Многочлены

 

Получим неполное частное s (x) =3x³+6x²+7x+17 и остаток r=33. заметим, что одновременно мы вычислили значение многочлена f (2) =33.

Разделим  теперь тот же многочлен f (x) на х+2 с остатком. В этом случае с=-2. получим: 

Таблица 3.

 

В результате имеем f (x) = (x+2) (3x³-6x²+7x-11) +21. 
 

     Ранее мы установили что если с - корень многочлена f (x) делится на х-с. Сейчас обобщим это утверждение.

     Пусть с₁, с₂, …, с_m - различные корни многочлена f (x). Тогда f (x) делится на х-с₁, т.е. f (x) = (x-c₁) s₁ (x). Положим в этом равенстве х=с₂. Получим f (c₂) = (c₂-c₁) s₁ (c₂) и, так f (c₂) =0, то (с₂-с₁) s₁ (c₂) =0. Но с₂≠с₁, т.е. с₂-с₁≠0, а значит, s₁ (c₂) =0. Таким образом, с₂ - корень многочлена s₁ (x).

     Отсюда  следует, что s₁ (x) делится на х-с₂, т.е. s₁ (x) = (x-c₂) s₂ (x). Подставим полученное выражение для s₁ (x) в равенство f (x) = (x-c₁) s₁ (x). Имеем f (x) = (x-c₁) (x-c₂) s₂ (x). Положив в последнем равенстве х=с₃ с учетом того, что f (c₃) =0, с₃≠с1, с₃≠с₂, получим, что с₃ - корень многочлена s₂ (x). Значит, s₂ (x) = (x-c₃) s₃ (x), а тогда f (x) = (x-c₁) (x-c₂) (x-c₃) s₃ (x) и т.д. Продолжив эти рассужденья для оставшихся корней с₄, с₅, …, с_m, мы, наконец, получим f (x) = (x-c₁) (x-c₂) … (х-с_m) s_m (x), т.е. доказано формулируемое ниже утверждение.

     Если  с₁, с₂, …, с_m - различные корни многочлена f (x), то f (x) можно представить в виде f (x) = (x-c₁) (x-c₂)... (x-c_m) s_m (x). 

     Отсюда  вытекает важное следствие.

     Если  с₁, с₂,…, с_m - различные корни многочлена f (x), то f (x) делится на многочлен (х-с₁) (х-с₂) … (х-с_m).

     Как мы уже отмечали, одной из важных задач в теории многочленов является задача отыскания корней многочлена. В связи с этим существенным представляется вопрос о их числе. В самом деле, если дан какой-то многочлен и уже найдено, скажем, 10 его корней, то нужно знать, следует ли продолжать поиски. А вдруг этот многочлен больше не имеет корней? В таких случаях нам будет полезна приводимая ниже теорема.

     Число различных корней ненулевого многочлена f (x) не больше, чем его степень.

     Действительно, если f (x) корней не имеет, то ясно, что теорема верна, ибо ст. f (x) ≥0.

Пусть теперь f (x) имеет m корней с₁, с₂, …, с_m, причем все они различны. Тогда, по только что доказанному f (x) делится на (х-с₁) (х-с₂) … (х-с_m). В таком случае ст. f (x) ≥ ст. ( (х-с₁) (х-с₂) … (х-с_m)) =ст. (х-с₁) + ст. (х-с₂) +…+ст. (х-с_m) =m, т.е. ст. f (x) ≥m, а m - это число корней рассматриваемого многочлена.

     А вот у нулевого многочлена бесконечно много корней, ведь его значение для любого х равно 0. В частности, по этой причине ему и не предписывают никакой определенной степени. 

     Из  только что доказанной теоремы следует  такое утверждение.

Если  многочлен f (x) не является многочленом степени, большей, чем n, и имеет более, чем n корней, то f (x) - нулевой многочлен.

     В самом деле, из условий этого утверждения  следует, что-либо f (x) - нулевой многочлен, либо ст. f (x) ≤n. Если предположить, что многочлен f (x) не нулевой, то ст. f (x) ≤n, и тогда f (x) имеет не более, чем n корней. Приходим к противоречию. Значит, f (x) - ненулевой многочлен. 

     Пусть f (x) и g (x) - ненулевые многочлены степени, не большей, чем n. Если эти многочлены принимают одинаковые значения при n+1 значении переменной х, то f (x) =g (x).

     Для доказательства рассмотрим многочлен  h (x) =f (x) - g (x). Ясно, что - либо h (x) =0, либо ст. h (x) ≤n, т.е. h (x) не является многочленом степени, большей, чем n. Пусть теперь число с такое, что f (c) =g (c). Тогда h (c) = f (c) - g (c) =0, т.е. с - корень многочлена h (x). Следовательно, многочлен h (x) имеет n+1 корень, а когда, как только что доказано, h (x) =0, т.е. f (x) =g (x).

     Если  же f (x) и g (x) принимают одинаковые значения при всех значениях переменной х, то эти многочлены тем более равны.

Эта теорема  весьма эффективно используется при  доказательстве некоторых числовых тождеств.

     Докажем, например, что для любых попарно  различных чисел а, b, с и любого числа х.

( ( (x-b) (x-c)) / ( (a-b) (a-c))) + ( ( (x-a) (x-c)) ( (b-a) (b-c))) + ( ( (x-a) (x-b)) ( (c-a) (c-b))) =1 

     Конечно, можно преобразовав левую часть  указанного равенства, убедиться, что  в результате получится 1. Но такой  метод доказательства связан с громоздкими  преобразованиями. Попытаемся обойтись без них.

Будем рассматривать х как переменную. Тогда, как нетрудно заметить, в левой части тождества находится многочлен, который мы обозначим f (x). Переменная х входит в этот многочлен самое большое в степени 2, т.е. ст. f (x) ≤2. в правой части того же тождества - так же многочлен: g (x) =1.

Найдем  теперь значение многочленов f (x) и g (x) при х=a, b, c. Ясно, что g (a) =g (b) =g (c) =1. Далее, 

f (a) = ( ( (a-b) (a-c)) / ( (a-b) (a-c))) + ( ( (a-a) (a-c)) ( (b-a) (b-c))) + ( ( (a-a) (a-b)) ( (c-a) (c-b))) =1. 

     Аналогично  f (b) =f (c) =1. Следовательно, f (a) =g (a), f (b) =g (b), f (c) =g (c). Видим, что многочлены f (x) и g (x), не являющиеся многочленами степени выше, чем 2, принимают одинаковые значения при трех различных значениях переменной. Значит, f (x) =g (x).

4. Кратные корни многочлена

 

Если  число с является корнем многочлена f (x), этот многочлен, как известно, делится на х-с. Может случиться, что f (x) делится и на какую-то степень многочлена х-с, т.е. на (х-с) ^k, k>1. В этом случае с называют кратным корнем. Сформулируем определение более четко.

     Число с называется корнем кратности k (k-кратным корнем) многочлена f (x), если многочлен делится на (х-с) ^k, k>1 (k - натуральное число), но не делится на (х-с) ^k+1. Если k=1, то с называют простым корнем, а если k>1, - кратным корнем многочлена f (x).

     В дальнейшем при определении кратности  корней нам будет полезно следующее  предложение.

     Если  многочлен f (x) представим в виде f (x) = (x-c) ^mg (x), m - натуральное число, то он делится на (х-с) ^m+1 тогда и только тогда, когда g (x) делится на х-с.

     В самом деле, если g (x) делится на х-с, т.е. g (x) = (x-c) s (x), то f (x) = (x-c) ^m+1s (x), а значит, f (x) делится на (х-с) ^m+1.

Обратно, если f (x) делится на (х-с) ^m+1, то f (x) = (x-c) ^m+1s (x). Тогда (x-c) ^mg (x) = (x-c) ^m+1s (x) и после сокращения на (х-с) ^m получим g (x) = (x-c) s (x). Отсюда следует, что g (x) делится на х-с. 

     А сейчас вернемся к понятию кратности  корня. Выясним, например, является ли число 2 корнем многочлена f (x) =x⁵-5x⁴+3x³+22x²-44x+24, и если да, найдем его кратность. Чтобы ответить на первый вопрос, проверим с помощью схемы Горнера, делится ли f (x) на х-2. имеем: 

Таблица 4.

 

Как видим, остаток при делении f (x) на х-2 равен 0, т.е. делится на х-2. Значит, 2 - корень этого многочлена. Кроме того, мы получили, что f (x) = (x-2) (x⁴-3x³-3x²+16x-12). Теперь выясним, является ли f (x) на (х-2) ². Это зависит, как мы только что доказали, от делимости многочлена g (x) =x⁴-3x³-3x²+16x-12 на х-2. Снова воспользуемся схемой Горнера: 
 

Таблица 5.

 

Получили, что g (x) делится на х-2 и g (x) = (x-2) (x³-x²-5x+6). Тогда f (x) = (x-2) ² (x³-x²-5x+6).

  Итак, f (x) делится на (х-2) ², теперь нужно выяснить, делится ли f (x) на (x-2) ³.

Для этого  проверим, делится ли h (x) =x³-x²-5x+6 на х-2: 

Таблица 6.

 

Получим, что h (x) делится на х-2, а значит, f (x) делится на (х-2) ³, и f (x) = (x-2) ³ (x2+x-3).

Далее аналогично проверяем, делится ли f (x) на (х-2) ⁴, т.е. делится ли s (x) =x²+x-3 на х-2: 

Таблица 7.

 

     Находим, что остаток при делении s (x) на х-2 равен 3, т.е. s (x) не делится на х-2. Значит, f (x) не делится на (х-2) ⁴.

Таким образом, f (x) делится на (х-2) ³, но не делится на (х-2) ⁴. Следовательно, число 2 является корнем кратности 3 многочлена f (x).

     Обычно  проверку корня на кратность выполняют  в одной таблице. Для данного  примера эта таблица имеет  следующий вид: 
 
 

Таблица 8.