Skip to content

多项式

定义

对于函数 p:FF ,若存在 a0,,amF 使得对任意 zF 都有:

p(z)=a0,a1z+a2z2++amzm

则称 p 为系数属于 F多项式(polynomial)。

P(F) 是所有系数属于 F 的多项式所构成的集合。

次数

对于多项式 pP(F) ,当对任意 zF 都有 p(z)=a0,a1z+a2z2++amzm ,其中 a0,amFam0 ,则称 p次数(degree)为 m ,记做:

degp=m

对于恒等于 0 的多项式,其次数规定为

对于非负整数 mPm(F) 表示系数在 F 中且次数不超过 m 的所有多项式构成的集合:

Pm(F)={p:degpm}

多项式系数的唯一性

性质:若一个多项式是零函数,则其系数均为0。

如果一个多项式有多种不同的系数,那么其自身相减所得到的0函数的系数就不会全为0,与该性质相悖,说明多项式的系数是唯一确定的。

多项式的带余除法

p,sP(F)s0 ,则可以唯一确定多项式 q,rP(F) 使得:p=sq+r ,并且满足 degr<degs

可以用线性代数来做个优雅证明:

设 $ n = \text{deg} , p$ , m=degs ,当 n<m 时,显然只能令 q=0r=p ,故而我们只需以 nm 为前提做证明即可。

我们将带余除法定义为映射 T:Pnm(F)×Pm1(F)Pn(F) ,且该映射满足:

T(q,r)=sq+r

易证 T 是一个线性映射。在 (q,r)nullT 的情况下,sq+r=0 成立,因为 degs=ms0 ,故而 m>0 ,那么当 q0 的情况下 degsqm ,在\text{deg} , r < \text{deg} , s$ 的约束下,sq=r 是不可能成立的,故而 (q,r)nullTq=0r=0

所以 nullT=0 ,即 T 是单射的,故而证明了命题的唯一性。

由向量空间乘积的相关性质可得:

dim(Pnm(F)×Pm1(F))=(nm+1)+(m1+1)=n+1

dimrangeT=dimP(F) ,所以 rangeT=P(F) ,所以 T 是满射的,这证明了命题的存在性。

零点

定义

对于任意多项式 pP(F) ,若有 λF 使得 p(λ)=0 ,则称 λp零点(或)。

因式

对于任意多项式 p,sP(F) ,若存在 qP(F) 使得 p=sq ,则称 sp因式(factor)。

相关性质

  • 多项式的每个零点都对应一个一次因式

pP(F) , λFp(λ)=0 情况的成立,等价于存在多项式 qP(F) 使得对于任意 zF 都有 p(z)=(zλ)q(z)

证明:

当存在多项式 qP(F) 使得对于任意 zF 都有 p(z)=(zλ)q(z) 时,很显然 p(λ)=0 成立:

p(λ)=(λλ)q(z)=0q(z)=0

p(λ)=0 时,设 sP(F) 且对于任意 zF 都有 s(z)=zλ

显然 degs=1,根据多项式带余除法的定义,必然存在多项式 q,rP(F) ,使得 p=sq+r ,因为 degr<degsdegr(,0] ,所以多项式 r 实际上就是个标量,即对于每个 zF 都有:

p(z)=s(z)q(z)+r=(zλ)q(z)+r

因为 p(λ)=0 ,所以 (zλ)q(z)=0 ,故而此时 r=0 ,所以 p(z)=(zλ)q(z) 成立。

  • 多项式零点的个数不超过它的次数: 对于任意多项式 pPm(F) ,当 m0 时,p 最多有 m 个不同的零点。

结合上一条性质,再利用归纳法可证,这里就省略证明过程了。

代数学基本定理

每个非常数的复系数多项式都有零点。

优雅地证明该定理需要使用复分析领域的知识,以后再补充。

多项式的分解

C 上的多项式分解

pP(C) 是非常数多项式,则 p 可以唯一分解为:

p(z)=c(zλ1)(zλm)

其中 c,λ1,λmC

证明:pP(C)m=degp ,首先由代数学基本定理可知,对于 p 一定存在一个根 λ 使得:

p(z)=(zλ)q(z)

此处 degq=m1 ,再将多项式 q 代入到上述过程并以此类推,就可以证明多项式 p 的分解形式的存在。

接下来证明唯一性,设对于任意 zC 都有:

(zλ1)(zλm)=(zτ1)(zτm)

z=λ1 代入上式,此时整个等式左右两边都应等于 0 ,故而等式右边必然存在一个 τ 等于 λ1 ,我们可以重新整理下标,使得 λ1=τ1 ,并将等式整体除以 zλ1

(zλ2)(zλm)=(zτ2)(zτm)

重复这个流程,就能得到结论:

λ1=τ1,,λm=τm

故而多项式的 p 的分解形式存在且唯一。

R 上的多项式分解

实系数多项式的非实数根都是成对出现的

pP(C) 是实系数多项式,若 λCp 的根,则 λ 也是 p 的根。

证明:设

p(z)=a0+a1z++am1zm1+amzm

此处 a0,amF

λCp 的根,那么 p(λ)=0 ,对整个等式取复共轭:

p(λ)=0=00=a0+a1z++am1zm1+amzm=a0+a1z++am1zm1+amzm=a0+a1z++am1zm1+amzm=a0+a1z++am1zm1+amzm=a0+a1z++am1(z)m1+am(z)m=p(z)p(z)=0

R 上多项式的分解

pP(R) 是非常数多项式,那么 p 可以唯一分解为:

p(x)=c(xλ1)(xλm)(x2+b1x+c1)(x2+bMx+cM)

其中 c,λ1,,lambdam,b1,,bM,c1,,cMR , 且对于下标 j 都有 bj2<4cj

证明:degp=n

因为 RC ,故而 pP(C) ,如果 p 的零点全部都是实数,那么结论易得。所以我们假设 p 有一个根 λCλR ,那么其复共轭 λ 也是 p 的根,则存在一个次数为 n2 的多项式 qP(C) ,使得:

p(x)=(xλ)(xλ)q(x)=(x22(Reλ)x+|λ|2)q(x)q(x)=p(x)x22(Reλ)x+|λ|2

说明对于 xR 都有 q(x)R ,将 q 多项式一般形式:

q(x)=a0+a1x+...+an2xn2

其中 a0,,an2mathbfC ,则对于 xR 有:

Imq=0=(Ima0)+(Ima1)x++(Iman2)xn2

所以 Ima0,,Iman2 均为 0 ,所以 a0,,an2mathbfR ,反复将得出的 q 代入到一开始的等式中,从而证明了该分解形式的存在性。

至于唯一性,假设有多个分解形式,那么 pP(C) 的概念中也存在两个不同形式的分解,这与“C 上的多项式分解形式存在且唯一”相悖,故而分解形式是唯一的。

本站页面由VitePress驱动,内容基于 CC BY-NC 4.0 许可发布。