Курсовая работа: Корни многочленов от одной переменной

Новосибирский государственный педагогический университет.

Математический факультет.

Кафедра алгебры.

Курсовая работа по математике.

Многочлены

Выполнила: студентка 35гр.

Голобокова О.В.

Научный руководитель:

старший преподаватель

Гейбука С.В.

г. Новосибирск, 2008

Содержание

Введение

§1. Многочлены от одной переменной

Понятие многочлена. Степень многочлена

Равенство многочленов. Значение многочленов

Операции над многочленами

Схема Горнера

Корни многочленов

Кратные корни многочлена

Рациональные корни многочлена

§ 2. Задачи о многочленах

Заключение

Список литературы

Введение

Тема моей курсовой работы "Многочлены".

В ней я хочу дать понятие многочлена, определить операции над ними, рассмотреть способы нахождения остатков при делении: схема Горнера. А так же рассмотреть виды корней: рациональные, кратные.

Для этого мне нужно изучить научную и методическую литературу, подобрать и решить задачи по данной теме, включая олимпиадные.

В первой главе своей работы я рассматриваю основное понятие многочлена, операции над ними, ввожу определение и основные понятия схемы Горнера, рассматриваю кратные и рациональные корни многочлена. Во второй главе решаю задачи, включая олимпиадные.

§1. Многочлены от одной переменной

Понятие многочлена. Степень многочлена

Многочленом от переменной х будем называть выражение вида

a_n xⁿ + a_n _-1 xⁿ ^-1 +... + a₁ x+ a_0, где n- натуральное число; а _n , a_n _-1 ,..., a₁ , a₀ - любые числа, называемые коэффициентами этого многочлена. Выражения a_n xⁿ , a_n _-1 xⁿ ^-1 ,..., a₁ х, a₀ называются членами многочлена, а₀ - свободным членом.

Часто будем употреблять и такие термины: a_n - коэффициент при х ⁿ , а _n-1 - коэффициент при х ^n-1 и т.д.

Примерами многочленов являются следующие выражения: 0х⁴ +2х³ + (-3) х³ + (3/7) х+ ; 0х² +0х+3; 0х² +0х+0 . Здесь для первого многочлена коэффициентами являются числа 0, 2, - 3, 3/7, ; при этом, например, число 2 - коэффициент при х³ , а - свободный член.

Многочлен, у которого все коэффициенты равны нулю, называется нулевым.

Так, например, многочлен 0х² +0х+0 - нулевой.

Из записи многочлена видно, что он состоит из нескольких членов. Отсюда и произошел термин ‹‹многочлен›› (много членов). Иногда многочлен называют полиномом . Этот термин происходит от греческих слов πολι - много и νομχ - член.

Многочлен от одной переменной х будем обозначать так: f ( x), g ( x), h ( x) и т.д. например, если первый приведённых выше многочленов обозначить f ( x), то можно записать: f ( x) =0 x⁴ +2 x³ + (-3) x² +3/7 x+ .

Для того чтобы запись многочлена выглядела проще и выглядела компактнее, договорились о ряде условностей.

Те члены не нулевого многочлена, у коэффициенты равны нулю, не записывают. Например, вместо f ( x) =0 x³ +3 x² +0 x+5 пишут: f ( x) =3 x² +5 ; вместо g ( x) =0 x² +0 x+3 - g ( x) =3 . Таким образом, каждое число - это тоже многочлен. Многочлен h ( x), у которого все коэффициенты равны нулю, т.е. нулевой многочлен, записывают так: h ( x) =0 .

Коэффициенты многочлена, не являющиеся свободным членом и равные 1, тоже не записывают. Например, многочлен f ( x) =2 x³ +1 x² +7 x+1 можно записать так: f ( x) = x³ + x² +7 x+1 .

Знак ‹‹-›› отрицательного коэффициента относят к члену, содержащему этот коэффициент, т.е., например, многочлен f ( x) =2 x³ + (-3) x² +7 x+ (-5 ) записывают в виде f ( x) =2 x³ -3 x² +7 x-5 . При этом, если коэффициент, не являющийся свободным членом, равен - 1, то знак "-" сохраняют перед соответствующим членом, а единицу не пишут. Например, если многочлен имеет вид f ( x) = x³ + (-1) x² +3 x+ (-1), то его можно записать так: f ( x) = x³ - x² +3 x-1 .

Может возникнуть вопрос: зачем, например, уславливаться о замене 1х на х в записи многочлена, если известно, что 1х=х для любого числа х ? Дело в том, что последнее равенство имеет место, если х - число. В нашем же случае х - элемент произвольной природы. Более того запись 1х мы пока не имеем права рассматривать как произведение числа 1 и элемента х , ибо, повторяем х - это не число. Именно таким обстоятельством и вызваны условности в записи многочлена. И если мы дальше говорим все-таки о произведении, скажем, 2 и х без всяких оснований, то этим допускаем некоторую нестрогость.

В связи с условностями в записи многочлена обращаем внимание на такую деталь. Если имеется, например, многочлен f ( x) =3х³ -2х² -х+2 , то его коэффициенты - это числа 3, - 2, - 1,2. Конечно, можно было бы сказать, что коэффициентами являются числа 0, 3, - 2, - 1, 2, имея в виду такое представление данного многочлена: f ( x) =0 x⁴ -3 x² -2 x² - x+2 .

В дальнейшем для определенности будем указывать коэффициенты, начиная с отличного от нуля, в порядке их следования в записи многочлена. Так, коэффициентами многочлена f ( x) =2 x⁵ - x являются числа 2, 0, 0, 0, - 1, 0. Дело в том, что хотя, например, член с х² в записи отсутствует, это лишь означает, что его коэффициент равен нулю. Аналогично свободного члена в записи нет, поскольку он равен нулю.

Если имеется многочлен f ( x) = a_n xⁿ + a_n _-1 xⁿ ^-1 +... + a₁ x+ a₀ и a_n ≠0, то число n называют степенью многочлена f ( x) ( или говорят: f ( x) - n -й степени) и пишут ст. f ( x) = n . В этом случае a_n называется старшим коэффициентом , а a_n xⁿ - старшим членом данного многочлена.

Например, если f ( x) =5 x⁴ -2 x+3 , то ст. f ( x) =4 , старший коэффициент - 5, старший член - 5х⁴ .

Рассмотрим теперь многочлен f ( x) = a , где а - число, отличное от нуля. Чему равна степень этого многочлена? Легко заметить, что коэффициенты многочлена f ( x) = a_n xⁿ + a_n _-1 xⁿ ^-1 +... + a₁ x+ a₀ пронумерованы справа налево числами 0, 1, 2, …, n -1, n и если a_n ≠0, то ст. f ( x) = n . Значит, степень многочлена - это наибольший из номеров его коэффициентов, отличных от нуля (при той нумерации, о которой только что говорилось). Вернемся теперь к многочлену f ( x) = a , a ≠0, и пронумеруем его коэффициенты справа налево числами 0, 1, 2, … коэффициент а при этом получит номер 0, а так как все остальные коэффициенты - нулевые, то это и есть самый большой из номеров коэффициентов данного многочлена, отличных от нуля. Значит ст. f ( x) =0 .

Таким образом, многочлены нулевой степени - это числа, отличные от нуля.

Осталось выяснить, как обстоит дело со степенью нулевого многочлена. Как известно, все его коэффициенты равны нулю, и поэтому к нему нельзя применить данное выше определение. Так вот, условились нулевому многочлену не присваивать никакой степени, т.е. что он не имеет степени. Такая условность вызвана некоторым обстоятельством, которые будут рассмотрены несколько позже.

Итак, нулевой многочлен степени не имеет; многочлен f ( x) = a , где а - число, отличное от нуля, имеет степень 0; степень же всякого другого многочлена, как легко заметить, равна наибольшему показателю степени переменной х , коэффициент при которой равен нулю.

В заключение напомним еще несколько определений. Многочлен второй степени f ( x) = ax2+ bx+ c называется квадратным трехчленом . Многочлен первой степени вида g ( x) = x+ c называется линейным двучленом .

Равенство многочленов. Значение многочленов

Два многочлена f ( x) и g ( x) считаются равными, если равны их коэффициенты при одинаковых степенях переменной х и свободные члены (или, короче, равны их соответствующие коэффициенты). В этом случае пишут: f ( x) = g ( x).

Например, многочлены f ( x) = x³ +2 x² -3 x+1 и g ( x) =2 x² -3 x+1 не равны, ибо у первого из них коэффициент при х³ равен 1, а у второго - нулю (согласно принятым условностям мы можем записать: g ( x) =0 x³ +2 x² -3 x+1 . В этом случае пишут: f ( x) ≠ g ( x). Не равны и многочлены h ( x) =2 x² -3 x+5 , s ( x) =2 x² +3 x+5 , так как у них коэффициенты при х различны. А вот многочлены f₁ ( x) =2 x⁵ +3 x³ + bx+3 и g₁ ( x) =2 x⁵ + ax³ -2 x+3 равны тогда и только тогда, когда а =3, а b =-2.

Пусть даны многочлен f ( x) = a_n xⁿ + a_n _-1 xⁿ ^-1 +... + a₁ x+ a₀ и некоторое число с. Число f ( c) = a_n cⁿ + a_n _-1 cⁿ ^-1 +... + a₁ c+ a₀ называется значением многочлена f ( x) при х=с .

Таким образом, чтобы найти f ( c), в многочлен вместо х нужно подставить с и провести необходимые вычисления. Например, если f ( x) =2 x³ +3 x² - x+5 , то f (-2) =2 (-2) ³ + (-2) ² - (-2) +5=3.

Рассмотрим многочлен f ( x) = a и найдем, например, f (2). Для этого в многочлен вместо х надо подставить число 2 и произвести необходимые вычисления. Однако в нашем случае f ( x) = a и переменной х в явном виде нет. Вспомним, что рассматриваемый многочлен можно записать в видеf ( x) =0 x+ a . Теперь все в порядке, можно подставить значение х =2: f (2) =0 2+ a= a . Заметим, что для данного многочлена f ( c) = a при любом с. В частности, нулевой многочлен при любом с принимает значение, равное нулю.

Вообще говоря, многочлен при различных значениях переменной х может принимать различные значения. Нас же довольно часто будут интересовать те значения х , при которых многочлен принимает значение 0. Число с называется корнем многочлена f ( x), еслиf ( c) =0 .

Например, если f ( x) = x² -3 x+2 , то числа 1 и 2 являются корнями этого многочлена, ибо f (1) =0 и f (2) =0. А вот многочлен f (x) =5 корней вообще не имеет. В самом деле, при любом значении х он принимает значение 5, а значит, никогда не принимает значение 0. Для нулевого же многочлена, как легко заметить, каждое число является корнем.

Поиск корней многочленов является одной из важнейших задач алгебры. Находить корни линейных двучленов и квадратных трехчленов учат еще в школе. Что касается многочленов более высоких степеней, то для них такая задача является весьма трудной и не всегда разрешимой. В дальнейшем мы неоднократно будем ею заниматься. А сейчас заметим только, что найти корни многочлена f ( x) = a_n xⁿ + a_n _-1 xⁿ ^-1 +... + a₁ x+ a₀ и решить уравнение a_n xⁿ + a_n _-1 xⁿ ^-1 +... + a₁ x+ a₀ =0 - это эквивалентные задачи. Поэтому, научившись находить корни многочлена, мы научимся решать соответствующие уравнения, и наоборот.

Обратим внимание на различие между двумя утверждениями: "многочлен f ( x) равен нулю (или, что то же самое, многочлен f ( x) - нулевой)" и "значение многочлена f( x) при х=с равно нулю". Например, многочлен f ( x) = x² -1 не равен нулю, ибо у него есть ненулевые коэффициенты, а его значение при х=1 равно нулю. Короче, f ( x) ≠0 , а f (1) =0 .

Между понятиями равенства многочленов и значения многочлена существует тесная взаимосвязь. Если даны два равных многочлена f (x) и g (x), то их соответствующие коэффициенты равны, а значит, f ( c ) = g ( c ) для каждого числа с . Другими словами, если f ( c ) = g (c ) для каждого числа c , то равны ли многочлены f ( x) и g ( x)? Попробуем ответить на этот вопрос в частном случае, когда f ( x) = px² + qx+ r , а g ( x) = kx+ m . Так как f ( c) = g ( c) для каждого числа с , то, в частности, f (0) = g (0), f (1) = g (1), f (-1) = g (-1).

Вычислив фигурирующие в этих равенствах значения рассматриваемых многочленов, получим систему

Из этой системы следует, что p = 0, q = k, r = m, а значит, f ( x) = g ( x).

Таким образом, для рассмотренного примера ответ на поставленный вопрос положителен. Оказывается, это справедливо и в общем случае, после ознакомления с некоторыми другими понятиями и утверждениями теории многочленов.

Операции над многочленами

Многочлены можно складывать, вычитать и умножать по обычным правилам раскрытия скобок и приведения подобных членов. При этом в результате снова получается многочлен. Указанные операции обладают известными свойствами:

f (x) +g (x) =g (x) +f (x),

f (x) + (g (x) +h (x)) = (f (x) +g (x)) +h (x),

f (x) g (x) =g (x) f (x),

f (x) (g (x) h (x)) = (f (x) g (x)) h (x),

f (x) (g (x) +h (x)) =f (x) g (x) +f (x) h (x).

Установим еще несколько полезных свойств операций над многочленами.

Пусть даны два многочлена f ( x) = a_n xⁿ + a_n _-1 xⁿ ^-1 +... +a₁ x+a₀ , a_n ≠0 , и g (x) =b_m x^m +b_m-1 x^m-1 +... + b₁ x+ b_m ≠0. Ясно, что ст. f ( x) = n , а ст. g ( x) = m . Нетрудно заметить, что если перемножить эти два многочлена, получится многочлен вида f ( x) g ( x) = a_n b_m x^m ⁺ ⁿ +... + a₀ b₀ . Так как a_n ≠0 и b_n ≠0 , то a_n b_m ≠0 , а значит, ст. (f ( x) g ( x)) = m+ n. Отсюда следует важное утверждение.

Степень произведения двух ненулевых многочленов равна сумме степеней сомножителей, или, короче, ст. ( f ( x) g ( x)) =ст. f ( x) +ст. g ( x).

Легко доказать, что аналогичное утверждение имеет место для любого конечного числа ненулевых сомножителей, т.е. что ст. (f₁ ( x) f₂ ( x)... f_s ( x)) = ст. f₁ ( x) + ст. f₂ ( x) +... + ст. f_s ( x).

Из рассуждений, приведенных выше для степени произведения двух многочленов, следует два полезных утверждения, которые легко распространяются на любое конечное число сомножителей.

Старший член (коэффициент) произведения двух ненулевых многочленов равен произведению старших членов (коэффициентов) сомножителей .

Свободный член произведения двух многочленов равен произведению свободных членов сомножителей.

Степени многочленов f ( x), g ( x) и f ( x) ± g ( x) связаны следующим соотношением: ст. ( f ( x) ± g ( x)) ≤ maxст. f ( x), ст. g ( x) .

Напомним, что многочлен - выражение вид a_n xⁿ + a_n _-1 xⁿ ^-1 + … + + a₁ x+ a₀ .

Будут ли многочленами выражения: 2 x² +4+3 x³ ; (x² -1) (2 x+5); (x² +1) ( x-3) + 2 x ?

Попробуем разобраться в этом.

Первое выражение можно рассматривать как сумму многочленов f₁ ( x) =2 x² , f₂ ( x) +4, f_a ( x) +3 x³ . Но, как известно, сумма многочленов - это тоже многочлен. Значит, первое выражение можно считать неудачно записанным многочленом. Воспользовавшись тем, что при сложении многочленов слагаемые можно переставлять местами, получим 2 x² +4+3 x³ = f₁ ( x) + f₂ ( x) + f₃ ( x) = f₃ ( x) + f₁ ( x) + f₂ ( x) =3 x³ +2 x² +4.

Аналогично второе выражение - это произведение многочленов g₁ ( x) = x² -1 и g₂ ( x) =2 x+5, а значит, тоже многочлен. Легко убедиться, что и третье выражение также является многочленом.

Теперь познакомимся с еще одной операцией над многочленами - суперпозицией.

Суперпозицией многочленов f ( x) и g ( x) называется многочлен, обозначаемый f ( g ( x)), который получается если в многочлене f ( x) вместо x подставить многочлен g ( x).

Например, если f ( x) = x² +2 x-1 и g ( x) =2 x+3, то f ( g ( x)) = f (2 x + 3) = (2 x+ 3) ² +2 (2 x+3) - 1=4 x² +16 x+14, g ( f ( x)) = g ( x² +2 x-1) =2 ( x² +2 x - 1) +3=2 x² +4 x+1.

Видно, что f ( g ( x)) ≠ g ( f ( x)), т.е. суперпозиция многочленов f ( x), g ( x) и суперпозиция многочленов g ( x), f ( x) различны. Таким образом, операция суперпозиции не обладает свойством переместительности.

Схема Горнера

Разделить с остатком многочлен f ( x) на ненулевой многочлен g ( x) - это значит представить f ( x) в виде f ( x) = g ( x) s ( x) + r ( x), где s ( x) и r ( x) -многочлены и либо r ( x) =0, либо ст. r ( x) < ст. g ( x). S ( x) назовем неполным частным , а r ( x) - остатком при делении f ( x) на g ( x).

Неполное частное при делении можно найти с помощью простого правила, называемого схемой Горнера, которое, кстати, позволяет найти и остаток.

Пусть f (x) =a_n xⁿ +a_n-1 x^n-1 + … + a₁ x+ a_0, a_n ≠ 0 - многочлен n-й степени. При делении его на x- c мы получим неполное частное s ( x) и остаток r , т.е.f ( x) = ( x- c) s ( x) + r. Так как ст. f ( x) = n, а ст. (x - c) = 1 ,то

ст. s (x) = n - 1 , т.е. s (x) = b_n-1 x^n-1 + b_n-2 x^n-2 + … + b₁ x+ b₀ , b_n _-1 ≠ 0. Таким обрзом, имеем равенство

a_n xⁿ +a_n-1 x^n-1 + … +a₁ x+a₀ = (x - c) (b_n-1 x^n-1 +b_n-2 x^n-2 + …+b₁ x+b₀ ) +r.

Многочлены, стоящие в левой и правой частях этого соотношения, равны, а значит, равны их соответствующие коэффициенты. Приравняем их, раскрыв предварительно скобки и приведя подобные члены в правой части данного равенства. Получим:

a= b_n-1, a_-1 = b_n-2 - cb_n-1, a_-2 = b_n-3 - cb_n-2,

a₂ = b₁ - cb_2, a₁ = b₀ - cb_1, a₀ = r - cb₀ .

Напомним, что требуется найти неполное частное, т.е. его коэффициенты, и остаток.

Выразим их из полученных равенств:

b_n-1 = a_n ,

b _n-2 = cb_n-1 + a_n-1, b _n-3 = cb_n-2 + a _n-2,

b₁ = cb₂ + a_2, b₀ = cb₁ +a_1, r = cb₀ + a_0.

Мы нашли формулы, по которым можно вычислять коэффициенты неполного частного s ( x) и остаток r. При этом вычисления оформляются в виде следующей таблицы; она называется схемой Горнера.

Таблица 1.

Коэффициенты f (x)

a_n	a_n-1	a_n-2	…	a₀
c	b_n-1	b_n-2 = cb_n-1 + a_n-1	b_n-3 = cb_n-2 +a_n-2	…	r = cb₀ + a₀

Коэффициенты s (x) остаток

В первую строку этой таблицы записывают подряд все коэффициенты многочлена f ( x), оставляя первую клетку свободной. Во второй строке в первой клетке записывают число c.

Остальные клетки этой строки заполняют, вычисляя один за другим коэффициенты неполного частного s ( x) и остаток r. Во второй клетке записывают коэффициент b_n _-1 , который, как мы установили, равен a_n .

Коэффициент, стоящие в каждой последующей клетке, вычисляются по такому правилу: число c умножается на число, стоящее в предыдущей клетке, и к результату прибавляется число, стоящее над заполняемой клеткой. Чтобы запомнить, скажем, пятую клетку, т.е. найти стоящий в ней коэффициент, нужно c умножить на число, находящееся в четвертой клетке, и к результату прибавить число, стоящее над пятой клеткой.

Разделим, например, многочленf ( x) =3 x⁴ -5 x² +3 x-1 на х-2 с остатком, используя схему Горнера.

При заполнении первой строки этой схемы нельзя забывать о нулевых коэффициентах многочлена.

Так, коэффициенты f ( x) - это числа 3, 0, - 5, 3, - 1. И еще следует помнить, что степень не полного частного на единицу меньше степени многочлена f ( x).

Итак, выполняем деление по схеме Горнера:

Таблица 2.

3	0	-5	3	-1
2	3	6	7	17	33

Получим неполное частное s ( x) =3 x³ +6 x² +7 x+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.

3	0	-5	3	-1
-2	3	-6	7	-11	21

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

Корни многочленов

Ранее мы установили что если с - корень многочленаf ( 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).

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) ^m g ( 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+1 s ( 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+1 s ( x). Тогда (x- c) ^m g ( x) = ( x- c) ^m+1 s ( 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 -5 x⁴ +3 x³ +22 x² -44 x+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.

1	-5	3	22	-44	24
2	1	-3	-3	16	-12	0

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 -3 x³ -3 x² +16 x-12). Теперь выясним, является лиf ( x) на (х-2) ² . Это зависит, как мы только что доказали, от делимости многочлена g ( x) = x⁴ -3 x³ -3 x² +16 x-12 на х-2 . Снова воспользуемся схемой Горнера:

Таблица 5.

1	-3	-3	16	-12
2	1	-1	-5	6	0

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

Таблица 6.

1	-1	-5	6
2	1	1	-3	0

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

Таблица 7.

1	1	-3
2	1	3	3

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.

1	-5	3	22	-44	-24
2	1	-3	-3	16	-12	0
2	1	-1	-5	6	0
2	1	1	-3	0
2	1	3	3

Другими словами, по схеме Горнера деление многочлена f ( x) на х-2 , во второй строке мы получим коэффициенты многочлена g ( x). Затем эту вторую строку считаем первой строкой новой системы Горнера и выполняем деление g ( x) на х-2 и т.д. продолжаем вычисления до тех нор, пока не получим остаток, отличный от нуля. В этом случае кратность корня равна числу полученных нулевых остатков. В строке, содержащей последний ненулевой остаток, находится и коэффициенты частного при делении f ( x) на (x-2) ³ .

Теперь, используя только что предложенную схему проверки корня на кратность, решим следующую задачу. При каких a и b многочлен f ( x) = x⁴ +2 x³ + ax² + ( a+ b) x+2 имеет число - 2 корнем кратности 2?

Так как кратность корня - 2 должна быть равна 2, то, выполняя деление на х+2 по предложенной схеме, мы должны два раза получить остаток 0, а в третий раз - остаток, отличный от нуля. Имеем:

Таблица 9.

1	2	a	a+b	2
-2		1	0	a	-a+b	2a-2b+2
-2	1		-2	а+4	-3a+b-8
-2	1		-4	а+12

Таким образом, число - 2 является корнем кратности 2 исходного многочлена тогда и только тогда, когда

Отсюда получаем: a=-7/2, b=-5/2 .

Рациональные корни многочлена

Как мы уже отмечали, одной из важнейших задач в теории многочленов является задача отыскания их корней. Для решения этой задачи можно использовать метод подбора, т.е. брать наугад число и проверять, является ли оно корнем данного многочлена.

При этом можно довольно быстро "натолкнуться" на корень, а можно и никогда его не найти. Ведь проверить все числа невозможно, так как их бесконечно много.

Другое дело, если бы нам удалось сузить область поиска, например знать, что искомые корни находятся, скажем, среди тридцати указанных чисел. А для тридцати чисел можно и проверку сделать. В связи со всем сказанным выше важным и интересным представляется такое утверждение.

Если несократимая дробь l/ m ( l, m- целые числа) является корнем многочлена f ( x) с целыми коэффициентами, то старший коэффициент этого многочлена делится на m, а свободный член - на 1.

В самом деле, если f ( x) = a_n xⁿ + a_n _-1 xⁿ ^-1 +... +a₁ x+a0, a_n ≠0 , где a_n , a_n-1 ,...,a₁ , a₀ - целые числа, то f (l/m) =0 , т.е.

а _n (l/m) ⁿ +a_n-1 (l/m) ^n-1 +... + a₁ l/ m+ a₀ =0.

Умножим обе части этого равенства на mⁿ . Получим

a_n lⁿ +a_n-1 l^n-1 m+... +a₁ lm^n-1 +a₀ mⁿ =0 .

Отсюда следует

a_n lⁿ =m (-a_n-1 l^n-1 -... - a₁ lm^n-2 -a₀ m^n-1 ).

Видим, что целое число a_n lⁿ делится на m . Но l/ m - несократимая дробь, т.е. числа l и m взаимно просты, а тогда, как известно из теории делимости целых чисел, числа lⁿ и m тоже взаимно просты. Итак, a_n lⁿ делится на m и m взаимно просты с lⁿ , значит, a_n делится на m .

Доказанная тема позволяет значительно сузить область поиска рациональных корней многочлена с целыми коэффициентами. Продемонстрируем это на конкретном примере. Найдем рациональные корни многочлена f ( x) =6 x⁴ +13 x² -24 x² -8 x+8 . Согласно теореме, рациональные корни этого многочлена находятся среди несократимых дробей вида l/ m , где l - делитель свободного члена a₀ =8 , а m - делитель старшего коэффициента a₄ =6 . при этом, если дробь l/ m - отрицательная, то знак "-" будем относить к числителю. Например, - (1/3) = (-1) /3. Значит, мы можем сказать, что l - делитель числа 8, а m- положительный делитель числа 6.

Так как делители числа 8 - это ±1, ±2, ±4, ±8, а положительными делителями числа 6 будут 1, 2, 3, 6, то рациональные корни рассматриваемого многочлена находятся среди чисел ±1, ±1/2, ±1/3, ±1/6, ±2, ±2/3, ±4, ±4/3, ±8, ±8/3. напомним, что мы выписали лишь несократимые дроби.

Таким образом, мы имеем двадцать чисел - "кандидатов" в корни. Осталось только проверить каждое из них и отобрать те, которые действительно являются корнями. Но опять-таки придется сделать довольно много проверок. А вот следующая теорема упрощает эту работу.

Если несократимая дробь l/ m является корнем многочлена f ( x) с целыми коэффициентами, то f ( k) делится на l- km для любого целого числа k при условии, что l- km≠0.

Для доказательства этой теоремы разделимf ( x) на x- k с остатком. Получим f ( x) = ( x- k) s ( x) + f ( k). Так как f ( x) - многочлен с целыми коэффициентами, то таким является многочлен s ( x), а f ( k) - целое число. Пусть s ( x) = b_n _-1 + b_n _-2 +…+ b₁ x+ b₀ . Тогда f ( x) - f ( k) = ( x- k) ( b_n _-1 xⁿ ^- 1+ b_n _-2 xⁿ ^-2 + …+ b₁ x+ b₀ ). Положим в этом равенстве x=l/m. Учитывая, что f ( l/ m) =0 , получаем

f (k) = ( (l/m) - k) (b_n-1 (l/m) ^n-1 +b_n-2 (l/m) ^n-2 +…+b₁ (l/m) +b₀ ).

Умножим обе части последнего равенства на mⁿ :

mⁿ f ( k) = ( l- km) ( b_n _-1 lⁿ ^-1 + b_n _-2 lⁿ ^-2 m+…+ b₁ lmⁿ ^-2 + b₀ mⁿ ^-1 ).

Отсюда следует, что целое число mⁿ f ( k) делится на l- km . Но так как l и m взаимно просты, то mⁿ и l- km тоже взаимно просты, а значит, f ( k) делится на l- km . Теорема доказана.

Вернемся теперь к нашему примеру и, использовав доказанную теорему, еще больше сузим круг поисков рациональных корней. Применим указанную теорему при k=1 и k=-1 , т.е. если несократимая дробь l/ m является корнем многочлена f ( x), то f (1) / ( l- m), а f (-1) / ( l+ m). Легко находим, что в нашем случае f (1) =-5 , а f (-1) =-15 . Заметим, что заодно мы исключили из рассмотрения ±1 .

Итак рациональные корни нашего многочлена следует искать среди чисел ±1/2, ±1/3, ±1/6, ±2, ±2/3, ±4, ±4/3, ±8, ±8/3.

Рассмотрим l/ m=1/2 . Тогда l- m=-1 и f (1) =-5 делится на это число. Далее, l+ m=3 и f (1) =-15 так же делится на 3. Значит, дробь 1/2 остается в числе "кандидатов" в корни.

Пусть теперь l\ m=- (1/2) = (-1) /2 . В этом случае l- m=-3 и f (1) =-5 не делится на - 3. Значит, дробь - 1/2 не может быть корнем данного многочлена, и мы исключаем ее из дальнейшего рассмотрения. Выполним проверку для каждой из выписанных выше дробей, получим, что искомые корни находятся среди чисел 1/2, ±2/3, 2, - 4.

Таким образом, довольно-таки простым приемом мы значительно сузили область поиска рациональных корней рассматриваемого многочлена. Ну, а для проверки оставшихся чисел применим схему Горнера:

Таблица 10.

6	13	-24	-8	8
1/2	6	16	-16	-16	0

Видим, что 1/2 - корень многочлена f ( x) и f ( x) = ( x-1/2) (6 x³ +16 x² -16 x-16) = (2 x-1) (3 x³ +8 x² -8 x-8). Ясно, что все другие корни многочлена f ( x) совпадают с корнями многочлена g ( x) =3 x³ +8 x² -8 x-8, а значит, дальнейшую проверку "кандидатов" в корни можно проводить уже для этого многочлена. При этом мы несколько выиграем по времени в вычислениях, так как проверку будем выполнять для более "короткого" многочлена. Находим:

Таблица 11.

3	8	-8	-8
2/3	3	10	-4/3	-80/9

Получили, что остаток при делении g ( x) на x-2/3 равен - 80/9, т.е.2/3 не является корнем многочлена g ( x), а значит, и f ( x).

Далее легко находим, что - 2/3 - корень многочлена g ( x) и g ( x) = (3 x+2) ( x² +2 x-4). Тогда f ( x) = (2 x-1) (3 x+2) ( x² +2 x-4). Дальнейшую проверку можно проводить для многочлена x² +2 x-4 , что, конечно, проще, чем для g ( x) или тем более для f ( x). В результате получим, что числа 2 и - 4 корнями не являются.

Итак, многочлен f ( x) =6 x⁴ +13 x³ -24 x² -8 x+8 имеет два рациональных корня: 1/2 и - 2/3.

Напомним, что описанный выше метод дает возможность находить лишь рациональные корни многочлена с целыми коэффициентами. Между тем, многочлен может иметь и иррациональные корни. Так, например, рассмотренный в примере многочлен имеет еще два корня: - 1±√5 (это корни многочлена х² +2х-4 ). А, вообще говоря, многочлен может и вовсе не иметь рациональных корней.

Теперь дадим несколько советов.

При испытании "кандидатов" в корни многочлена f ( x) с помощью второй из доказанных выше теорем обычно используют последнюю для случаев k=±1 . Другими словами, если l/ m - "кандидат" в корни, то проверяют, делится ли f (1) и f (-1) на l- m и l+ m соответственно. Но может случится, что, например, f (1) =0 , т.е.1 - корень, а тогда f (1) делится на любое число, и наша проверка теряет смысл. В этом случае следует разделить f ( x) на x-1 , т.е. получить f ( x) = ( x-1) s ( x), и проводить испытания для многочлена s ( x). При этом не следует забывать, что один корень многочлена f ( x) - x₁ =1 - мы уже нашли.

Если при проверке "кандидатов" в корни, оставшиеся после использования второй теоремы о рациональных корнях, по схеме Горнера получим, что, например, l/m- корень, то следует найти его кратность. Если она равна, скажем, k , то f ( x) = ( x- l/ m) ^k s ( x), и дальнейшую проверку можно выполнять для s ( x), что сокращает вычисления.

Таким образом, мы научились находить рациональные корни многочлена с целыми коэффициентами. Оказывается, что тем самым мы научились находить иррациональные корни многочлена с рациональными коэффициентами. В самом деле, если мы имеем, например, многочлен f ( x) = x⁴ +2/3 x³ +5/6 x² +3/8 x+2, то, приведя коэффициенты к общему знаменателю и внеся его за скобки, получим f ( x) =1/24 (24 x⁴ +16 x³ -20 x² +9 x+48). Ясно, что корни многочлена f ( x) совпадают с корнями многочлена, стоящего в скобках, а у него коэффициенты - целые числа. Докажем, например, что sin10⁰ - число иррациональное. Воспользуемся известной формулой sin3α=3sinα-4sin³ α. Отсюда sin30⁰ =3sin10⁰ -4sin³ 10⁰ . Учитывая, что sin30⁰ =0.5 и проводя несложные преобразования, получаем 8sin³ 10⁰ -6sin10⁰ +1=0. Следовательно, sin10⁰ является корнем многочлена f ( x) =8 x³ -6 x+1 . Если же мы будем искать рациональные корни этого многочлена, то убедимся, что их нет. Значит, корень sin10⁰ не является рациональным числом, т.е. sin10⁰ - число иррациональное.

§ 2. Задачи о многочленах

Задача 1.

Доказать, что многочлен

a₁ +a₂ x+a₃ y+a₄ xy+a₅ x² +a₆ y² +a₇ x⁴ +a₈ y⁴ +a₉ x² y² +a₁₀ xy³ +a₁₁ x³ y

не является произведением двух многочленов, одного от x , другого от y , если не один из его коэффициентов не равен нулю.

Решение .

Пусть денный многочлен является произведением многочленов P (x) и Q (y).

Так как в этом многочлене есть такие коэффициенты, как a₁₀ xy³ и a₁₁ x³ y и есть свободный член a₁ , следовательно, при произведении должны быть такие коэффициенты как mx³ +ny³ , а их нет, следовательно данный многочлен не является произведением многочленов P (x) и Q (x). ч. т.д.

Задача 2.

Многочлен с действительными коэффициентами ax² + bx+ c , a>0 имеет чисто мнимый корень. Доказать, что его можно представить в виде (Ax+ B) ² + ( Cx+ D) ² .

Решение .

Если x= i - корень многочлена, то его корнем является так же число x=- i , теперь по теореме Виета найдем b и c :

и многочлен принимает вид: ax+ a , который можно привести к нужному виду:

ч. т.д.

Задача 3.

Докажите, что многочлен x¹² - x⁹ + x⁴ - x+1 при всех действительных значениях x положителен.

Решение .

Разберем отдельно случаи при x<0 и x≥0 .

В первом случае разобьем многочлен на три слагаемых:

(1- x) + ( x⁴ - x⁹ ) + x¹² , 1- x>0 ,x⁴ - x⁹ = x⁴ (1- x⁵ ) >0, x¹² >0 , следовательно и вся сумма больше нуля.

Во втором случае представим многочлен в виде:

(x⁸ +1) ( x⁴ - x) +1, x⁸ +1>0.

Для x⁴ -х рассмотрим два случая: при х>1, x⁴ -х>0, с ледовательно и все выражение больше нуля; при х<1, - 1<x⁴ -х≤0 , а выражение x⁸ +1 чуть больше 1 , следовательно произведение - 1< ( x⁸ +1) ( x⁴ - x) ≤ .0 и вся сумма больше нуля.Ч. т.д.

Задача 4.

При каких значениях a и b многочлен x⁴ + ax³ + bx² -8 x+1 имеет точный квадрат.

Решение .

Точный квадрат имеет вид: (mx² + nx+ p) ² , возведем его в квадрат: (mx² + nx+ p) ² = m² x⁴ + ( nx+ p) ² +2 mx² ( nx+ p) = m² x⁴ + n² x² + p² +2 npx+2 mnx³ + 2 mpx² = m² x⁴ +2 mnx³ + ( n² +2 mp) x² +2 npx+ p² . Приравняем коэффициенты при одинаковых степенях.

1 случай:

2 случай:

3 случай:

4 случай:

Ответ: a₁ =-8, b₁ =18; a₂ =8, b₂ =14 .

Задача 5.

Докажите, что если многочлен a₀ xⁿ + a₁ xⁿ ^-1 + … + a_n , a₀ ≠0 при всех действительных значениях х положителен, то он представляется в виде суммы квадратов двух многочленов.

Решение.

Данный многочлен не может иметь действительных корней; следовательно, его корни являются попарно комплексно-сопряженными. Поэтому многочлен представляется в виде:

A [ ( x- α₁ ) … ( x- α_k ₎ ] [ ( x-) … ( x-)], где А>0 .

Если f ( x) - действительная часть многочлена, получающегося после раскрытия скобок в первой квадратной скобке, и g ( x) - его мнимая часть, то вторая квадратная скобка представляется в виде f ( x) - ig ( x) ( так как она комплексно-сопряжена с первой).

Данный многочлен, следовательно, равен

A [ f ( x) + ig ( x)] [ f ( x) - ig ( x)] = A [ f² ( x) + g² ( x)].

Задача 6.

Число с является корнем многочлена

f (x) =a_n xⁿ +a_n-1 x^n-1 + … + a₁ x+ a₀ . Укажите какой-либо корень многочлена на g (x) =aⁿ xⁿ -a_n _-1 xⁿ ^-1 +a_n _-2 xⁿ ^-2 + … + (-1) ⁿ a₀ .

Решение .

Так как с - корень, то

f ( c) = a_n cⁿ + a_n _-1 cⁿ ^-1 + a_n _-2 cⁿ ^-2 + … + a₁ x+ a₀ =0 .

Покажем, что -с - корень многочлена g ( x). Вычислим

g (-c) =a_n (-c) ⁿ -a_n-1 (-c) ^n-1 +a_n-2 (-c) ^n-2 - … + (-1) ⁿ a₀ .

Если n- четное число, то n-1 - нечетное, n-2 - четное, n-2 - четное и т.д. Тогда g (- c) = a_n cⁿ + a_n _-1 cⁿ ^-1 + a_n _-2 cⁿ ^-2+ … + a₀ =0 . Если же n - нечетное, то n-1 - четное, n-2 - нечетное и т.д. Тогда g (- c) =- a_n cⁿ - a_n _-1 cⁿ ^-1 - a_n _-2 cⁿ ^-2 - … - a₀ = - f ( c) =0 .

Задача 7.

Пусть многочлен f ( x) с целыми коэффициентами принимает значение, равное 5, при пяти различных целых значениях переменной х . докажите, что f ( x) не имеет целых корней.

Решение .

Пусть с₁ , с₂ , с₃ , с₄ , с₅ - такие числа, что f ( c₁ ) = f ( c₂ ) = f ( c₃ ) = f ( c₄ ) = f ( c₅ ) =5 . Рассмотрим многочлен g ( x) = f ( x) - 5 . Числа с₁ , с₂ , с₃ , с₄ , с₅ являются его корнями, а значит, f ( x) = f ( x) - 5= ( x- c₁ ) ( x- c₂ ) ( x- c₃ ) ( x- c₄ ) ( x- c₅ ) s ( x). Если теперь а - целый корень многочлена f ( x), то, положив в последнем равенстве х=а , получим - 5= ( a- c₁ ) ( a- c₂ ) ( a- c₃ ) ( a- c₄ ) ( a- c₅ ) s ( a). так как все числа с₁ , с₂ , с₃ , с₄ , с₅ различны, то различны и числа a- c₁ , a- c₂ , a- c₃ , a- c₄ , a- c₅ . Следовательно, число - 5 имеет по крайней мере пять различных целых делителей, в то время как на самом деле их только четыре: ±1, ±5. Пришли к противоречию.

Задача 8.

Пусть f ( x) - многочлен с целыми коэффициентами и несократимая дробь l/ m является его корнем. Докажите, что если: f (0), f (1) - нечетные числа, то m - четное число.

Решение.

Так как f (0) - свободный член многочлена f ( x), f (0 ) делиться на l . Отсюда следует, что l - нечетное число. Далее, так как f (1) делится на l- m , то l- m - тоже нечетное число. Отсюда следует, что разность l- ( l- m) = m - четное число.

Задача 9.

Многочлен f ( x) обладает следующим свойством: для некоторой арифметической прогрессии значения х с разностью, отличной от нуля, соответствующее значение многочлена так же образует арифметическую прогрессию.

Докажите, что ст. f ( x) ≤1 .

Решение .

Обозначим члены арифметической прогрессии, которую образуют значения х , через с₁ , с₂ , с₃ , …, а разность - через d₁ . тогда соответствующая арифметическая прогрессия значений многочлена имеет вид: f ( c₁ ), f ( c₂ ), f ( c₃ ), …; обозначим ее разность d₂ . рассмотрим многочлен g ( x) = ( d₂ / d₁ ) x+ f ( c₁ ) - ( d₂ / d₁ ) c₁ . Имеем.

g ( c₁ ) = ( d₂ / d₁ ) c₁ + f ( c₁ ) - d₂ / d₁ ) c₁ = f ( c₁ ),

g ( c₂ ) = ( d₂ / d₁ ) c₂ + f ( c₁ ) - ( d₂ / d₁ ) c₁ = f ( c₁ ) + ( d₂ / d₁ ) ( c₂ - c₁ ) = f ( c₁ ) + ( d₂ / d₁ ) d₁ = f ( c₁ ) + d₂ = f ( c₂ ).

Аналогично устанавливается, что g ( c₃ ) = f ( c₃ ), g ( c₄ ) = f ( c₄ ), …, g ( c_n ₊₁ ) = f ( c_n ₊₁ ). Таким образом f ( x) и g ( x) принимают одинаковые значения при x= c1, с2, с3, …, с _n , а значит, f ( x) = g ( x). Тогда ст. f ( x) =ст. g ( x) ≤1 (если d₂ =0 , то g ( x) - многочлен нулевой степени).

Задача 10 .

Найдите степень многочлена f (x), если, f (x) = (a² -4) x³ + (a-2) x² +3.

Решение .

Если a² -4≠0 , т.е. a≠±2 , то ст. f ( x) =3 . Осталось рассмотреть случаи a=-2 и a=2 . Если a=-2 , то f ( x) =-4 x2+3 , т.е. ст. f ( x) =2 . Если a=2 , то f ( x) =3 , т.е. ст. f ( x) =0 .

Задача 11.

Найдите многочлен второй степени f ( x), если, f (1) =1 , f (2) =2 , f (3) =5 .

Решение . Многочлен второй степени имеет вид f ( x) = ax² + bx+ c . Вычислив f (1), f (2), f (3), получим

Решив эту систему, найдем: a=1 , b=-2 , c=2 , т.е. f ( x) = x² -2 x+2 .

Задача 12.

Даны многочлены f ( x) = x³ -2 x² +3 и g ( x) = x² - x+2 . Найдите f ( g (1)).

Решение.

Вычислим сначала g (1) =1² -1+2=2 . Тогда f ( g (1)) = f (2) =2³ -2×2² +3=3 .

Задача 13.

Даны многочлены f ( x) и g ( x), причем ст. ( f ( x) g ( x)) =5 и ст. (f ( x) + g ( x)) =3 . Найдите ст. f ( x) и ст. g ( x).

Решение .

Из условий задачи следует, что ст. f ( x) + ст. g ( x) =5 . Значит, возможны следующие случаи:

ст. f ( x) =0 , ст. g ( x) =5 ;

ст. f ( x) =1 , ст. g ( x) =4 ;

ст. f ( x) =2 , ст. g ( x) =3 ;

ст. f ( x) =3 , ст. g ( x) =2 ;

ст. f ( x) =4 , ст. g ( x) =1 ;

ст. f ( x) =5 , ст. g ( x) =0 .

Если допустить, что ст. f ( x) =0 , ст. g ( x) =5 , то легко заметить, что ст. (f ( x) + g ( x)) =5 . Значит, случай 1 невозможен. Аналогично и в случаях 2, 5,6. Таким образом, либо ст. f ( x) =2 и ст. g ( x) =0 , или наоборот.

Задача 14.

Укажите такой многочлен f ( x), для которого числа - 1, 2, 3, 5 являются корнями.

Решение .

f ( x) = ( x+1) ( x-2) ( x-3) ( x-5).

Задача 15.

Укажите такой многочлен f ( x), который при x=1, 2, 3, 4, 5 принимает значение, равное 7.

Решение.

f ( x) = ( x-1) ( x-2) ( x-3) ( x-4) ( x-5) +7 .

Задача 16.

Найдите f ( g ( x)), g ( f ( x)) и f ( f ( x)), если f ( x) =2 x-1 , а g ( x) = x³ +2 x+3 .

Решение.

f ( g ( x)) =2 ( x³ +2 x+3) - 1; g ( f ( x)) = (2 x-1) ³ +2 (2 x-1) +3; f ( f ( x) =2 (2 x-1) - 1.

Задача 17.

Докажите, что cos 20⁰ является иррациональным числом.

Решение.

Воспользуемся известной формулой cos3 α=4 cos³ α-3 cosα . Отсюда cos60⁰ =4 cos³ 20⁰ -3 cos20⁰ . Учитывая, что cos60⁰ =0.5 и проводя несложные преобразования, получаем 8 cos³ 20⁰ -6 cos20⁰ -1=0 . Следовательно, cos20⁰ является корнем многочлена f ( x) =8 x³ -6 x-1 . Если же мы будем искать рациональные корни этого многочлена, то убедимся, что их нет. Значит, корень cos20⁰ не является рациональным числом, т.е. cos20⁰ - число иррациональное.

Задача 18.

Докажите, что уравнение x⁴ -3 x³ y= y⁴ не имеет решений в целых числах, отличных от нуля.

Решение.

Допустим, что уравнение имеет решение в целых числах x= a , y= b , отличных от нуля, т.е. a⁴ -3 a³ b= b⁴ . Так как b≠0 , то разделим обе части полученного равенства на b⁴ . Тогда (a/ b) ⁴ -3 ( a/ b) - 1=0 . Таким образом, a/ b - рациональный корень многочлена f ( t) = t⁴ -3 t³ -1 . Но, как легко убедиться, f ( t) рациональных корней не имеет. Получили противоречие, а значит, наше допущение неверно.

Заключение

Я изучила теорию о многочленах. В ней специально был подобран интересный материал, который не встречается в школьном курсе, а если и встречается, то менее ярко преподносится. В эту курсовую работу было внесено много примеров и задач, включая олимпиадные, которые помогают лучше понять данный материал.

Важно не научить, а увлечь предметом школьника. Если это удастся, то ребенок сам будет изучать те аспекты предмета, которые не предусмотрены школьным курсом.

Думаю, данная работа может послужить методическим пособием для проведения краткого факультатива, но нужно учитывать, что единой системы преподавания этой темы на сегодняшний день нет.

Список литературы

1. В.В. Деменчук "Многочлены и микроколькулятор". Минск, "Высшая школа", 1988г.

2. А.И. Кострикин "Введение в алгебру". Москва, "Физматлит", 2001г.

3. А.Г. Курош "Курс высшей алгебры". Санкт-Петербург, "Лань", 2003г.

4. А.А. Прокофьев, И.Б. Кожухов "Универсальный справочник по математике школьникам и абитуриентам ". Москва, "Лист Нью", 2003г.

5. "Сборник задач московских математических олимпиад". Москва, "Просвещение", 1965г.

Курсовая работа: Корни многочленов от одной переменной

Похожие рефераты: