你能用實數寫出的最簡單的非常數函式,就是多項式(polynomial)。它們只需要反覆的加法與乘法——不需要除法、平方根,也不需要任何無窮過程。這種簡單看似平凡,實則暗藏深意:多項式算術支撐著分析學的很大一部分,而仔細掌握它,既能為嚴格定義做熱身,也能為你在整個數學學習中不斷取用的工具箱添磚加瓦。
定義與術語
定義。 R 上次數(degree)為 n 的多項式是形如
p(x) \;\coloneqq\; a_n x^n + a_{n-1}x^{n-1} + \cdots + a_1 x + a_0 \tag{1}
的函式 p:R→R,其中 n∈Z≥0,每個 ak∈R,且 an=0。係數 an 稱為首項係數(leading coefficient),a0 稱為常數項(constant term),各加項 akxk 稱為項(terms)。
次數較小的多項式有其傳統名稱:
| 次數 n | 名稱 | 範例 |
|---|
| 0 | 常數式 | p(x)=7 |
| 1 | 一次式(線性) | p(x)=3x−2 |
| 2 | 二次式(二次函式) | p(x)=x2−5x+6 |
| 3 | 三次式 | p(x)=2x3+x−1 |
零多項式 p(x)=0(所有係數皆為零)不定義次數——或在某些約定中賦予次數 −∞,以使乘積公式 deg(p⋅q)=degp+degq 成立。
直觀上,次數刻畫了多項式在遠離原點處的主要行為:當 ∣x∣ 很大時,p(x) 大約以 anxn 的速度增長,其圖形與 x 軸的交點或切點至多 n 個。
多項式的算術
加法與純量乘法
給定多項式 p(x)=∑k=0makxk 與 q(x)=∑k=0nbkxk,其和 p+q 是係數為 ak+bk 的多項式(較短的多項式以零補齊)。當 degp=degq 時,和的次數為 max(degp,degq);當次數相等時,首項可能相消,所以 deg(p+q)≤degp。
將 p 的每個係數都乘以常數 c∈R,得到純量倍(scalar multiple) c⋅p,在 c=0 時次數不變。
乘法
將 p 的每一項與 q 的每一項分別相乘再合併,得到乘積:
(p⋅q)(x)=∑k=0m+n(∑i+j=k0≤i≤m,0≤j≤naibj)xk.
最高次項為 ambnxm+n。由於 am=0 且 bn=0,此項不為零,因此
deg(p⋅q)=degp+degq.
環 R[x]
所有 R 上多項式的集合,配備上述加法與乘法,記作 R[x],構成一個有單位元的交換環(commutative ring with unity):加法與乘法皆滿足結合律與交換律,乘法對加法有分配律,零多項式是加法單位元,常數多項式 1 是乘法單位元。這與整數環 Z 有深刻的類比——就像在 Z 中一樣,可以做帶餘除法,但並非每個元素在環內都有乘法逆元。
多項式除法
除法演算法
就像任何整數 a 都能寫成 a=d⋅q+r(其中 0≤r<d),每對多項式也可以做唯一的帶餘除法。
定理(多項式除法演算法)。 對任意 p,d∈R[x] 且 d=0,存在唯一的多項式 q(商式)和 r(餘式)滿足
p(x) = d(x)\,q(x) + r(x), \qquad \deg r < \deg d. \tag{2}
當 r=0 時,稱 d 整除 p,記作 d∣p。
證明是建構性的:每一步用 d 的適當倍式消去當前被除式的首項,再對餘式重複此過程。餘式的次數在每一步都嚴格遞減,所以過程必然終止。
舉一個快速例子,將 p(x)=x3−2x+1 除以 d(x)=x−1:
- x3/x=x2。減去 x2(x−1)=x3−x2,剩餘 x2−2x+1。
- x2/x=x。減去 x(x−1)=x2−x,剩餘 −x+1。
- −x/x=−1。減去 −1⋅(x−1)=−x+1,剩餘 0。
因此 x3−2x+1=(x−1)(x2+x−1)+0,確認 (x−1)∣(x3−2x+1)。
餘式定理與因式定理
這兩個結果將除法算術與多項式在某點的求值聯繫起來。
餘式定理
定理。 對任意 p∈R[x] 及任意 a∈R,p 除以 (x−a) 的餘式為常數 p(a)。
證明。 以 (x−a)(次數為 1)為除式應用除法演算法。由於餘式的次數必須小於 1,餘式是某個常數 c。寫出 p(x)=(x−a)q(x)+c 並代入 x=a,得 p(a)=0⋅q(a)+c=c。
餘式定理將求餘式轉化為函數求值——無需做長除法。例如,p(x)=x10−3x+2 除以 (x−1) 的餘式為 p(1)=1−3+2=0。
因式定理
定理。 (x−a)∣p(x) 若且唯若 p(a)=0。
證明。 由餘式定理,(x−a) 整除 p 若且唯若餘式 p(a) 等於零。
滿足 p(a)=0 的值 a 稱為 p 的根(root)(或零點(zero))。因式定理使求根與因式分解成為同一枚硬幣的兩面:找到根 a 立即得到因式 (x−a)。
根與重數
一旦確認 a 是根,可以進一步問 (x−a) 整除 p 的「強度」。
定義。 p 的根 a 的重數(multiplicity) m≥1 定義為:
(x−a)m∣p(x)但(x−a)m+1∤p(x).
重數為 1 的根稱為單根(simple root);重數為 2 稱為二重根(double root);依此類推。重數決定了圖形在 a 處的局部形狀:
- 奇數重數:圖形在 a 處穿越 x 軸(m=1 時為橫截,m≥3 時帶有反曲點形狀)。
- 偶數重數:圖形在 a 處切觸 x 軸而不穿越(反彈)。
例如,p(x)=(x−2)3(x+1) 在 x=2 有三重根,在 x=−1 有單根。圖形在 x=−1 處穿越,在 x=2 處以反曲形式切觸。
代數基本定理
以上定理刻畫了已知的個別根。以下定理告訴你根的總數。
定理(代數基本定理)。 每個具有實(或複)係數的非常數多項式,在 C 中至少有一個根。
此定理在此不予證明;其建立需要複分析或拓撲學,均超出當前的先備知識範圍。其威力在於可以反覆應用:給定次數為 n≥1 的 p,該定理提供根 z1∈C。由因式定理得 p(x)=(x−z1)p1(x),其中 degp1=n−1。對 p1 再次應用定理,如此反覆,直到所有 n 個因式都被取出。因此:
次數為 n(n≥1)的多項式,在 C 中計重數後恰好有 n 個根。
在 R 上的因式分解
在 R 上,未必能找到 n 個實根——例如 x2+1 就沒有實根。然而,實係數多項式的複根必定成共軛對出現:若 α+βi(β=0)是 p∈R[x] 的根,則 α−βi 也是。原因是:對等式 p(α+βi)=0 取複共軛;由於所有係數均為實數,共軛運算與 p 可交換,從而得 p(α−βi)=0=0。
將一對共軛根對應的兩個一次因式相乘:
(x−(α+βi))(x−(α−βi))=x2−2αx+(α2+β2).
這是一個判別式 (2α)2−4(α2+β2)=−4β2<0 的實係數二次式,因此沒有實根,在 R 上不可分解(irreducible)。
定理(實係數因式分解)。 每個次數 n≥1 的 p∈R[x] 都能唯一分解為
p(x)=an∏i=1s(x−ri)mi∏j=1t(x2+bjx+cj)ej,
其中每個 ri∈R 是重數為 mi 的實根,每個 x2+bjx+cj 是來自共軛複數對的不可分解實係數二次式(bj2−4cj<0),且 i∑mi+2j∑ej=n。
這一分解是部分分式分解的關鍵成分,在積分有理函式時會遇到。
超越多項式
多項式在加法、減法、乘法下封閉,但對除法不封閉:1/x 不是多項式。自然的延伸是有理函式(rational functions) q(x)p(x)(q≡0)的類,可以用多項式長除法和上述實係數分解來分析。超越有理函式之後,需要真正全新的構造——指數函數(exponential functions)和對數函數(logarithmic functions)——它們無法由有限次算術運算建構;詳見指數函數。
摘要
- R 上次數為 n 的多項式是 p(x)=anxn+⋯+a0,an=0;特殊名稱:次數 0(常數式)、1(一次式)、2(二次式)、3(三次式)。
- 集合 R[x] 構成交換環:和的次數 ≤max(degp,degq);乘積的次數 deg(p⋅q)=degp+degq。
- 除法演算法:對任意非零 d,存在唯一的 q 和 r 使 p=dq+r 且 degr<degd。
- 餘式定理:p 除以 (x−a) 的餘式為 p(a)。
- 因式定理:(x−a)∣p 若且唯若 p(a)=0。
- 根 a 的重數 m 滿足 (x−a)m∣p 但 (x−a)m+1∤p;重數的奇偶決定圖形在 a 處穿越還是切觸 x 軸。
- 代數基本定理:每個非常數多項式至少有一個複根;次數為 n 的多項式在 C 中計重數後恰好有 n 個根。
- 在 R 上,每個多項式都能分解為一次因式 (x−ri)(對應實根)與不可分解二次因式 x2+bjx+cj(bj2−4cj<0,對應共軛複數對)之積。