1 ЛЕКЦИЯ 10 Тема 7. Теория сравнений (3 лекции 8, 9 и 10) Содержание лекции 10: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Общие сведения о многочленах. Деление многочленов. Делители многочленов. НОД и НОК двух многочленов. Алгоритм Евклида для многочленов. Корни многочленов. Теорема Безу. Формулы Виета. Применение отношений сравнимости для многочленов. 1. Общие сведения о многочленах Эвристические соображения. По́ле в общей алгебре – множество, для элементов которого определены операции сложения, взятия противоположного значения, умножения и деления (кроме деления на ноль), причём свойства этих операций близки к свойствам обычных числовых операций. Простейшим полем является поле рациональных чисел (дробей). Хотя названия операций поля взяты из арифметики, следует иметь в виду, что элементы поля не обязательно являются числами, и определения операций могут быть далеки от арифметических. Поле – основной предмет изучения теории полей. Рациональные, вещественные, комплексные числа, вычеты по модулю заданного простого числа образуют поля. Пусть 𝑃 – поле. Тогда многочленом (полиномом) от одной переменной 𝑥с коэффициентами из 𝑃 называется выражение вида 𝑎(𝑥) = 𝑎0 + 𝑎1 𝑥 + ⋯ + 𝑎𝑛 𝑥 𝑛 , 𝑎𝑖 ∈ 𝑃. Здесь под 𝑥 понимается некоторый символ, который может принимать любые значения из 𝑃. Многочлен можно понимать как: 1) формальное выражение; 2) как функцию 𝑥, если 𝑥 ∈ 𝑃. Ключевой вопрос: что значит, что два многочлена равны? Если следовать первому пункту, то 𝑎0 + 𝑎1 𝑥 + ⋯ + 𝑎𝑛 𝑥 𝑛 = 𝑏0 + 𝑏1 𝑥 + ⋯ 𝑏𝑛 𝑥 𝑛 равносильно выполнению равенств 𝑎0 = 𝑏0 , 𝑎1 = 𝑏1 , … , 𝑎𝑛 = 𝑏𝑛 . Если второму, то ∀ 𝑥 ∈ 𝑃 должно выполняться равенство 𝑎(𝑥) = 𝑏(𝑥). Легко видеть, что если многочлены равны как формальные выражения, то они равны как функции. Обратно неверно. Пример. Если 𝑃 = {0,1} (х=0 или х=1), то многочлены 𝑎(𝑥) = 𝑥 и 𝑏(𝑥) = 𝑥 2 совпадают как функции, но различны как формальные выражения. В дальнейшем будем рассматривать многочлены как формальные выражения. Более того, для удобства формальной записи алгебраических Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 2 операций многочлены желательно рассматривать как сумму бесконечного числа слагаемых вида 𝑎𝑖 𝑥 𝑖 с конечным числом отличных от нуля слагаемых: 1 + 𝑥 2 = 1 + 0 ⋅ 𝑥 + 1 ⋅ 𝑥 2 + 0 ⋅ 𝑥 3 + … . Тогда формулы для суммы и произведения многочленов примут вид: ∑𝜅≥0 𝑎𝑘 𝑥 𝑘 + ∑𝑘≥0 𝑏𝑘 𝑥 𝑘 = ∑𝑘≥0(𝑎𝑘 + 𝑏𝑘 )𝑥 𝑘 ; ∑𝑖≥0 𝑎𝑖 𝑥 𝑖 ⋅ ∑𝑗≥0 𝑏𝑗 𝑥 𝑗 = ∑𝑖≥0 ∑𝑗≥0 𝑎𝑖 𝑥 𝑖 𝑏𝑗 𝑥 𝑗 = ∑𝑖≥0 ⥂ ∑𝑗≥0 𝑎𝑖 𝑏𝑗 𝑥 𝑖+𝑗 = ∑𝑘≥0 𝑐𝑘 𝑥 𝑘 , где 𝑐𝑘 = 𝑎0 𝑏𝑘 + 𝑎1 𝑏𝑘−1 + … + 𝑎𝑘 𝑏0 ≡ ∑𝑖+𝑗=𝑘 𝑎𝑖 𝑏𝑗 . Точные определения. Пусть 𝑃 – поле. Определение. Многочленом одной переменной с коэффициентами из 𝑃 называется бесконечная последовательность (𝑎0 , 𝑎1 , 𝑎2 , … ) ∈ 𝑃∞ , в которой лишь конечное число элементов не равно нулю. Множество многочленов с коэффициентами из поля 𝑃 обознается 𝑃[𝑥]. Введем операции сложения и умножения многочленов. Пусть 𝑓(𝑥), 𝑔(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥], 𝑓 = (𝑎0 , 𝑎1 , 𝑎2 … ), 𝑔 = (𝑏0 , 𝑏1 , 𝑏2 … ). Тогда 𝑓 + 𝑔 ≝ (𝑎0 + 𝑏0 , 𝑎1 + 𝑏1 , … ), 𝑓𝑔 ≝ (𝑐0 , 𝑐1 , … ), где 𝑐𝑛 = ∑𝑘+𝑙=𝑛 𝑎𝑘 𝑏𝑙 . Очевидно, что 𝑓 + 𝑔 и 𝑓 ⋅ 𝑔 имеют лишь конечное число ненулевых членов, т.е. являются многочленами. При этом, если 𝑓 имеет 𝑟 членов, а 𝑔 − 𝑠 ненулевых членов, то 𝑓 + 𝑔 – не более чем 𝑟 + 𝑠, а 𝑓 ⋅ 𝑔 – не более чем 𝑟 ⋅ 𝑠 ненулевых членов. 2. Деление многочленов. Теорема 1. Пусть 𝑓, 𝑔 ∈ 𝑃[𝑥], 𝑔 ≠ 0. Тогда ∃! 𝑞, 𝑟 ∈ 𝑃[𝑥]: 𝑓 = 𝑞 ⋅ 𝑔 + 𝑟 и 𝑑𝑒𝑔 𝑟 < 𝑑𝑒𝑔 𝑔. Доказательство. Пусть 𝑑𝑒𝑔 𝑓 = 𝑛, 𝑑𝑒𝑔 𝑔 = 𝑚. Если 𝑛 < 𝑚, то можно положить 𝑞(𝑥) = 0, 𝑟(𝑥) = 𝑓(𝑥). Если 𝑛 ≥ 𝑚, то будем использовать тот же метод деления, что и для чисел. Пусть 𝑓(𝑥) = 𝑎𝑛 𝑥 𝑛 + ⋯ + 𝑎0 , 𝑔(𝑥) = 𝑏𝑚 𝑥 𝑚 + ⋯ + 𝑏0 , 𝑎𝑛 ≠ 0 и 𝑏𝑚 ≠ 0. 𝑎 Положим 𝑓1 (𝑥) = 𝑓(𝑥) − 𝑛 𝑥 𝑛−𝑚 𝑔(𝑥). Тогда 𝑑𝑒𝑔 𝑓1 < 𝑛. 𝑏𝑚 Пусть 𝑑𝑒𝑔 𝑓1 = 𝑛1 и 𝑓1 (𝑥) = 𝑎𝑛1 𝑥 𝑛1 + ⋯ + 𝑎01 . Если 𝑛1 < 𝑚, то остановим процесс вычисления; если 𝑛1 ≥ 𝑚, то 𝑎𝑛 положим 𝑓2 (𝑥) = 𝑓1 (𝑥) − 1 𝑥 𝑛1−𝑚 𝑔(𝑥). 𝑏𝑚 Пусть 𝑛2 = 𝑑𝑒𝑔 𝑓2 , 𝑎𝑛2 – старший коэффициент 𝑓2 , и т.д. … Так как степени многочленов 𝑓1 , 𝑓2 , … убывают, то получим 𝑎𝑛 𝑓𝑘 : 𝑓𝑘 (𝑥) = 𝑓𝑘−1 (𝑥) − 𝑘−1 𝑥 𝑛𝑘−1−𝑚 𝑔(𝑥) и 𝑛𝑘 < 𝑚. 𝑏𝑚 Процесс останавливается. Суммируя полученные ранее выражения, получаем: 32 𝑎𝑛 𝑎𝑛 𝑎 𝑓(𝑥) − ( 𝑛 𝑥 𝑛−𝑚 + 1 𝑥 𝑛1−𝑚 + ⋯ + 𝑘−1 𝑥 𝑛𝑘−1−𝑚 ) 𝑔(𝑥) = 𝑓𝑘 (𝑥). 𝑏𝑚 Тогда 𝑞(𝑥) = 𝑎𝑛 𝑏𝑚 𝑏𝑚 𝑥 𝑛−𝑚 + 𝑎𝑛1 𝑏𝑚 𝑏𝑚 𝑎𝑛𝑘−1 𝑥 𝑛1−𝑚 + ⋯ + т.е. получено требуемое представление (1). Вовк Леонид Петрович 𝑏𝑚 𝑥 𝑛𝑘−1−𝑚 , 𝑟(𝑥) = 𝑓𝑘 (𝑥), АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 3 Определение. Если 𝑓 = 𝑔𝑞 + 𝑟 и 𝑑𝑒𝑔 𝑟 < 𝑑𝑒𝑔 𝑔, то 𝑟 называется остатком при делении 𝑓(𝑥) на 𝑔(𝑥). Пример. 𝑥 3 + 𝑥 + 1 = (𝑥 ⏟ − 1) (𝑥 ⏟ 2 + 𝑥 + 2) + 3. 𝑔(𝑥) 𝑞(𝑥) Замечание. Из указанного в теореме 1 алгоритма деления с остатком следует, что если 𝑓(𝑥) и 𝑔(𝑥) – многочлены с действительными коэффициентами, то коэффициенты всех многочленов 𝑓1 (𝑥), 𝑓2 (𝑥), …, а значит и коэффициенты 𝑞(𝑥) и 𝑟(𝑥) – действительные. Для целых коэффициентов это утверждение, очевидно, неверно. 3. Делители многочленов. НОД и НОК двух многочленов. Определение. Пусть 𝑓(𝑥), 𝑔(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥]. Если ∃ ℎ(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥]: 𝑓(𝑥) = 𝑔(𝑥) ⋅ ℎ(𝑥), то говорят, что 𝑓(𝑥) делится на 𝑔(𝑥) или 𝑔(𝑥) делит 𝑓(𝑥), и пишут 𝑔(𝑥)|𝑓(𝑥). Если 𝑔(𝑥) ≠ 0 , то 𝑔(𝑥)|𝑓(𝑥) означает, что остаток от деления равен 0. В этом случае многочлен 𝑔(𝑥) называется делителем многочлена 𝑓(𝑥). Свойства (делимости многочленов). Пусть 𝑓(𝑥), 𝑔(𝑥), 𝜙(𝑥), 𝜓(𝑥), ℎ(𝑥), 𝑓1 (𝑥), … , 𝑓𝑘 (𝑥) ∈ 𝑃[𝑥]. Тогда справедливы свойства: 1) Если 𝑔(𝑥)|𝑓(𝑥), 𝑓(𝑥) ≠ 0 ⇒ 𝑑𝑒𝑔 𝑔 (𝑥) ≤ 𝑑𝑒𝑔 𝑓 (𝑥). Доказательство следует из равенства 𝑑𝑒𝑔( 𝑓 ⋅ 𝑔) = 𝑑𝑒𝑔 𝑓 + 𝑑𝑒𝑔 𝑔. 2) ℎ(𝑥)|𝑔(𝑥), 𝑔(𝑥)|𝑓(𝑥) ⇒ ℎ(𝑥)|𝑓(𝑥). Доказательство. Так как ℎ(𝑥)|𝑔(𝑥) ⇒ ∃𝜙(𝑥): 𝑔(𝑥) = 𝜙(𝑥) ⋅ ℎ(𝑥); так как 𝑔(𝑥)|𝑓(𝑥) ⇒ ∃ 𝜓(𝑥): 𝑓(𝑥) = 𝑔(𝑥) ⋅ 𝜓(𝑥). Тогда имеем 𝑓(𝑥) = 𝜙(𝑥) ⋅ 𝜓(𝑥) ⋅ ℎ(𝑥) ⇒ ℎ(𝑥)|𝑓(𝑥) . 3) ℎ(𝑥)|𝑔(𝑥), ℎ(𝑥)|𝑓(𝑥) ⇒ ℎ(𝑥)|[𝑓(𝑥) ± 𝑔(𝑥)]. 4) ℎ(𝑥)|𝑓(𝑥) ⇒ ∀𝑔(𝑥) выполняется ℎ(𝑥)|[𝑓(𝑥) ⋅ 𝑔(𝑥)]. Доказательство. ℎ(𝑥)|𝑓(𝑥) ⇒ ∃ 𝜙(𝑥): 𝑓(𝑥) = 𝜙(𝑥) ⋅ ℎ(𝑥). Тогда 𝑓 ⋅ 𝑔 = 𝜙 ⋅ ℎ ⋅ 𝑔; следовательно, ℎ(𝑥)|𝑓(𝑥) ⋅ 𝑔(𝑥). 5) Если ℎ(𝑥)|𝑓1 (𝑥), … , ℎ(𝑥)|𝑓𝑘 (𝑥) ⇒ ∀𝜙𝑖 (𝑥) ∈ 𝑃[𝑥], 𝑖 = 1, … , 𝑘, то справедливо ℎ(𝑥)|(𝑓1 (𝑥) ⋅ 𝜙1 (𝑥) + ⋯ + 𝑓𝑘 (𝑥) ⋅ 𝜙𝑘 (𝑥)). 6) ∀𝑐 ∈ 𝑃: 𝑐 ≠ 0, 𝑐|𝑓(𝑥). 𝑎 𝑎 Доказательство следует из равенства 𝑓(𝑥) = 𝑐 ⋅ ( 𝑛 𝑥 𝑛 + ⋯ + 0). 𝑐 𝑐 7) ℎ(𝑥)|𝑓(𝑥) ⇒ ∀𝑐 ∈ 𝑃: 𝑐 ≠ 0 имеем (𝑐 ⋅ ℎ(𝑥))|𝑓(𝑥). 8) 𝑓(𝑥)|0. Действительно, 0 = 𝑓(𝑥) ⋅ 0. 9) 𝑔(𝑥)|𝑓(𝑥) ∧ 𝑑𝑒𝑔 𝑔 (𝑥) = 𝑑𝑒𝑔 𝑓 (𝑥) ⇔ ↔ ∃ 𝑐 ∈ 𝑃, 𝑐 ≠ 0: 𝑓(𝑥) = 𝑔(𝑥) ⋅ 𝑐. 10) 𝑔|𝑓 ∧ 𝑓|𝑔 ⇔ ∃ 𝑐 ∈ 𝑃, 𝑐 ≠ 0: 𝑓 = 𝑐 ⋅ 𝑔. 11) Если 𝑔|𝑓, то ∀𝑐 ≠ 0 имеем 𝑔|(𝑐 ⋅ 𝑓). Определение. Многочлен 𝑢(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥] называется общим делителем 𝑓(𝑥) и 𝑔(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥], если 𝑢(𝑥)|𝑓(𝑥) и 𝑢(𝑥)|𝑔(𝑥). Наибольшим общим Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 4 делителем (НОД) двух многочленов 𝑓(𝑥) и 𝑔(𝑥) называется их делитель 𝑑(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥], который делится на любой другой их общий делитель. Замечание. Ненулевая постоянная является общим делителем любых двух многочленов. Теорема 2. Если НОД двух многочленов 𝑓(𝑥) и 𝑔(𝑥) существует, то он определен с точностью до множителя 𝛼 ∈ 𝑃, 𝛼 ≠ 0. Доказательство. Пусть 𝑑1 (𝑥) и 𝑑2 (𝑥) – два НОД для 𝑓 и 𝑔 ⇒ 𝑑1 |𝑑2 и 𝑑2 |𝑑1 ⇒ (по свойству 10) ⇒ 𝑑2 (𝑥) = 𝛼𝑑1 (𝑥), для 𝛼 ≠ 0 и 𝛼 ∈ 𝑃. Пусть 𝛽 ≠ 0, 𝛽 ∈ 𝑃. Если 𝑑1 (𝑥) – общий делитель для 𝑓(𝑥) и 𝑔(𝑥), то 𝛽𝑑1 (𝑥) – тоже общий делитель. Если 𝑑1 – НОД, т.е. любой другой делитель делит 𝑑1 , то 𝛽𝑑1 − тоже НОД.■ Теорема 3. Если 𝑓(𝑥) = 𝑔(𝑥)𝑞(𝑥) + 𝑟(𝑥), 𝑑𝑒𝑔 𝑟 < 𝑑𝑒𝑔 𝑔, то пары многочленов 𝑓, 𝑔 и 𝑔, 𝑟 имеют одинаковые общие делители. Доказательство. Пусть 𝑢(𝑥) – общий делитель 𝑓 и 𝑔 ⇒ (из 𝑟(𝑥) = 𝑓 − 𝑔 ⋅ 𝑞) ⇒ (по свойству 5) ⇒ 𝑢(𝑥)|𝑟(𝑥). Аналогично, из делимости 𝑔 и 𝑟 на 𝑢(𝑥) ⇒ 𝑓 и 𝑔 делятся на 𝑢(𝑥).■ Теорема 4. Если 𝑔|𝑓, то 𝑔 – НОД для 𝑓 и 𝑔, т.е. 𝑔 = НОД(𝑓(𝑥), 𝑔(𝑥)). Доказательство следует из того, что 𝑔(𝑥) – делитель 𝑓 и 𝑔 и любой делитель 𝑓 и 𝑔 делит 𝑔. Теорема 5. Для ∀𝑓(𝑥), 𝑔(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥] ∃ НОД(𝑓(𝑥), 𝑔(𝑥))∈ 𝑃. Пример. Разделить с остатком многочлен 𝑓(𝑥) = 𝑥 4 − 2𝑥 3 + 𝑥 − 1 многочлен 𝑔(𝑥) = 𝑥 2 − 2. Решение. Делим в столбик многочлен 𝑓(𝑥) на 𝑔(𝑥). Имеем: (−3𝑥 + 3) 𝑓(𝑥) = (𝑥 2 − 2𝑥 + 2) + ; 𝑔(𝑥) 𝑔(𝑥) 𝑓(𝑥) = (𝑥 2 − 2𝑥 + 2) ∙ 𝑔(𝑥) + (−3𝑥 + 3). Таким образом, 𝑞(𝑥) = (𝑥 2 − 2𝑥 + 2), 𝑟(𝑥) = −3𝑥 + 3. Пример. Найти НОД двух многочленов 𝑝(𝑥) = 𝑥 3 − 4𝑥 2 − 5𝑥 и 𝑞(𝑥) = 2𝑥 4 − 𝑥 3 − 3𝑥 2 . Решение. Разложив данные многочлены на сомножители, получим 𝑝(𝑥) = 𝑥(𝑥 + 1)(𝑥 − 5); 𝑞(𝑥) = 𝑥 2 (𝑥 + 1)(2𝑥 − 3). Из этого разложения видно, что одним из наибольших общих делителей многочленов 𝑝(𝑥) и 𝑞(𝑥) служит многочлен 𝐷(𝑥) = 𝑥(𝑥 + 1), так как он является общим делителем данных многочленов, имеющим наибольшую степень. Определение. Наименьшим общим кратным двух многочленов p(x) и q(x) называется многочлен L(x) наименьшей степени, делящийся на каждый из многочленов p(x) и q(x). При этом используется обозначение L(x)=[p(x);q(x)]. Пример. Найти НОК многочленов 𝑝(𝑥) = 𝑥 4 − 2𝑥 3 + 𝑥 и 𝑞(𝑥) = (𝑥 2 − 3𝑥 + 2)(𝑥 2 − 𝑥 − 2). Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 5 Решение. Разложим данные многочлены на сомножители: 𝑝(𝑥) = 𝑥 2 (𝑥 − 1)2 , 𝑞(𝑥) = (𝑥 − 1)(𝑥 − 2)(𝑥 + 1)(𝑥 − 2) = (𝑥 − 1)(𝑥 + 1)(𝑥 − 2)2 . Возьмём любое из найденных разложений, например, 𝑝(𝑥) = 𝑥 2 (𝑥 − 1)2 . Умножим его на те множители многочлена q(х), которых в разложении для р(х) не содержится. Такими сомножителями в данном случае являются (х+1) и (х–2)2. В результате получим НОК данных многочленов: НОК[𝑝(𝑥); 𝑞(𝑥)] = 𝑥 2 (𝑥 − 1)2 (𝑥 + 1)(𝑥 − 2)2 . Ответ. 𝑥 2 (𝑥 − 1)2 (𝑥 + 1)(𝑥 − 2)2 . Если разложение на множители получить не удаётся, то для нахждения НОК используют формулу 𝑝(𝑥)𝑞(𝑥) НОК[𝑝(𝑥); 𝑞(𝑥)] = , 𝐷(𝑥) где D(x) – НОД(p(x);q(x)). Если многочлены разложить на множители не удаётся, то их НОД можно найти с помощью алгоритма Евклида для многочленов. 4. Алгоритм Евклида для многочленов. Пусть 𝑟1 (𝑥) ≠ 0. Тогда делим 𝑔(𝑥) на 𝑟1 (𝑥). Если остаток 𝑟2 (𝑥) = 0, то доказательство завершаем, если 𝑟2 (𝑥) ≠ 0, то делим 𝑟1 на 𝑟2 и т.д. Так как степени остатков все время уменьшаются, то процесс конечен. Таким образом, имеем следующую последовательность равенств: 𝑓(𝑥) = 𝑔(𝑥)𝑞1 (𝑥) + 𝑟1 , 𝑟1 ≠ 0 𝑔(𝑥) = 𝑟1 (𝑥)𝑞2 (𝑥) + 𝑟2 , 𝑟2 ≠ 0 𝑟1 (𝑥) = 𝑟2 (𝑥)𝑞3 (𝑥) + 𝑟3 , 𝑟3 ≠ 0 ( ……………………………… 𝑟𝑘−3 (𝑥) = 𝑟𝑘−2 (𝑥)𝑞𝑘−1 (𝑥) + 𝑟𝑘−1 , 𝑟𝑘−1 ≠ 0 𝑟𝑘−2 (𝑥) = 𝑟𝑘−1 (𝑥)𝑞𝑘 (𝑥) + 𝑟𝑘 , 𝑟𝑘 ≠ 0 𝑟𝑘−1 (𝑥) = 𝑟𝑘 (𝑥)𝑞𝑘+1 (𝑥) Здесь 𝑑𝑒𝑔 𝑔 > 𝑑𝑒𝑔 𝑟1 > ⋯ > 𝑑𝑒𝑔 𝑟𝑘 > −∞. Из предыдущих утверждений ⇒что пары многочленов 𝑓, 𝑔; 𝑔, 𝑟1 ; 𝑟1 , 𝑟2 ; … ; 𝑟𝑘−2 , 𝑟𝑘−1 ; 𝑟𝑘−1 , 𝑟𝑘 ; 𝑟𝑘 , 0 имеют общие делители ⇒делители 𝑓 и 𝑔 совпадают с делителями многочлена 𝑟𝑘 ⇒ 𝑟𝑘 – делитель 𝑓 и 𝑔. Если 𝑢(𝑥) – любой другой делитель 𝑓 и 𝑔 ⇒он делитель и 𝑟𝑘 (𝑥) ⇒ 𝑟𝑘 (𝑥) – НОД.■ Замечание 1. Алгоритм построения НОД, использованный в теореме 3, называется алгоритмом Евклида или алгоритмом последовательного деления. Замечание 2. Если 𝑓(𝑥) = 0, 𝑔(𝑥) = 0 ⇒ НОД(𝑓, 𝑔) = 0. Замечание 3. Так как НОД определен с точностью до множителя, то будем считать, что коэффициенты при старшей степени равны 1. Пример. Найти НОД многочленов Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 6 𝑓(𝑥) = 𝑥 4 + 3𝑥 3 − 𝑥 2 − 4𝑥 − 3, 𝑔(𝑥) = 3𝑥 3 + 10𝑥 2 + 2𝑥 − 3. Решение. Делим 𝑓(𝑥) на 𝑔(𝑥): x4+ 3x3– x2– 4x– 3 │3x3+10x2+2x–3 x4+10x3/3+ 2x2/3– x │ x/3–(1/9) 3 2 –x /3– 5x /3– 3x– 3 –x3/3– 10x2/9–2x/9+ 1/3 –5x2/9–25x/9–10/3 f(x)=g(x)⸱q1(x)+r1(x), где q1(x)=x/3–(1/9), r1(x)=–5x2/9–25x/9–10/3 Так как НОД определен с точностью до множителя, то в качестве r1(x) можно взять полином с целыми коэффициентами: r1(x)=(–5x2/9–25x/9–10/3)⸱(–9/5)=x2+5x+6. В соответствии с алгоритмом Евклида, делим g(x) на r1(x): 3x3+10x2+ 2x –3 │x2+5x+6 3x3+15x2+18x │3x–5 2 –5x – 16x –3 –5x2– 25x –30 9x+27 g(x)=r1(x)⸱q2(x)+r2(x), где q2(x)=3x–5, r2(x)=(9x+27)/9=x+3. В дальнейшем делении нет необходимости, поскольку r1(x) нацело делится на r2(x), что следует из разложения квадратного трехчлена на сомножители: x2+5x+6=(x+3)⸱(x+2)=r2(x)q3(x)+0/ Здесь q3(x)=x+2, r3(x)=0. НОД(f,g)=x+3. Ответ. x+3. Пример(самостоятельная работа). Показать, что если 𝑓(𝑥) = 𝑥 4 + 𝑥 3 − 3𝑥 2 − 4𝑥 − 1, 𝑔(𝑥) = 𝑥 4 + 𝑥 3 − 𝑥 − 1, то НОД(𝑓, 𝑔) = 𝑥 + 1. Замечание 4. При вычислении НОД результаты вычисления можно умножать и делить на элементы из 𝑃, что влияет лишь на множители. Теорема 6. (теорема о разложении НОД). Пусть 𝑓 и 𝑔 ∈ 𝑃[𝑥], 𝑑(𝑥) = НОД(𝑓, 𝑔). Тогда ∃ 𝑢, 𝑣 ∈ 𝑃[𝑥]: ( 𝑑(𝑥) = 𝑓 ⋅ 𝑢 + 𝑔 ⋅ 𝑣. При этом, если 𝑑𝑒𝑔 𝑓 > 0, 𝑑𝑒𝑔 𝑔 > 0, то 𝑢 и 𝑣 можно подобрать так, что 𝑑𝑒𝑔 𝑣 < 𝑑𝑒𝑔 𝑓 и 𝑑𝑒𝑔 𝑢 < 𝑑𝑒𝑔 𝑔. Определение. Многочлены 𝑓, 𝑔 ∈ 𝑃[𝑥] называют взаимно простыми, если их общими делителями являются только многочлены нулевой степени (если их НОД равен 1). Это значит, что если для нахождения НОД двух многочленов p(x) и q(x) был использован алгоритм Евклида и последний ненулевой остаток, полученный в результате применения алгоритма, равен числу (многочлену Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 7 нулевой степени), отличному от нуля, то многочлены p(x) и q(x) взаимно просты. Если многочлены p(x) и q(x) разложены на множители, то убедиться во взаимной простоте многочленов очень просто, а именно: в случае, когда в разложенных многочленах p(x) и q(x) нет совпадающих множителей, многочлены p(x) и q(x) взаимно просты. Примеры взаимно простых многочленов: 1) любая пара многочленов нулевой степени, например, p(x)=11 и q(x)=0,2; 2) х и 2х–1; 3) 5х-1и x2+4x+5; 4) (x–4)(x2+2x+10) и (x+1)(x2–2x+2). Понятие НОД(p(x);q(x)) используется при сокращении дробей. Сократить дробь – это значит разделить её числитель и знаменатель на их НОД. 𝑥 2 +4𝑥−5 Пример. Сократите дробь 3 . 5𝑥 +6𝑥−11 Решение. Найдем НОД(𝑥 2 + 4𝑥 − 5; 5𝑥 3 + 6𝑥 − 11), воспользовавшись алгоритмом Евклида. Имеем (делим многочлены уголком): 5𝑥 3 + 6𝑥 + 11 111𝑥 − 111 = 5𝑥 − 20 + , 𝑥 2 + 4𝑥 − 5 𝑥 2 + 4𝑥 − 5 5𝑥 3 + 6𝑥 + 11 = (5𝑥 − 20)( 𝑥 2 + 4𝑥 − 5) + (111𝑥 − 111). Получили первый остаток 111𝑥 − 111. Разделим его на 111 и продолжим алгоритм. 𝑥 2 + 4𝑥 − 5 = (𝑥 + 5) + 0 → 𝑥 2 + 4𝑥 − 5 = (𝑥 − 1)(𝑥 + 5) + 0. 𝑥−1 Получен остаток, равный нулю. Деление завершено. Следовательно, НОД(𝑥 2 + 4𝑥 − 5; 5𝑥 3 + 6𝑥 − 11) = 𝑥 − 1. Разделим числитель и знаменатель на х–1 или уголком или схемой Горнера или группировкой. Имеем: 5𝑥 3 + 6𝑥 − 11 = (𝑥 − 1)(5𝑥 2 + 5𝑥 + 11), 𝑥 2 + 4𝑥 − 5 = (𝑥 − 1)(𝑥 + 5). Теперь получаем 𝑥 2 + 4𝑥 − 5 (𝑥 − 1)(𝑥 + 5). 𝑥+5 = = . 5𝑥 3 + 6𝑥 − 11 (𝑥 − 1)(5𝑥 2 + 5𝑥 + 11) 5𝑥 2 + 5𝑥 + 11 𝑥+5 Ответ. 2 . 5𝑥 +5𝑥+11 5. Корни многочленов. Теорема Безу. Определение. Число 𝑐 ∈ 𝑃 называется корнем многочлена 𝑓(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥], если 𝑓(𝑐) = 0. Теорема 7 (теорема Безу). Пусть 𝑓(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥]. Тогда 𝑓(𝑐) = 0 ⇔ (𝑥 − 𝑐)|𝑓(𝑥). Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 8 Доказательство. Разделим 𝑓(𝑥) на (𝑥 − 𝑐): 𝑓 = 𝑞(𝑥) ⋅ (𝑥 − 𝑐) + 𝑟, где 𝑑𝑒𝑔 𝑟 < 1 ⇒ 𝑟 =const. Тогда 𝑓(𝑐) = 𝑞(𝑐)(𝑐 − 𝑐) + 𝑟 ⇒ 𝑓(𝑐) = 0 ⇔ 𝑟 = 0 ⇔ (𝑥 − 𝑐)|𝑓. ■ Перефразировка. Остаток от деления 𝑓(𝑥) на (𝑥 − 𝑐) равен 𝑓(𝑐). Следствие 1. Если число с является корнем многочлена 𝑓(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥], то этот многочлен делится на (x–с) без остатка. Следствие 2. Если многочлен 𝑓(𝑥) имеет попарно различные корни α1, α2,…,αп, то он делится на произведение двучленов (x-α1) … (x-αп) без остатка. Следствие 3. Многочлен степени n имеет не более n различных корней . Следствие 4. Для любого многочлена 𝑓(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥] и числа α разность 𝑓(𝑥) − 𝑓(𝛼) делится без остатка на двучлен (x-α). Следствие 5. Многочлен, не имеющий действительных корней, в разложении на множители линейных множителей не содержит. Следствие 6. Если коэффициенты приведенного целого алгебраического уравнения 𝑥 𝑛 + 𝑎1 𝑥 𝑛−1 + 𝑎2 𝑥 𝑛−2 +⋅⋅⋅ +𝑎𝑛−1 𝑥 + 𝑎𝑛 = 0 являются целыми числами, то целые корни следует искать среди делителей свободного члена 𝑎𝑛 . Следствие 7. Число корней нулевого многочлена не превосходит его степени. Многочлен 𝑓(𝑥) можно разделить на (𝑥 − 𝑐) с остатком либо делением в столбик, либо используя так называемую схему Горнера. Определение. Наибольшее 𝑘 ∈ 𝑁: (𝑥 − 𝑐)𝑘 |𝑓, называется кратностью корня 𝑐 многочлена 𝑓(𝑥). Такой корень 𝑐 называется 𝑘 -кратным корнем 𝑓(𝑥). Если 𝑘 = 1, то корень называется простым. Замечание. Если 𝑐 – корень кратности 𝑘 для многочлена 𝑓(𝑥), то ̶̸ 𝑓(𝑥) = (𝑥 − 𝑐)𝑘 𝑔(𝑥) и 𝑔(𝑐) ≠ 0, т.е. (𝑥 − 𝑐)|𝑔(𝑥). Наоборот, если 𝑓(𝑥) = 𝑘 (𝑥 − 𝑐) 𝑔(𝑥), и 𝑔(𝑐) ≠ 0, то 𝑐 – корень кратности 𝑘 многочлена 𝑓(𝑥). Теорема 8. Если число 𝑐 ∈ 𝑃 является 𝑘-кратным корнем многочлена𝑓(𝑥) ∈ 𝑃[𝑥], то при 𝑘>1 число 𝑐 будет (𝑘–1)-кратным корнем производной 𝑓 ′ (𝑥). Если 𝑘 =1, то 𝑐 не является корнем 𝑓 ′ (𝑥). Теорема 8 (основная теорема алгебры (ОТА)). Всякий многочлен 𝑓(𝑥) ∈ 𝐶[𝑥], 𝑑𝑒𝑔 𝑓 (𝑥) ≥ 1, имеет хотя бы один комплексный корень. Следствие. ∀𝑓(𝑥) ∈ 𝐶[𝑥], 𝑑𝑒𝑔 𝑓 (𝑥) > 0, ∃ числа 𝑎𝑛 , 𝛼1 , . . . 𝛼𝑛 ∈ 𝐶: справедливо разложение 𝑓(𝑥) = 𝑎𝑛 (𝑥 − 𝛼1 ). . . (𝑥 − 𝛼𝑛 ), где 𝑎𝑛 − старший коэффициент, 𝛼1 , . . . , 𝛼𝑛 − корни многочлена 𝑓(𝑥). Объединяя одинаковые множители, разложение для 𝑓(𝑥) перепишем в виде: 𝑓(𝑥) = 𝑎𝑛 (𝑥 − 𝛼1 )𝑘1 . . . (𝑥 − 𝛼𝑛 )𝑘𝑟 , где 𝑘1 +. . . +𝑘𝑟 = 𝑛, 𝛼1 , . . . , 𝛼𝑟 − попарно различные корни. Пример. Найдите остаток от деления многочлена x3−5 на многочлен x−5. Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 9 Решение. По теореме Безу остаток от деления многочлена P(x) на x−x0 равен P(x0), следовательно, остаток от деления многочлена x3−5 на x−5 равен 53−5=120. Ответ. 120. Пример. Найдите остаток от деления многочлена x216+x36+x6−6 на многочлен x+1. Решение. По теореме Безу остаток от деления многочлена P(x) на x−x0 равен P(x0), следовательно, остаток от деления многочлена x216+x36+x6−6 на x+1 равен (–1)216+(–1)36+(–1)6–6=1+1+1–6=–3. Ответ. –3. Пример. Известно, что P(x) – многочлен. а) Верно ли, что при любом a∈R многочлен P(x)−P(a) делится без остатка на (x−a)? б) Может ли быть так, что при любом a∈R многочлен P(x)−P(a) делится без остатка на (x+a)? Решение. а) Зафиксируем произвольное a∈R. По теореме Безу остаток от деления многочлена P(x) на x−a равен P(a), следовательно, существует многочлен Q(x) такой, что P(x)=(x−a)Q(x)+P(a)⇔P(x)−P(a)=(x−a)Q(x) – делится на (x−a). б) Достаточно рассмотреть P(x)=x2, тогда P(x)−P(a)=x2−a2=(x−a)(x+a) – делится на (x+a). Ответ. а) Да б) Да. Пример. Многочлен Р(х) даёт остаток 2 при делении на х–1 и остаток 1 при делении на х–2. Какой остаток даёт Р(х) при делении на многочлен (х–1)(х–2)? Решение. Запишем остаток r(x) от деления Р(х) на (х–1)(х–2) в виде r(x)=ах+b. По теореме Безу Р(1)=2, Р(2)=1. Отсюда а+b=2, а⸱2+b=1. Решая эту простую систему, получим а=–1, b=3. Ответ. r(x)=3–х. Пример. Найти корни уравнений 𝒙𝟑 + 𝒙𝟐 − 𝟏𝟎𝒙 + 𝟖 = 𝟎 Отв.: –4; 1; 2. 𝒙𝟑 − 𝟔𝒙𝟐 + 𝟓𝒙 + 𝟏𝟐 = 𝟎 Отв.: –1; 3;4. 𝒙𝟑 − 𝟑𝒙 + 𝟐 = 𝟎 Отв.: –2; 1. 𝟓𝒙𝟑 − 𝟔𝒙𝟐 + 𝟏𝟏𝒙 − 𝟐 = 𝟎 Отв.: . Вовк Леонид Петрович 𝟏 𝟓 АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 10 𝟐𝟏𝒙𝟑 + 𝒙𝟐 − 𝟓𝒙 − 𝟏 = 𝟎 𝟏 𝟏 𝟑 −𝟏±𝟐√𝟐 Отв.: − ; . 𝟏 Указание. Разделить уравнение на 𝒙𝟑 , ввести новую переменную 𝒚 = . 𝒙 𝟏 𝟖𝒙𝟒 + 𝒙𝟑 + 𝟔𝟒𝒙 + 𝟖 = 𝟎 (Метод группировки) 𝟐𝒙𝟒 + 𝒙𝟑 − 𝟒𝒙𝟐 + 𝟏 = 𝟎 Отв.: −𝟐; − . 𝟖 𝟏 −𝟏±√𝟓 𝟐 𝟐 Отв.: 𝟏; − ; . Указание. Провести следующие преобразования: 𝟐(𝒙𝟒 − 𝟐𝒙𝟐 + 𝟏) + (𝒙𝟑 − 𝟏) = 𝟎 ⇒ (𝒙 − 𝟏)(𝟐(𝒙 − 𝟏)(𝒙 + 𝟏)𝟐 + 𝒙𝟐 + 𝒙 − 𝟏) = 𝟎 ⇒ (𝒙 − 𝟏)(𝟐(𝒙𝟑 + 𝒙𝟐 − 𝒙 − 𝟏) + 𝒙𝟐 + 𝒙 + 𝟏) = 𝟎 ⇒ (𝒙 − 𝟏) (𝟐(𝒙𝟐 + 𝒙 − 𝟏)𝒙 + (𝒙𝟐 + 𝒙 − 𝟏)) = 𝟎. 6. Формулы Виета. Пусть 𝑓(𝑥) = 𝑥 + 𝑎𝑛−1 𝑥 𝑛−1 +. . . +𝑎1 𝑥 + 𝑎0 , и 𝛼1 , . . . , 𝛼𝑛 − корни 𝑓(𝑥), причем каждый корень выписан столько раз, какова его кратность ⇒ 𝑥 𝑛 + 𝑎𝑛−1 𝑥 𝑛−1 +. . . +𝑎1 𝑥 + 𝑎0 = (𝑥 − 𝛼1 ) ⋅. . .⋅ (𝑥 − 𝛼𝑛 ) ⇒ 𝑎𝑛−1 = −(𝛼1 + 𝛼2 + ⋯ + 𝛼𝑛 ), 𝑎𝑛−2 = 𝛼1 𝛼2 + 𝛼1 𝛼3 + ⋯ + 𝛼1 𝛼𝑛 + 𝛼2 𝛼3 + ⋯ + 𝛼𝑛−1 𝛼𝑛 , 𝑎𝑛−3 = −(𝛼1 𝛼2 𝛼3 + 𝛼1 𝛼2 𝛼𝑛 + ⋯ + 𝛼𝑛−2 𝛼𝑛−1 𝛼𝑛 ), … 𝑎1 = (−1)𝑛−1 (𝛼1 𝛼2 … 𝛼𝑛−1 + 𝛼1 𝛼2 … 𝛼𝑛−2 𝛼𝑛 + ⋯ + 𝛼2 𝛼3 . . 𝛼𝑛 ), 𝑎0 = (−1)𝑛 𝛼1 . . . 𝛼𝑛 . При 𝑛 = 2, 𝑓(𝑥) = 𝑥 2 + 𝑎1 𝑥 + 𝑎0 ⇒ 𝑎1 = −(𝛼1 + 𝛼2 ), 𝑎0 = 𝛼1 𝛼2 При 𝑛 = 3, 𝑓(𝑥) = 𝑥 3 + 𝑎2 𝑥 2 + 𝑎1 𝑥 + 𝑎0 𝑎2 = −(𝛼1 + 𝛼2 + 𝛼3 ), 𝑎1 = 𝛼1 𝛼2 + 𝛼1 𝛼3 + 𝛼2 𝛼3 , 𝑎0 = −𝛼1 𝛼2 𝛼3 . Пример. При каких значениях m оба корня уравнения 2 3x +(m−1)x+1−m2=0 равны нулю? Ответ. т=1. Пример. Не вычисляя корней уравнения 3x2+8x−1=0, найдите 𝑥1 ⋅ 𝑥24 + 𝑥2 ⋅ 𝑥14 . Решение. 𝑥1 ⋅ 𝑥24 + 𝑥2 ⋅ 𝑥14 = 𝑥1 ∙ 𝑥2 ∙ (𝑥1 + 𝑥2 )((𝑥1 + 𝑥2 )2 − 3𝑥1 ∙ 𝑥2 ). Ответ. 584/81. Пример. Пусть x1 и x2 – корни уравнения 2x2−7x−3=0. Составьте квадратное уравнение, корнями которого являются числа x1+х2 и х1∙х2. Решение. Уравнение имеет вид: 𝑛 Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 11 7 3 (𝑥 − ) ∙ (𝑥 + ) = 0 → (2𝑥 − 7) ∙ (2𝑥 + 3) = 0. 2 2 Ответ. 4x2–8x–21=0. Пример. При каких значениях k произведение корней уравнения 2 x +3x+k2−7k+12=0 равно нулю? Ответ. 3;4. Пример. При каких значениях a уравнение 2 2 2 2 (a −6a+8)x +(a −4)x+10−3a−a =0 имеет более двух корней? Ответ. а=2. Пример. Докажите, что уравнение ax2+bx−a=0 при a≠0 и любом b имеет два различных корня. Пример. Корни квадратного уравнения x2+px+q=0 – взаимно обратные положительные числа. Найдите q. Решение. По тереме Виета х⸱(1/х)=q=1. Ответ. 1. Пример. Сумма квадратов корней уравнения x2+px−3=0 равна 10. Найдите p. Решение. По теореме Виета: 𝑥1 ∙ 𝑥2 = −3. 𝑥12 + 𝑥22 + 2𝑥1 ∙ 𝑥2 = (𝑥1 + 𝑥2 )2 = 10 + 2 ∙ (−3) = 4. Таким образом, (−𝑝)2 = 4 → 𝑝 = ±2. Проверкой убеждаемся, что оба значения подходят. Ответ. ±2. Пример. На рисунке изображен график приведённого квадратного трёхчлена (ось ординат стёрлась, расстояние между соседними отмеченными точками равно 1). Чему равен дискриминант этого трёхчлена? Решение. Первый способ. Пусть x1 и x2 – корни данного трёхчлена (x1<x2). Из условия следует, что x2–x1=2. Поэтому D=(x2–x1)²=4. Второй способ. Дискриминант не зависит от положения оси ординат. Поэтому совместим её с осью параболы. Тогда уравнение параболы: y=(x+1)(x–1). Теперь дискриминант легко вычисляется. Ответ 4. Пример. При каком значении параметра а уравнение (а–2)х2+(4–2а)х+3=0 имеет единственный корень? Решение. Если а = 2, то уравнение превращается в линейное (4 – 4)∙х + 3 = 0; которое не имеет корней. Если а ≠ 2, то уравнение – квадратное и имеет единственный корень при нулевом дискриминанте D. D (2 a) 2 (a 2) 3 a 2 7a 10 . D=0 при а1=2 и a2=5. 4 Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 12 Значение а=2 исключается, так как противоречит условию, что исходное уравнение – квадратное. Ответ: а=5. 7. Применение отношений сравнимости для многочленов. Определение. Пусть т(х) – не равный тождественно нулю многочлен. Два многочлена a(x) и b(x) называются сравнимыми по модулю т(х), если их разность делится на т(х). Как и для чисел, соотношение сравнимости для двух многочленов записывается в виде a(x)≡b(x)(mod т(х)). В этом разделе речь пойдет о следующем свойстве отношений сравнения. Пусть f(x)=сnxn+сn−1xn−1+…+с1x+с0 – произвольный многочлен с целыми коэффициентами. Если а≡b(mod m), то f(а)≡f(b)(mod m). Пример. Найти остаток от деления f(86) на 11, если f(x)=15x3–33x2+7. Решение. Заменим все числа на «первом» этаже сравнения (все константы) остатками от деления на 11 или, что ещё удобнее, наименьшими по абсолютной величине числами, сравнимыми с ними по модулю 11: 86≡–2(mod 11), 15≡4(mod 11), 15≡4(mod 11), 33≡0(mod 11), 7≡–4(mod 11). Тогда по сформулированному свойству отношений сравнимости для многочленов имеем: f(86)≡f(–2)(mod 11). Теперь имеем следующую цепочку сравнений: f(–2)≡4⸱(–2)3–0⸱(–2)2–4=–32–4=–36≡–3(mod 11)≡8(mod 11)/ Остаток от деления f(86) на 11 равен 8. Ответ. 8. Рекомендуемая литература 1. Основы комбинаторики и теории чисел. Сборник задач : учебное пособие / А. А. Глибичук, Д. Г. Ильинский, Д. В. Мусатов [и др.]. — 2-е изд. — Долгопрудный : Издательский Дом «Интеллект», 2019. — 103 c. — ISBN 978-5-91559-259-8. — Текст : электронный // Электронно-библиотечная система IPR BOOKS : [сайт]. – URL: https://www.iprbookshop.ru/103378.html – Режим доступа: для авторизир. пользователей. 2. Веретенников, Б. М. Алгебра и теория чисел. Часть 1 : учебное пособие / Б. М. Веретенников, М. М. Михалева ; под редакцией Н. В. Чуксина. – Екатеринбург : Уральский федеральный университет, ЭБС АСВ, 2014. – 52 c. — ISBN 978-5-7996-1193-4. – Текст : электронный // Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ» 13 Электронно-библиотечная система IPR BOOKS : [сайт]. — URL: https://www.iprbookshop.ru/66141.html – Режим доступа: для авторизир. пользователей 3. Сикорская, Г. А. Алгебра и теория чисел : учебное пособие / Г. А. Сикорская. – Оренбург : Оренбургский государственный университет, ЭБС АСВ, 2017. – 304 c. — ISBN 978-5-7410-1943-6. — Текст : электронный // Электронно-библиотечная система IPR BOOKS : [сайт]. — URL: https://www.iprbookshop.ru/78763.html – Режим доступа: для авторизир. пользователей. 4. Математика. Решение задач по теории чисел профильного уровня ЕГЭ : учебное пособие / Г. А. Кузин. — Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2020. — 120 c. — ISBN 978-57782-4097-1. – Текст : электронный // Электронно-библиотечная система IPR BOOKS : [сайт]. – URL: https://www.iprbookshop.ru/98714.html – Режим доступа: для авторизир. пользователей. Вовк Леонид Петрович АДИ ГОУ ВПО «ДОННТУ»