Властивості незвідних многочленів
Властивості подільності многочленів
Означення 4. Многочлен називається незвідним у полі , якщо
Многочлен називається звідним у полі , якщо
Властивості незвідних многочленів
1. Якщо незвідний у , то і будь-який асоційований з ним многочлен незвідний у .
2. Якщо незвідні у многочлени і то - асоційовані.
3. Будь-який многочлен першого степеня незвідний у .
Можливість і єдиність розкладу многочлена у добуток незвідних множників - залишається в силі і в кільці при
Теорема 13. Будь-який многочлен над полем не нульового степеня можна подати як добуток многочленів, незвідних у полі .
Раціональні дроби від кількох змінних
Кільце многочленів від змінних, так само як і кільце многочленів від однієї змінної, можна «вкласти» у поле відношень Точніше, можна побудувати таке поле яке містить як підкільце і кожний елемент якого можна подати як частку двох многочленів
Таке поле єдине з точністю до ізоморфізму.
Елементи теорії виключення. Результант двох многочленів
Многочлен від кількох змінних можна також розглядати як алгебраїчне рівняння ( ).
( )
вибрати в довільні значення при яких такі значення обов’язково знайдуться, бо підставити їх у коефіцієнти многочлена ( ) і дістати многочлен
від однієї змінної степеня над полем . За теоремою Кронекера, цей многочлен має корінь у полі , або у деякому його розширенні. Але тоді - розв’язок рівняння ( ).
Більш поширеною і практично застосовною є задача розв’язування систем алгебраїчних рівнянь виду
( )
тобто знаходження спільних розв’язків усіх многочленів
Нехай задано систему двох алгебраїчних рівнянь з двома невідомими. Розмістимо члени цих рівнянь за степенями одного з невідомих (їх ліві частини розглядаються над полем ):
( )
і припустимо, що пара елементів є розв’язком системи (30), тобто
Зрозуміло, що з системи (30) можна утворити цілий ряд вивідних рівнянь, для яких також буде розв’язком.
Підставимо в рівняння системи ( ), що має розв’язок , значення дістанемо два рівняння з одним невідомим:
( )
причому є спільним коренем обох цих рівнянь. Оскільки два довільно взяті рівняння з одним невідомим, взагалі кажучи, спільних коренів не мають, то рівняння системи ( ), які мають спільний корінь, не можуть бути незалежними. Між їх коефіцієнтами повинен бути деякий зв’язок. Якщо ми знайдемо цей зв’язок між коефіцієнтами , тобто співвідношення
то тим самим дістанемо деяке рівняння
яке повинно задовольнятись при щоб могло бути розв’язком системи.
Отже, треба розв’язати таку задачу. Нехай дано систему двох рівнянь з одним невідомим:
( )
Знайти, при яких умовах ці рівняння можуть мати спільний корінь.
Зауважимо, що між системами ( ) і ( ) є певна відмінність. При розгляді системи ( ) природно вважати, що і , тоді як у системі ( ), утвореній з ( ) при деякі з коефіцієнтів і, зокрема старші коефіцієнти і , можуть дорівнювати нулю, хоч відповідні многочлени і не були нулями.
Очевидно, що спільні корені рівнянь системи треба шукати лише серед коренів многочлена . Позначимо ці корені через . З другого боку, лише тоді буде спільним коренем, якщо
Означення 5. Результантом многочленів
( )
називається вираз
, (*)
де - корені многочлена .
Зауваження. 1. У цьому означенні многочлени і нерівноправні; для дістаємо:
, (**)
де (**) - корені многочлена .
На перший погляд здається, що це є недоліком введеного означення (бо в поставленій задачі і рівноправні), проте можна показати, що і можуть відрізнятися лише знаком.
2. Щоб означити для двох многочленів один з результантів або , потрібно, щоб хоч один з старших членів цих многочленів був відмінний від нуля.
є симетричним многочленом від , коефіцієнти якого раціонально виражаються через Із основної теореми теорії симетричних многочленів випливає, що можна подати як многочлен від основних симетричних функцій
Оскільки - корені многочлена , то , за формулами Вієта, раціонально виражаються через його коефіцієнти Отже, остаточно можна раціонально виразити через коефіцієнти і обох заданих многочленів. Звідси випливає, що результант довільних двох многочленів над полем є елементи цього самого поля.
Властивості результанта
Теорема 14. Для того, щоб многочлени і мали спільний корінь, необхідно і достатньо, щоб їх результант дорівнював нулю.
Означення 6.Дискримінантом многочлена називається вираз
, (***)
де - результант многочлена і його похідної .
Теорема 15. Многочлен має кратний корінь тоді і тільки тоді, коли його дискримінант дорівнює нулю.
Результант у формі Сільвестра
Нехай дано два многочлена
Побудуємо детермінант із рядків із коефіцієнтів і .
( )
Форма Сільвестра важлива тим, що вона дає можливість узагальнити поняття результанта, введене в означенні 5. Ми бачили, що при детермінант Сільвестра збігається з , означеним формулою (*). Аналогічно при дорівнює відповідному детермінанту Сільвестра. Але якщо то формули (*) – (**) результанта або втрачає смисл, тоді як детермінант Сільвестра зберігає смисл, хоч і набуває значення нуль.
У зв’язку з цим надалі під результантом двох многочленів ми розумітимемо детермінант Сільвестра для цих многочленів.
При новому означенні результанта властивість 1 втрачає смисл (при ), але залишається в силі властивість 2
,
що можна перевірити, переставляючи рядки детермінанта ( ).
Теорема 14. Якщо результант дорівнює нулю, то або а) многочлени і мають спільний корінь, або б) обидва їх старші коефіцієнти дорівнюють нулю.
Теорема 15. Якщо многочлени і мають спільний корінь, то дорівнює нулю.
Розв’язання системи алгебраїчних рівнянь
Нехай дано систему двох алгебраїчних рівнянь з двома невідомими з коефіцієнтами із . Розмістивши члени цих рівнянь за степенями одного невідомого, матимемо
( )
Розглядаючи як параметр, побудуємо для многочленів результант :
Позначимо цей результант через
Як видно з , дістаємо з коефіцієнтів і за допомогою дій додавання і множення. Тому, результант многочленів і є многочленом від над тим самим полем . Позначимо степінь многочленна через . Тоді, результант многочленів і є многочленом від над тим самим полем . Позначимо степінь многочлена через . Тоді, степінь не перевищує добутку степенів многочленів і (відносно обох змінних). Многочлен має в полі розкладу коренів тобто Але те, що результант дорівнює нулю, на основі теореми 14 означає, що многочлени
або мають спільний корінь, або їх старші коефіцієнти і дорівнюють нулю.
Розглянемо обидва випадки.
а) Хоча б один з коефіцієнтів і не дорівнює нулю.
У цьому випадку многочлени і мають спільний корінь. Позначимо його через . Пара очевидно, є одним з розв’язків системи (38), або Зауважимо, що для даного значення ми можемо мати не один, а кілька спільних коренів многочленів і , наприклад і . Тоді, очевидно, обидві пари і є розв’язками системи (38).
б) Обидва коефіцієнти і дорівнюють нулю.
У цьому випадку, незважаючи на те, що результант дорівнює нулю, і можуть не мати спільного кореня. Якщо це так, то корінь результанта слід відкинути. Проте може статися, що й у цьому випадку многочлени і мають спільний корінь . Тоді знову є розв’язком системи (38).
Щоб знайти всі розв’язки системи (38), треба аналогічно розглянути всі корені результанта .
Зауважимо, що крім знайдених таким способом розв’язків ніяких інших розв’язків система мати не може.
Як висновок всього сказаного можна запропонувати таку схему дій при розв’язуванні системи рівнянь з двома невідомими.
1. Побудувати результант ( ) і знайти всі його корені.
2. Знайдений корінь підставити в многочлени системи ( ). Дістанемо многочлени і .
3. Знайти спільний найбільший дільник многочленів і .
4. Розв’язати рівняння Корені цього рівняння є, очевидно, спільними коренями многочленів і .
5. Скласти систему пар Ці пари є розв’язками системи ( ), які відповідають кореню .
Дії 2 – 5 слід виконати окремо для кожного з коренів . При цьому слід мати на увазі, що для деяких коренів результанта може не існувати спільних коренів многочленів Це може бути тоді, коли Ознакою відсутності спільних коренів, очевидно, є те, що многочлени , взаємно прості, тобто
У тих випадках, коли корені одного з многочленів , легко знайти, шукати найбільший спільний дільник недоцільно: досить перевірити, які з коренів є коренями і другого многочлена.
Ми розглянули як розв’язується система двох алгебраїчних рівнянь з двома невідомими. Цю теорію можна застосувати і до розв’язування системи алгебраїчних рівнянь з невідомими.
Зауважимо, що взагалі виключення невідомих методами елементарної алгебри в більшості випадків і є знаходженням результанта. Потім за коренем результанта знаходять спільний корінь многочленів , . Спільність кореня перевіряють підстановкою, що обов’язково слід робити при розв’язуванні таких систем у школі.
Симетричні многочлени
Означення.Многочлен називається симетричним відносно змінних , якщо внаслідок довільної перестановки змінних утворюється многочлен, який дорівнює даному.