代数基本定理

"代数基本定理" 并是代数的源头,但它描述了多项式的一个有趣特性:

任何 n次多项式……有 n个根
但这可能涉及复数

让我来解释:

多项式的格式像这样:

多项式例子
多项式例子
这个多项式有 3 项

有一个变量的多项式(一元多项式)的次数 是……

变量的最大指数

多项式

"根" (或 "零")是 多项式等于零 的点。

根(零)

故此,三次多项式有三个根(多项式等于零的地方),四次多项式有四个根。依此类推。

例子:求 x2 − 9 的根。

x2 − 9 的次数是 2(x 的最大指数是 2),所以有2个根。

现在我们解它。多项式要等于零:

x2 − 9 = 0

先把 -9 移到另一边:

x2 = +9

每边取平方根:

x = ±3

故此,根是 −3+3

x^2 - 9

这个也有意思:

多项式可以写成这样

多项式因式分解

像这样 (x-r1) 的因式叫 线性因式,因为它们的图是一条直线

例子: x2 − 9

根是 r1 = −3r2 = +3 (如上),所以因式是:

x2 − 9 = (x+3)(x−3)

(在这个例子中,a等于1,所以我没写下来)

线性因式是 (x+3)(x−3)

所以若我们知道 是什么,我们也知道 因式是什么。

再来一个例子:

例子: 3x2 − 12

次数是 2,所以有 2 个根。

现在我们解它。多项式要等于零:

3x2 − 12 = 0

3 和 12 有一个公因数 3:

3(x2 − 4) = 0

x2 - 4:把 -4 移到右边,然后取平方根:

x2 = 4
x = ±2

故此,因式是:

3x2 − 12 = 3(x+2)(x−2)

同样,当我们知道多项式的因式,我们亦这道它的

例子: 3x2 − 18x + 24

次数是 2,所以有 2 个根。

3x2 − 18x + 24 = a(x−r1)(x−r2)

我知道因式会分解成这样:

3x2 − 18x + 24 = 3(x−2)(x−4)

故此,根(零)是:

检验:

3(2)2 − 18(2) + 24 = 12 − 36 + 24 = 0

3(4)2 − 18(4) + 24 = 48 − 72 + 24 = 0

对了!在 x = +2 及 x = +4,多项式是 0

复数

我们可能需要用复数来使多项式等于零。

复数实数虚数的组合

复数

看一个例子:

例子: x2-x+1

能使它等于零吗?

x2-x+1 = 0

二次方程解算器,得到的答案是(保留3位小数):

0.5 - 0.866i 0.5 + 0.866i

这是复数!但是正确的答案。

故此,因式是:

x2-x+1 = ( x - (0.5-0.866i ) )( x - (0.5+0.866i ) )

复数对

r1、r2……等等 可能是实数或复数。

有一个很有趣的现象……

复数根一定是成对的

 共轭复根对

如以上例子:

例子: x2-x+1

的根是:

0.5 - 0.866i 0.5 + 0.866i

这对根是 共轭复根对(中间的正负号是相反的):

共轭复根对

一定成对?对(除非多项式有复数系数,但这里我们只考虑实数系数!)

所以我们会得到:

永远不会有 1、3、5、等等

故此,我们知道:

次数 可能组合
1 1 1 实数根
2 2 2 实数根、 2 复数根
3 3 3 实数根、 1 实数根 和 2 复数根
4 4 4 实数根、 2 实数根 和 2 复数根、 4 复数根
等等   等等!

故此:

奇次数(1、3、5、等)的多项式最少有一个实数根……确保没错!

例子: 3x-6

次数是 1。

只有一个实数根

根是 +2:

3x-6:

你可以看到线在某点与 x轴交叉

但实数也是复数!

我一向说 "实数" 和 "复数",但其实复数包括实数内。

所以若我说有 "2 实数根 和 2 复数根" 时,我其实应该说 "2 纯实数根(没复数部分) 和 2 复数根(有非零的虚数部分)"……

……但那太复杂复了……

……所以请谅解我(可能过分)简单的语言。

不要复数?

想要复数,可以把复根对相乘:

(a + bi)(a - bi) = a2 + b2

我们得到没有复数的二次方程……只有实数。

这种不可以再 "约简"(除非用复数)的二次式叫不可约二次式。.

记着,像这样 (x-r1) 的简单因式叫 线性因式

 

故此,多项式可以被分解成全实数值的因式,它们为:

 

例子: x3-1

x3-1 = (x-1)(x2+x+1)

分解成:

要想继续分解 (x2+x+1),我们需要用复数,所以它是个 "不可约二次式"

我们怎样知道二次式是不可约的?

计算 "判别式":b2 - 4ac

(去看 二次方程 来多些了解判别式。)

b2 - 4ac 为负数,二次式有复数根,故此二次式是 "不可约"的

例子: 2x2+3x+5

a = 2、b = 3、c = 5:

b2 - 4ac = 32 - 4×2×5 = 9-40 = -31

判别式是负数,所以这是个 "不可约二次式"

 

重数

有时因式会出现多于一次,这出现的次数叫根的重数

例子: x2-6x+9

x2-6x+9 = (x-3)(x-3)

"(x-3)" 出现两次,所以 "3" 这个根的重数是 2

当我们说: "n 次多项式有 n 个根" 时,这些根包括重根在内

例子: x4+x3

应该有 4 个根(和 4 个因式),对不?

因式分解很容易,只需把 x3 分解出来:

x4+x3 = x3(x+1) = x·x·x·(x+1)

有 4 个因式, "x" 重复 3 次。

但乍看只有 2 个根,在 x=-1x=0

x^4+x^3

但若我们把重根也算在内,我们便有 4 个根:

根的总数 = 3+1 = 4

总结