cbi + ai , т.е. чтобы заполнить

некоторую клетку второй строки, нужно взять число из клетки слева (там значение предшествующего коэффициента) умножить его на c = 2 и добавить число из клетки выше (там

68

соответствующее значение ai ). В последней клетке таблицы будет находиться r .

2 × 2 + 0 = 4, 2 × 4 - 5 = 3, 2 × 3 - 4 = 2, 2 × 2 +1 = 5 .

Важно правильно расшифровать результат, записанный в таблице. В верхней строке записаны коэффициенты многочлена f (x ) , в нижней сначала коэффициенты

многочлена h (x) , а затем число r . В виде равенства результат можно записать так:

2x4 - 5x2 - 4x +1 = (x - 2) × (2x3 + 4x2 + 3x + 2) + 5 .

Если раскрыть скобки в правой части равенства и привести подобные члены, то получится многочлен из левой части равенства (это доказано в теореме Безу).

ТЕОРЕМА (о количестве корней).

Если K

кольцо без

делителей нуля,

то всякий ненулевой многочлен степени n в

кольце K [x]

имеет не более n различных корней.

 

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Индукция по степени n .

Если n = 0 ,

то многочлен

f (x ) = a Î K, a ¹ 0 ,

имеет

0

корней и,

следовательно, утверждение теоремы выполняется.

Пусть

для

некоторого n = k

утверждение теоремы

выполняется. Докажем, что оно выполняется также для многочлена f (x ) степени k +1 .

Если многочлен не имеет корней, то их количество

равно 0 £ k +1 и доказывать нечего. Пусть

f (x )

имеет хотя

бы один корень c K , тогда по теореме

Безу

многочлен

делится на (x - c ) и, следовательно,

 

 

f (x ) = (x - c )h (x ) .

 

 

69

Докажем вспомогательное утверждение: элемент d ¹ c

является корнем f (x ) тогда и только тогда, когда d

корень многочлена h (x) .

Действительно, если f (d) = 0 , то (d - c )h (d) = 0 . Так как d - c ¹ 0 , то, ввиду отсутствия делителей нуля, h (d) = 0 .

Обратно, если h (d) = 0 , то f (d) = (d - c )h (d) = (d - c ) × 0 = 0 .

В результате получилось, что корнями f (x ) будут все

корни h (x)

и элемент c . По предположению многочлен h (x)

имеет £ k

корней. Следовательно

многочлен

f (x ) будет

иметь £ k +1 корней.

 

 

 

Теорема доказана.

 

 

 

СЛЕДСТВИЕ 1. Если многочлен вида

 

 

f (x ) = a xn + a xn −1 + K+ a x + a

0

 

n

n −1

1

имеет более чем n корней, то f = 0 .

Действительно, если an ¹ 0 , то получится противоречие с теоремой. Поэтому an = 0 . Аналогично доказываем, что

an −1 = 0, an −2 = 0, K, a1 = 0, a0 = 0 .

СЛЕДСТВИЕ 2. Всякий ненулевой многочлен степени не

превосходящей n

однозначно

определяется своими

значениями в (n +1) точке.

 

 

 

 

 

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Предположим, что есть два

многочлена

 

 

 

 

 

 

f (x ) = a xn

+ a xn −1

+ K+ a x + a

0

и

 

n

n −1

 

1

 

g (x ) = b xn

+ b

xn −1 + K+ b x + b ,

 

n

n −1

 

1

0

 

70