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.