Свойства

где - (в общем случае комплексные) корни многочлена , возможно с повторениями, при этом если среди корней многочлена встречаются равные, то общее их значение называется кратным корнем .

Нахождение корней

Способ нахождения корней линейных и квадратичных многочленов, то есть способ решения линейных и квадратных уравнений, был известен ещё в древнем мире. Поиски формулы для точного решения общего уравнения третьей степени продолжались долгое время (следует упомянуть метод, предложенный Омаром Хайямом), пока не увенчались успехом в первой половине XVI века в трудах Сципиона дель Ферро , Никколо Тарталья и Джероламо Кардано . Формулы для корней квадратных и кубических уравнений позволили сравнительно легко получить формулы для корней уравнения четвертой степени .

То, что корни общего уравнения пятой степени и выше не выражаются при помощи рациональных функций и радикалов от коэффициентов было доказано норвежским математиком Нильсом Абелем в 1826 году . Это совсем не означает, что корни такого уравнения не могут быть найдены. Во-первых, в частных случаях, при некоторых комбинациях коэффициентов корни уравнения при некоторой изобретательности могут быть определены. Во-вторых, существуют формулы для корней уравнений 5-й степени и выше, использующие, однако, специальные функции - эллиптические или гипергеометрические (см., к примеру, корень Бринга).

В случае, если все коэффициенты многочлена рациональны, то нахождение его корней приводится к нахождению корней многочлена с целыми коэффициентами. Для рациональных корней таких многочленов существуют алгоритмы нахождения перебором кандидатов с использованием схемы Горнера , причем при нахождении целых корней перебор может быть существенно уменьшен приемом чистки корней. Также в этом случае можно использовать полиномиальный LLL-алгоритм.

Для приблизительного нахождения (с любой требуемой точностью) вещественных корней многочлена с вещественными коэффициентами используются итерационные методы , например, метод секущих , метод бисекции , метод Ньютона . Количество вещественных корней многочлена на интервале может быть оценено при помощи теоремы Штурма .

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Канализация
• Словарь терминов вексиллологии

Смотреть что такое "Корень многочлена" в других словарях:

Корень алгебраического уравнения

Корень уравнения - Корень многочлена над полем k элемент, который после подстановки его вместо x обращает уравнение в тождество. Свойства Если c является корнем многочлена p(x … Википедия

Корень Бринга - Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения. В алгебре корень Бринга или ультрарадикал это аналитическая функция, такая что для… … Википедия

Корень (значения) - Корень: В Викисловаре есть статья «корень» Корень (в ботанике) вегетативный осевой подземный орган растения, обладающий сп … Википедия

Корень (в математике) - Корень в математике, 1) К. степени n из числа а ≈ число х (обозначаемое), n я степень которого равна а (то есть xn = а). Действие нахождения К. называют извлечением корня. При а ¹ 0 существует n различных значений К. (вообще говоря,… …

Корень - I Корень (radix) один из основных вегетативных органов листостебельных растений (за исключением мхов), служащий для прикрепления к субстрату, поглощения из него воды и питательных веществ, первичного превращения ряда поглощаемых веществ,… … Большая советская энциклопедия

КОРЕНЬ - 1) К. степени n из числа a число n я степень х п к рого равна а. 2) К. алгебраического уравнения над полем К элемент к рый после подстановки его вместо хобращает уравнение в тождество. К. этого уравнения наз. также и К. многочлена Если сявляется… … Математическая энциклопедия

Кратный корень - многочлена f (x) = a0xn + a1xn 1 +... + an, число с такое, что f (x) делится без остатка на вторую или более высокую степень двучлена (х с). При этом с называют корнем кратности, если f (x) делится на (х с) k, но не… … Большая советская энциклопедия

Сопряжённый корень - Если задан некоторый неприводимый многочлен над кольцом и выбран некоторый его корень в расширении, то сопряженным корнем для данного корня многочлена называется любой корень многочлена … Википедия

Квадратный корень из 2 - равен длине гипотенузы в прямоугольном треугольнике с длиной катетов 1. Квадратный корень из числа 2 положительное … Википедия

§ 13. Целые функции (многочлены) и их основные свойства. Решение алгебраических уравнений на множестве комплексных чисел 165

13.1. Основные определения 165

13.2. Основные свойства целых многочленов 166

13.3. Основные свойства корней алгебраического уравнения 169

13.4. Решение основных алгебраических уравнений на множестве комплексных чисел 173

13.5. Упражнения для самостоятельной работы 176

Вопросы для самопроверки 178

Глоссарий 178

1. Основные определения

Целой алгебраической функцией илиалгебраическим многочленом (полиномом )аргумента x называется функция следующего вида

Здесьn –степень многочлена (натуральное число или 0),x – переменная (действительная или комплексная),a 0 , a 1 , …, a n –коэффициенты многочлена (действительные или комплексные числа),a 0  0.

Например,

;
;
,
– квадратный трехчлен;

,
;.

Числох 0 такое, чтоP n (x 0)0, называетсянулем функции P n (x ) иликорнем уравнения
.

Например,

его корни
,
,
.

так как
и
.

Замечание (к определению нулей целой алгебраической функции)

В литературе часто нули функции
называются ее корнями. Например, числа
и
называются корнями квадратичной функции
.

1. Основные свойствацелых многочленов

 Тождество (3) справедливо при x 
(илиx  ), следовательно, оно справедливо при
; подставляя
, получима n = b n . Взаимно уничтожим в (3) слагаемые а n и b n и поделим обе части на x :

Это тождество тоже верно при x , в том числе при x = 0, поэтому полагая x = 0, получим а n – 1 = b n – 1 .

Взаимно уничтожим в (3") слагаемые а n – 1 и b n – 1 и поделим обе части на x , в результате получим

Аналогично продолжая рассуждение, получим, что а n – 2 = b n –2 , …, а 0 = b 0 .

Таким образом, доказано, что из тождественного равенства двух целых многочленов следует совпадение их коэффициентов при одинаковых степенях x .

Обратное утверждение справедливо очевидно, то есть если два многочлена имеют одинаковыми все коэффициенты, то они есть одинаковые функции, определенные на множестве
, следовательно, их значения совпадают при всех значениях аргумента
, что и означает их тождественное равенство. Свойство 1 доказано полностью.

Пример (тождественное равенство многочленов)

.

 Запишем формулу деления с остатком: P n (x ) = (x – х 0)∙Q n – 1 (x ) + A ,

где Q n – 1 (x ) - многочлен степени (n – 1), A - остаток, который является числом вследствие известного алгоритма деления многочлена на двучлен «в столбик».

Это равенство верно при x , в том числе при x = х 0 ; полагая
, получим

P n (x 0) = (x 0 – x 0)Q n – 1 (x 0) + A  A = P n (х 0) 

Следствием доказанного свойства является утверждение о делении без остатка многочлена на двучлен, известное как теорема Безу.

Теорема Безу (о делении целого многочлена на двучлен без остатка)

Если число является нулем многочлена , то этот многочлен делится без остатка на разность , то есть верно равенство  (5)

 Доказательство теоремы Безу можно провести без использования ранее доказанного свойства о делении целого многочлена
на двучлен
. Действительно, запишем формулу деления многочлена
на двучлен
с остатком А=0:

Теперь учтем, что - это нуль многочлена
, и запишем последнее равенство при
:

Примеры (разложение многочлена на множители с использованием т. Безу)

1) ,так какP 3 (1)0;

2) ,так какP 4 (–2)0;

3) ,так какP 2 (–1/2)0.

Доказательство этой теоремы выходит за рамки нашего курса. Поэтому примем теорему без доказательства.

Поработаем по этой теореме и по теореме Безу с многочленом P n (x ):

после n -кратного применения этих теорем получим, что

где a 0 - это коэффициент приx n в записи многочленаP n (x ).

Если в равенстве (6)k чисел из наборах 1 ,х 2 , …х n совпадают между собой и с числом, то в произведении справа получается множитель (x –) k . Тогда числоx =называетсяk-кратным корнем многочлена P n (x ) , или корнем кратности k . Еслиk = 1, то число
называетсяпростым корнем многочлена P n (x ) .

Примеры (разложение многочлена на линейные множители)

1) P 4 (x ) = (x – 2)(x – 4) 3  x 1 = 2 - простой корень, x 2 = 4 - трехкратный корень;

2) P 4 (x ) = (x – i ) 4  x = i - корень кратности 4.

2 Схема Горнера

3 Функции произвольного вида

4 Нахождение корней полиномов

Список используемых информационных источников

1 Нахождение корней уравнений (Equation Section 1)

Одним из наиболее распространенных методов поиска корней уравнений является метод Ньютона и его модификации. Пусть требуется решить уравнение

. Будем считать, что x является решением уравнения. Разложим функцию f(x) в ряд в точке x0 близкой к точке x и ограничимся только первыми двумя членами разложения.

Поскольку x – корень уравнения, то

. Следовательно,

Таким образом, если нам известно приближенное значение корня уравнения, то полученное уравнение позволяет его уточнить. Понятно, что процесс уточнения можно повторять многократно, до тех пор, пока значение функции не будут отличаться от нуля на величину меньшую, чем заданная точность поиска. Очередное k-е приближение находится по формуле

Ограничившись в разложении только первыми двумя членами, мы фактически заменили функцию f(x) на прямую линию, касательную в точке x0, поэтому метод Ньютона еще называют методом касательных. Далеко не всегда бывает удобно находить аналитическое выражение для производной функции. Однако, в этом и нет особой необходимости: поскольку на каждом шаге мы получаем приближенное значение корня, можно для его вычисления использовать приближенное значение производной.

В качестве малой величины

можно взять, например, заданную точность вычислений , тогда расчетная формула примет вид (1.1)

С другой стороны, для вычисления производной можно воспользоваться значениями функции, полученными на двух предыдущих шагах,

(1.2)

В таком виде метод называется методом секущих (secantmethod). При этом, однако, возникает проблема с вычислением первого приближения. Обычно полагают, что

, то есть первый шаг вычислений проводится с использованием формулы (1.1), а все последующие – с использованием формулы (1.2). Именно эта вычислительная схема реализована в пакете Mathcad. Используя метод секущих, мы не можем гарантировать, что корень находится между двумя последними приближениями. Можно, однако, для вычисления очередного приближения использовать границы интервала, на котором функция меняет знак. Такой метод называется методом хорд (falsepositionmethod).

Идея метода секущих развивается в методе Мюллера. Однако в этом методе для нахождения очередного приближения используются три предыдущие точки. Иными словами, метод использует не линейную, а квадратичную интерполяцию функции. Расчетные формулы метода следующие :

Знак перед корнем выбирается так, чтобы абсолютное значение знаменателя было максимальным.

Поскольку поиск корня заканчивается, когда выполнится условие

, то возможно появление ложных корней. Например, для уравнения ложный корень появится в том случае, если точность поиска задана меньше, чем 0,0001. Увеличивая точность поиска, можно избавиться от ложных корней. Однако не для всех уравнений такой подход работает. Например, для уравнения , которое, очевидно, не имеет действительных корней, для любой, сколь угодно малой точности найдется значение x, удовлетворяющее критерию окончания поиска. Приведенные примеры показывают, что к результатам компьютерных вычислений всегда нужно относиться критически, анализировать их на правдоподобность. Чтобы избежать "подводных камней" при использовании любого стандартного пакета, реализующего численные методы, нужно иметь хотя бы минимальное представление о том, какой именно численный метод реализован для решения той или иной задачи.

В том случае, когда известен интервал, на котором расположен корень, можно воспользоваться иными методами нахождения решения уравнения.

В методе Риддера (Ridder’smethod) вычисляют значение функции в середине интервала

. Затем ищут экспоненциальную функцию такую, что Затем применяют метод хорд, используя значения . Очередное значение вычисляют по формуле (1.5)

Метод Брента (Brentmethod) соединяет быстроту метода Риддера и гарантированную сходимость метода деления отрезка пополам. Метод использует обратную квадратичную интерполяцию, то есть ищет x как квадратичную функцию y. На каждом шаге проверяется локализация корня. Формулы метода достаточно громоздки и мы не будем их приводить.

Особые методы применяют для поиска корней полинома. В этом случае могут быть найдены все корни. После того как один из корней полинома найден, степень полинома может быть понижена, после чего поиск корня повторяется.

Метод Лобачевского, метод приближённого (численного) решения алгебраических уравнений, найденный независимо друг от друга бельгийским математиком Ж. Данделеном, русским математиком Н. И. Лобачевским (в 1834 в наиболее совершенной форме) и швейцарским математиком К. Греффе. Суть Л. м. состоит в построении уравнения f1(x) = 0, корни которого являются квадратами корней исходного уравнения f(x) = 0. Затем строят уравнение f2(x) = 0, корнями которого являются квадраты корней уравнения f1(x) = 0. Повторяя этот процесс несколько раз, получают уравнение, корни которого сильно разделены. В случае если все корни исходного уравнения действительны и различны по абсолютной величине, имеются простые вычислительные схемы Л. м. для нахождения приближённых значений корней. В случае равных по абсолютной величине корней, а также комплексных корней вычислительные схемы Л. м. очень сложны.

Метод Лагерра (Laguerre’smethod) основывается на следующих соотношениях для полиномов

Знак перед корнем выбирают с таким расчетом, чтобы получить наибольшее значение знаменателя.

Еще один метод, который применяют для поиска корней полиномов, – метод сопровождающей матрицы (companionmatrix). Можно доказать, что матрица

называемая сопровождающей матрицей для полинома

, имеет собственные значения равные корням полинома. Напомним, что собственными значениями матрицы называются такие числа , для которых выполняется равенство или . Существуют весьма эффективные методы поиска собственных значений, о некоторых из них мы будем говорить далее. Таким образом, задачу поиска корней полинома можно свести к задаче поиска собственных значений сопровождающей матрицы.

2 Схема Горнера

Вычисление по схеме Горнера оказывается более эффективным, причем оно не очень усложняется. Эта схема основывается на следующем представлении многочлена:

p(x) = ((... ((anx + an-1)x + an-2)x + ... + a2)x + a1)x + a0.

Займемся общим многочленом вида:

p(x) = anxn + an-1xn-1 + an-2xn-2 + ... + a2x2 + a1x + a0.

Мы будем предполагать, что все коэффициенты an, ..., a0 известны, постоянны и записаны в массив. Это означает, что единственным входным данным для вычисления многочлена служит значение x, а результатом программы должно быть значение многочлена в точке x.

Определения и утверждения к 2.2 можно найти в .

Корнем многочлена называется числотакое что
.

Теорема Безу. Для любой функции
и числа
верно равенство:

где
.

Следствие. Числоявляется корнем тогда и только тогда, когда
делится на
без остатка.

Удобной для деления на многочлены вида (
) является схема Горнера. Рисуем таблицу, в первой строке которой записываем все коэффициенты
(включая нулевые).

‑ коэффициенты неполного частного от деления
на (
);‑ остаток от деления, который по теореме Безу равен
. Если= 0, то говорят, что
делится на (
) нацело и‑ корень многочлена
.

Пример 33 Разделитьна
.

Решение. Воспользуемся схемой Горнера. Нарисуем таблицу и выполним расчеты.

Итак, , где‑ коэффициенты неполного частного. Следовательно,.

Пример 34 Найти значение функции
в точке

x = ‑2.

Решение. С помощью схемы Горнера разделим
на многочлен
. При заполнении таблицы учитываем, что коэффициенты при четвертой и второй степенях, а также свободный член в многочлене равны 0.

	2

В результате вычислений получили остаток, равный ‑8. По теореме Безу он равен значению
в точкеx = ‑2.

Ответ: {–8}.

Алгоритм деления, рассмотренный в 2.1, применим для деления на многочлен любой степени, а схема Горнера применима только для деления на (
).

1. Неприводимые многочлены

Определения и утверждения к 2.3 можно найти в . Многочлен с действительными коэффициентами
является неприводимым, если не существует многочленов
и
с действительными коэффициентами степени меньшей
, таких, что
. Т. е. неприводимый многочлен нельзя разложить в произведение многочленов меньших степеней.

Утверждение. Неприводимыми многочленами с действительными коэффициентами являются многочлены 1-й или 2-й степени с отрицательным дискриминантом, и только они.

Разложением многочлена на множители называется представление его в виде произведения неприводимых многочленов.

Основные методы разложения многочленов на множители:

1. Вынесение общего множителя за скобки.

2. Использование формул сокращенного умножения.

Пример 35
.

=. При разложении воспользовались формулой.

3. Метод группировки.

Пример 36 Разложить на множители многочлен
.

Группируем вместе слагаемые, содержащие множитель 5:

=
=
=

= [вынесем общий множитель за скобки] =

Пример 37 Разложить на множители многочлен
.

Группируем слагаемые, начиная с первого:

Квадратный трехчлен раскладываем на множители, найдя его корни:

. В итоге

4. Метод подбора корней.

Этот метод основан на следующих утверждениях:

Утверждение 1. Если для многочлена

числа
‑ корни, то верно равенство.

Утверждение 2. У многочлена со старшим коэффициентом, равным 1, целыми корнями могут быть только делители свободного члена.

Пример 38 Возможными целыми корнями многочлена
могут быть числа
. Методом подбора можно установить, что
и, следовательно, 1 ‑ корень многочлена.

Пример 39 Разложить на множители многочлен.

Решение. Согласно утверждению 2 возможными целыми корнями многочлена могут быть только делители числа ‑5. Это числа
. Найдем значение многочлена в точкеx = ‑ 1:

Следовательно, корнем многочлена
являетсяx = ‑1. Разделим многочлен
на (x + 1). По теореме Безу,
должен делиться на (x + 1) нацело, то есть, остаток от деления должен равняться нулю. Для деления воспользуемся схемой Горнера.

Число, получившееся в последнем столбце, позволяет проверить правильность вычислений. Если получен нуль, значит, все вычисления верны. Если число в последнем столбце отлично от нуля, значит, или корень найден неверно, или вычисления по схеме Горнера проведены неправильно.

Итак: . Поскольку получившийся в результате деления многочлен
не является неприводимым, то процесс разложения на множители необходимо продолжить. Для многочлена
возможными корнями будут числа
. Находим:. Следовательно, 1 ‑ корень многочлена
. Разделим его на (x ‑ 1) по схеме Горнера.

В последнем столбце получился нуль. Значит, вычисления верны.

Имеем: . Проверим, является ли многочлен
неприводимым. Найдем его корни по стандартной формуле:

. Так как дискриминант данного квадратного трехчлена отрицателен, он является неприводимым на множестве действительных чисел.

K - это элемент c ∈ K {\displaystyle c\in K} (либо элемент расширения поля K), такой, что выполняются два следующих равносильных условия: a 0 + a 1 x + ⋯ + a n x n = 0 {\displaystyle a_{0}+a_{1}x+\dots +a_{n}x^{n}=0}

Равносильность двух формулировок следует из теоремы Безу . В различных источниках любая одна из двух формулировок выбирается в качестве определения, а другая выводится в качестве теоремы.

Говорят, что корень c {\displaystyle c} имеет кратность m {\displaystyle m} , если рассматриваемый многочлен делится на (x − c) m {\displaystyle (x-c)^{m}} и не делится на (x − c) m + 1 . {\displaystyle (x-c)^{m+1}.} Например, многочлен x 2 − 2 x + 1 {\displaystyle x^{2}-2x+1} имеет единственный корень, равный 1 , {\displaystyle 1,} кратности 2. Выражение «кратный корень» означает, что кратность корня больше единицы.

Свойства

P (x) = a n (x − c 1) (x − c 2) … (x − c n) , {\displaystyle p(x)=a_{n}(x-c_{1})(x-c_{2})\ldots (x-c_{n}),} где - (в общем случае комплексные) корни многочлена , возможно с повторениями, при этом если среди корней c 1 , c 2 , … , c n {\displaystyle c_{1},c_{2},\ldots ,c_{n}} многочлена p (x) {\displaystyle p(x)} встречаются равные, то общее их значение называется кратным корнем .

Нахождение корней

Способ нахождения корней линейных и квадратичных многочленов, то есть способ решения линейных и квадратных уравнений, был известен ещё в древнем мире. Поиски формулы для точного решения общего уравнения третьей степени продолжались долгое время (следует упомянуть метод, предложенный Омаром Хайямом), пока не увенчались успехом в первой половине XVI века в трудах Сципиона дель Ферро , Никколо Тарталья и Джероламо Кардано . Формулы для корней квадратных и кубических уравнений позволили сравнительно легко получить формулы для корней уравнения четвертой степени .

То, что корни общего уравнения пятой степени и выше не выражаются при помощи рациональных функций и радикалов от коэффициентов, было доказано норвежским математиком