跳至主要內容

Chapter 4 多项式

Youmans Yu原创线性代数学习笔记Linear Algebra大约 3 分钟

线性代数学习笔记第四章,参考教材为《Linear Algebra Done Right》。

复共轭和绝对值

  • 实部和虚部
    设z=a+biz=a+bi,其中a,b∈Ra,b\in\bf R

    • zz的实部定义为Re z=a\text{Re}\ z=a
    • zz的虚部定义为Im z=b\text{Im}\ z=b
  • 复共轭和绝对值
    设z∈Cz\in\bf C

    • 复共轭:zˉ=Re z−(Im) zi\bar z=\text{Re}\ z-(\text{Im})\ zi

    z=zˉz=\bar z当且仅当z∈Rz\in\bf R

    • 绝对值:∣z∣=(Re z)2+(Im z)2|z|=\sqrt{(\text{Re}\ z)^2+(\text{Im}\ z)^2}
  • 复数的性质

    • z+zˉ=2 Re zz+\bar z=2\ \text{Re}\ z
    • z−zˉ=2 Im zz-\bar z=2\ \text{Im}\ z
    • zzˉ=∣z∣2z\bar z=|z|^2
    • w+z‾=wˉ+zˉ\overline{w+z}=\bar w+\bar z, wz‾=wˉzˉ\overline{wz}=\bar w\bar z
    • zˉˉ=z\bar{\bar z}=z
    • ∣Re z∣≤∣z∣|\text{Re}\ z|\leq|z|, ∣Im z∣≤∣z∣|\text{Im}\ z|\leq|z|
    • ∣z∣=∣zˉ∣|z|=|\bar z|
    • ∣wz∣=∣w∣∣z∣|wz|=|w||z|
    • ∣w+z∣≤∣w∣+∣z∣|w+z|\leq|w|+|z|

多项式系数的唯一性

对于函数p:F→Fp:\bf F\rightarrow\bf F,若存在a0,...,am∈Fa_0,...,a_m\in\bf F使得对于所有z∈Fz\in\bf F:

p(z)=a0+a1z+...+anzn p(z)=a_0+a_1z+...+a_nz^n

称函数pp为系数在F\bf F中的多项式

  • 若一个多项式是零函数,则其所有系数均为00
    这样的结果指明多项式的系数是唯一确定的,因为若一个多项式有两组不同的系数,则该多项式的两个表达式相减与上述结果是矛盾的.
  • 定义多项式00的次数为负无穷

多项式的带余除法

设p,s∈P(F),s≠0p,s\in\mathcal P(\bf F),s\neq 0,则存在唯一的多项式q,r∈P(F)q,r\in\mathcal P(\bf F)s.t.

p=sq+r p=sq+r

且deg r<deg s\text{deg}\ r<\text{deg}\ s

proof:
n=deg p, m=deg sn=\text{deg}\ p,\ m=\text{deg}\ s.
n<mn<m显然易证,因此不妨n≥mn\geq m
def: T:Pn−m(F)×Pm−1(F)→Pn(F)T:\mathcal P_{n-m}(\bf F)\times\mathcal P_{m-1}(\bf F)\rightarrow\mathcal P_{n}(\bf F)为:T(q,r)=sq+rT(q,r)=sq+r
显然其是一个线性映射.令sq+r=0sq+r=0,若不满足q=0q=0和s=0s=0,那么deg sq≥m\text{deg}\ sq\geq m不可能等于ss.因此nul T=0\text{nul}\ T=0.
又dim(Pn−m(F)×Pm−1(F))=n+1\text{dim}(\mathcal P_{n-m}(\bf F)\times \mathcal P_{m-1}(\bf F))=n+1
因此dim range T=n+1=dimPn(F)\text{dim range}\ T=n+1=\text{dim}\mathcal P_n(\bf F)
⇒range T=PnF\Rightarrow \text{range}\ T=\mathcal P_n{\bf F}
Q.E.D\text{Q.E.D}

多项式的零点

  • 定义
    称数λ∈F\lambda\in\bf F为多项式p∈P(F)p\in\mathcal P(\bf F)的零点(根),若p(λ)=0p(\lambda)=0
  • 因式
    称多项式s∈P(F)s\in\mathcal P(\bf F)为多项式p∈P(F)p\in\mathcal P(\bf F)的因时,如果存在多项式q∈P(F)q\in\mathcal P(\bf F)使得p=qsp=qs.
  • 多项式的每一个零点对应一个一次因式
    ⇒\Rightarrow多项式零点的个数不超过它的次数

C\bf C上多项式的分解

  • 代数学基本定理
    每一个非常数的复系数多项式都有零点.

proof:
设pp是非常数的复系数多项式,假设pp没有零点,那么1/p1/p是C\bf C上的解析函数.进一步地说,当∣z∣→∞|z|\rightarrow\infty时∣p(z)∣→−∞|p(z)|\rightarrow-\infty也就是1/p→01/p\rightarrow 0.因此1/p1/p是C\bf C上的有界解析函数.根据刘维尔定理,其为常数,也就是pp为常数,矛盾.
Q.E.D\text{Q.E.D}

  • C\bf C上多项式的分解
    若p∈P(C)p\in\mathcal P(\bf C)是非常数的多项式,则其可以唯一分解为:

p(z)=c(z−λ1)⋯(z−λm) p(z)=c(z-\lambda_1)\cdots(z-\lambda_m)

其中c,λ1,...,λm∈Cc,\lambda_1,...,\lambda_m\in\bf C

R\bf R上多项式的分解

  • 实系数多项式的非实零点是成对出现的
    设p∈P(C)p\in\mathcal P(\bf C)是实系数多项式,如果λ\lambda是pp的零点,那么λˉ\bar\lambda也是.
  • R\bf R上多项式的分解
    设p∈P(R)p\in\mathcal P(\bf R)是非常数多项式,则可以唯一分解为:

p(x)=c(x−λ1)...(x−λm)(x2+b1x+c1)...(x2+bMx+cM) p(x)=c(x-\lambda_1)...(x-\lambda_m)(x^2+b_1x+c_1)...(x^2+b_Mx+c_M)

其中c,λi,bj,ck∈R(i=1,...,m; j,k=1,2...,M)c,\lambda_i,b_j,c_k\in\bf R(i=1,...,m;\ j,k=1,2...,M)且对于所有jj有bj2<4cjb_j^2<4c_j

上次编辑于:
贡献者: Youmans Yu