多項式函數(Polynomial Functions)

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最後更新: 標籤: 初等函數

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\mathbb{R}次數(degree)nn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 ⁣:RRp \colon \mathbb{R} \to \mathbb{R},其中 nZ0n \in \mathbb{Z}_{\geq 0},每個 akRa_k \in \mathbb{R},且 an0a_n \neq 0。係數 ana_n 稱為首項係數(leading coefficient)a0a_0 稱為常數項(constant term),各加項 akxka_k x^k 稱為項(terms)

次數較小的多項式有其傳統名稱:

次數 nn名稱範例
00常數式p(x)=7p(x) = 7
11一次式(線性)p(x)=3x2p(x) = 3x - 2
22二次式(二次函式)p(x)=x25x+6p(x) = x^2 - 5x + 6
33三次式p(x)=2x3+x1p(x) = 2x^3 + x - 1

零多項式 p(x)=0p(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 -\infty,以使乘積公式 deg(pq)=degp+degq\deg(p \cdot q) = \deg p + \deg q 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|x| 很大時,p(x)p(x) 大約以 anxna_n x^n 的速度增長,其圖形與 xx 軸的交點或切點至多 nn 個。

多項式的算術

加法與純量乘法

給定多項式 p(x)=k=0makxkp(x) = \sum_{k=0}^{m} a_k x^kq(x)=k=0nbkxkq(x) = \sum_{k=0}^{n} b_k x^k,其 p+qp + q 是係數為 ak+bka_k + b_k 的多項式(較短的多項式以零補齊)。當 degpdegq\deg p \neq \deg q 時,和的次數為 max(degp,degq)\max(\deg p, \deg q);當次數相等時,首項可能相消,所以 deg(p+q)degp\deg(p+q) \leq \deg p

pp 的每個係數都乘以常數 cRc \in \mathbb{R},得到純量倍(scalar multiple) cpc \cdot p,在 c0c \neq 0 時次數不變。

乘法

pp 的每一項與 qq 的每一項分別相乘再合併,得到乘積

(pq)(x)  =  k=0m+n ⁣(i+j=k0im,0jnaibj)xk.(p \cdot q)(x) \;=\; \sum_{k=0}^{m+n}\!\left(\sum_{\substack{i+j=k \\ 0 \leq i \leq m,\; 0 \leq j \leq n}} a_i b_j\right) x^k.

最高次項為 ambnxm+na_m b_n x^{m+n}。由於 am0a_m \neq 0bn0b_n \neq 0,此項不為零,因此

deg(pq)=degp+degq.\deg(p \cdot q) = \deg p + \deg q.

R[x]\mathbb{R}[x]

所有 R\mathbb{R} 上多項式的集合,配備上述加法與乘法,記作 R[x]\mathbb{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 11 是乘法單位元。這與整數環 Z\mathbb{Z} 有深刻的類比——就像在 Z\mathbb{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 aa 都能寫成 a=dq+ra = d \cdot q + r(其中 0r<d0 \leq 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,dR[x]p, d \in \mathbb{R}[x]d0d \neq 0,存在唯一的多項式 qq商式)和 rr餘式)滿足

p(x) = d(x)\,q(x) + r(x), \qquad \deg r < \deg d. \tag{2}

r=0r = 0 時,稱 dd 整除 pp,記作 dpd \mid p

證明是建構性的:每一步用 dd 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)=x32x+1p(x) = x^3 - 2x + 1 除以 d(x)=x1d(x) = x - 1

  1. x3/x=x2x^3 / x = x^2。減去 x2(x1)=x3x2x^2(x-1) = x^3 - x^2,剩餘 x22x+1x^2 - 2x + 1
  2. x2/x=xx^2 / x = x。減去 x(x1)=x2xx(x-1) = x^2 - x,剩餘 x+1-x + 1
  3. x/x=1-x / x = -1。減去 1(x1)=x+1-1 \cdot (x-1) = -x+1,剩餘 00

因此 x32x+1=(x1)(x2+x1)+0x^3 - 2x + 1 = (x-1)(x^2 + x - 1) + 0,確認 (x1)(x32x+1)(x-1) \mid (x^3 - 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 pR[x]p \in \mathbb{R}[x] 及任意 aRa \in \mathbb{R}pp 除以 (xa)(x - a) 的餘式為常數 p(a)p(a)

證明。(xa)(x - a)(次數為 11)為除式應用除法演算法。由於餘式的次數必須小於 11,餘式是某個常數 cc。寫出 p(x)=(xa)q(x)+cp(x) = (x-a)\,q(x) + c 並代入 x=ax = a,得 p(a)=0q(a)+c=cp(a) = 0 \cdot 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)=x103x+2p(x) = x^{10} - 3x + 2 除以 (x1)(x - 1) 的餘式為 p(1)=13+2=0p(1) = 1 - 3 + 2 = 0

因式定理

定理。 (xa)p(x)(x - a) \mid p(x) 若且唯若 p(a)=0p(a) = 0

證明。 由餘式定理,(xa)(x-a) 整除 pp 若且唯若餘式 p(a)p(a) 等於零。

滿足 p(a)=0p(a) = 0 的值 aa 稱為 pp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 aa 立即得到因式 (xa)(x-a)

根與重數

一旦確認 aa 是根,可以進一步問 (xa)(x-a) 整除 pp 的「強度」。

定義。 pp 的根 aa重數(multiplicity) m1m \geq 1 定義為:

(xa)mp(x)(xa)m+1p(x).(x - a)^m \mid p(x) \quad \text{但} \quad (x - a)^{m+1} \nmid p(x).

重數為 11 的根稱為單根(simple root);重數為 22 稱為二重根(double root);依此類推。重數決定了圖形在 aa 處的局部形狀:

  • 奇數重數:圖形在 aa 處穿越 xx 軸(m=1m=1 時為橫截,m3m \geq 3 時帶有反曲點形狀)。
  • 偶數重數:圖形在 aa 處切觸 xx 軸而不穿越(反彈)。

例如,p(x)=(x2)3(x+1)p(x) = (x-2)^3(x+1)x=2x = 2 有三重根,在 x=1x = -1 有單根。圖形在 x=1x = -1 處穿越,在 x=2x = 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\mathbb{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 n1n \geq 1pp,該定理提供根 z1Cz_1 \in \mathbb{C}。由因式定理得 p(x)=(xz1)p1(x)p(x) = (x-z_1)\,p_1(x),其中 degp1=n1\deg p_1 = n-1。對 p1p_1 再次應用定理,如此反覆,直到所有 nn 個因式都被取出。因此:

次數為 nnn1n \geq 1)的多項式,在 C\mathbb{C} 中計重數後恰好有 nn 個根

R\mathbb{R} 上的因式分解

R\mathbb{R} 上,未必能找到 nn 個實根——例如 x2+1x^2 + 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\alpha + \beta iβ0\beta \neq 0)是 pR[x]p \in \mathbb{R}[x] 的根,則 αβi\alpha - \beta i 也是。原因是:對等式 p(α+βi)=0p(\alpha + \beta i) = 0 取複共軛;由於所有係數均為實數,共軛運算與 pp 可交換,從而得 p(αβi)=0=0p(\alpha - \beta i) = \overline{0} = 0

將一對共軛根對應的兩個一次因式相乘:

(x(α+βi))(x(αβi))=x22αx+(α2+β2).(x - (\alpha + \beta i))(x - (\alpha - \beta i)) = x^2 - 2\alpha x + (\alpha^2 + \beta^2).

這是一個判別式 (2α)24(α2+β2)=4β2<0(2\alpha)^2 - 4(\alpha^2 + \beta^2) = -4\beta^2 < 0 的實係數二次式,因此沒有實根,在 R\mathbb{R}不可分解(irreducible)

定理(實係數因式分解)。 每個次數 n1n \geq 1pR[x]p \in \mathbb{R}[x] 都能唯一分解為

p(x)=ani=1s(xri)mij=1t(x2+bjx+cj)ej,p(x) = a_n \prod_{i=1}^{s}(x - r_i)^{m_i} \prod_{j=1}^{t}(x^2 + b_j x + c_j)^{e_j},

其中每個 riRr_i \in \mathbb{R} 是重數為 mim_i 的實根,每個 x2+bjx+cjx^2 + b_j x + c_j 是來自共軛複數對的不可分解實係數二次式(bj24cj<0b_j^2 - 4c_j < 0),且 imi+2jej=n\displaystyle\sum_i m_i + 2\sum_j e_j = 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/x1/x 不是多項式。自然的延伸是有理函式(rational functions) p(x)q(x)\tfrac{p(x)}{q(x)}q≢0q \not\equiv 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\mathbb{R} 上次數為 nn多項式p(x)=anxn++a0p(x) = a_n x^n + \cdots + a_0an0a_n \neq 0;特殊名稱:次數 00(常數式)、11(一次式)、22(二次式)、33(三次式)。
  • 集合 R[x]\mathbb{R}[x] 構成交換環:和的次數 max(degp,degq)\leq \max(\deg p, \deg q);乘積的次數 deg(pq)=degp+degq\deg(p \cdot q) = \deg p + \deg q
  • 除法演算法:對任意非零 dd,存在唯一的 qqrr 使 p=dq+rp = d\,q + rdegr<degd\deg r < \deg d
  • 餘式定理pp 除以 (xa)(x - a) 的餘式為 p(a)p(a)
  • 因式定理(xa)p(x - a) \mid p 若且唯若 p(a)=0p(a) = 0
  • aa重數 mm 滿足 (xa)mp(x-a)^m \mid p(xa)m+1p(x-a)^{m+1} \nmid p;重數的奇偶決定圖形在 aa 處穿越還是切觸 xx 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 nn 的多項式在 C\mathbb{C} 中計重數後恰好有 nn 個根。
  • R\mathbb{R} 上,每個多項式都能分解為一次因式 (xri)(x - r_i)(對應實根)與不可分解二次因式 x2+bjx+cjx^2 + b_j x + c_jbj24cj<0b_j^2 - 4c_j < 0,對應共軛複數對)之積。