Wielomiany

Wykªad nr 2 (In»ynieria sanitarna)

• Podstawowe denicje i wªasno±ci

• Pierwiastki wielomianów

• Zasadnicze twierdzenie algebry

• Uªamki proste

Denicja 1. (wielomian rzeczywisty)

Wielomianem rzeczywistym stopnia n ∈ N∪{0} nazywamy funkcj¦ W : R −→

R okre±lon¡ wzorem:

W (x) = anxn + an−1xn−1 + · · · + a1x + a0,

gdzie ak ∈ R dla 0 6 k 6 n oraz an 6= 0. Liczby ak ∈ R, gdzie 0 6 k 6 n nazywamy wspóªczynnikami wielomianu W .

√

Przykªad 1. Funkcje P (x) = 13, Q(x) = −x3 + 3x − 15,

4

R(x) = 9x9 − 7x7 + x s¡ wielomianami rzeczywistymi odpowiednio stopnia 0, 3 oraz 9.

Denicja 2. (wielomian zespolony)

Wielomianem zespolonym stopnia n ∈ N ∪ {0} nazywamy funkcj¦ W : C −→

C okre±lon¡ wzorem:

W (z) = cnzn + cn−1zn−1 + · · · + c1z + c0,

gdzie ck ∈ C dla 0 6 k 6 n oraz an 6= 0. Liczby ck ∈ C, gdzie 0 6 k 6 n nazywamy wspóªczynnikami wielomianu W .

Uwaga 1. Ka»dy wielomian rzeczywisty mo»na traktowa¢ jako wielomian zespolony rozszerzaj¡c jego dziedzin¦ z R na C. Tak b¦dziemy post¦powa¢

przy omawianiu pierwiastków zespolonych wielomianów rzeczywistych. Wielomian rzeczywisty b¡d¹ zespolony b¦dziemy nazywali krótko wielomianem.

Przykªad 2. Funkcje W (z) = 1 − 2i, V (z) = z2 + 1 oraz U(z) = iz15 + (2 −

3i)z6 + 4 − i s¡ wielomianami zespolonymi odpowiednio stopnia 0, 2 oraz 15.

Denicja 3. (suma, ró»nica i iloczyn wielomianów)

Niech P i Q b¦d¡ wielomianami. Sum¦, ró»nic¦ i iloczyn wielomianów P i Q

okre±lamy w sposób naturalny, tj. przyjmujemy:

(P ± Q)(x) := P (x) ± Q(x),

(P · Q)(x) := P (x) · Q(x).

‚wiczenie 1. Obliczy¢ sumy i ró»nice podanych wielomianów:

a) P (x) = 1 − x2, Q(x) = −1 + 5x + x2;

b) P (x) = 2z5 − iz2 + z − i, Q(x) = 5x2 − 6ix + 3;

c) P (x) = (1 + i)z2 − 2z, Q(x) = iz3 − z2 + 5i.

‚wiczenie 2. Obliczy¢ iloczyny podanych wielomianów:

a) P (x) = 4 − x2, Q(x) = 1 + 3x3;

b) P (x) = z2 + i, Q(x) = (1 − i)z3 + iz + 3 − 2i.

1

Denicja 4. (podzielno±¢ wielomianów)

Mówimy, »e wielomian S jest ilorazem, a wielomian R reszt¡ z dzielenia wielomianu P przez wielomian Q, je»eli dla ka»dego x ∈ R (x ∈ C) speªniony jest warunek:

P (x) = Q(x) · S(x) + R(x)

oraz stopie« reszty R jest mniejszy od stopnia dzielnika Q.

Je»eli R(x) = 0, to mówimy, »e wielomian P jest podzielny przez wielomian Q.

‚wiczenie 3. Obliczy¢ ilorazy i reszty powstaªe z dzielenia

podanych wielomianów:

a) P (x) = 8x4 + 3x2 + 5x − 6, Q(x) = x + 1;

b) P (x) = x3 + 27, Q(x) = x2 − 3x + 9;

c) P (x) = iz3 + 2z − 1 + 3i, Q(x) = z − 2i;

d) P (x) = z4 + 1, Q(x) = z2 − i.

Denicja 5. (pierwiastek wielomianu)

Liczb¦ rzeczywist¡ (zespolon¡) x0 nazywamy pierwiastkiem

rzeczywistym (zespolonym) wielomianu W , je»eli

W (x0) = 0.

‚wiczenie 4. Sprawdzi¢, »e podane liczby s¡ pierwiastkami wskazanych wielomianów:

a) x1 = −1, x2 = 1, x3 = −i, x4 = i, W (x) = x4 − 1;

b) x1 = −2, x2 = 1 − i, x3 = 1 + i, W (x) = x3 − 2x + 4;

c) z1 = 1 + i, z2 = −1 − 3i, W (z) = z2 + 2iz + 2 − 4i.

Twierdzenie 1. ( Bézout1)

Liczba x0 jest pierwiastkiem wielomianu W wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje wielomian P taki, »e

W (x) = (x − x0)P (x).

Uwaga 2. Reszta z dzielenia wielomianu W przez dwumian x−x0 jest równa W (x0).

Twierdzenie 2. ( pierwiastek wielokrotny wielomianu)

Liczba x0 jest pierwiastkiem k-krotnym wielomianu W wtedy

i tylko wtedy, gdy istnieje wielomian P taki, »e

W (x) = (x − x0)kP (x) oraz P (x0) 6= 0.

1Étienne Bézout (1730-1783)-matematyk francuski.

2

Twierdzenie 3. ( o pierwiastkach caªkowitych wielomianu) Niech

W (x) = anxn + an−1xn−1 + · · · + a1x + a0,

b¦dzie wielomianem o wspóªczynnikach caªkowitych oraz niech liczba caªkowita p 6= 0 b¦dzie pierwiastkiem wielomianu W .

Wtedy p jest dzielnikiem wyrazu wolnego a0.

Uwaga 3. Wielomian o wspóªczynnikach caªkowitych mo»e nie mie¢ pierwiastków caªkowitych. Przykªadami takich wielomianów s¡: x3 − 2, x2 + 1.

‚wiczenie 5. Znale¹¢ wszystkie pierwiastki

caªkowite podanych wielomianów:

a) W (x) = x3 − 2x2 + 5x + 8; b) W (x) = x3 + x2 − 5x + 3;

c) W (x) = x4 − 7x3 + 4x2 + 3; d) W (x) = 4x4 − 4x3 − 7x2 − x − 2.

Twierdzenie 4. ( o pierwiastkach wymiernych wielomianu)

Niech

W (x) = anxn + an−1xn−1 + · · · + a1x + a0,

b¦dzie wielomianem o wspóªczynnikach caªkowitych oraz niech liczba wymierna p , gdzie p i q s¡ liczbami caªkowitymi wzgl¦dnie pierwszymi, b¦dzie pierwiast-q

kiem wielomianu W . Wtedy p jest dzielnikiem wyrazu wolnego a0, a q jest dzielnikiem wspóªczynnika an tego wielomianu.

Uwaga 4. Je»eli an = 1, to wszystkie wymierne pierwiastki wielomianu s¡

caªkowite.

‚wiczenie 6. Znale¹¢ wszystkie pierwiastki wymierne podanych wielomianów:

a) W (x) = 4x3 + x2 − 3x + 1; b) W (x) = 4x3 − 18x2 − 2x + 5; c) W (x) = 24x3 − 10x2 − 3x + 1.

Twierdzenie 5. ( pierwiastki trójmianu kwadratowego)

Wielomian zespolony W (z) = az2 + bz + c, gdzie a, b, c ∈ C oraz a 6= 0, ma dwa pierwiastki zespolone postaci:

√

√

−b −

∆

−b +

∆

z1 =

,

z2 =

,

2a

2a

gdzie ∆ = b2 − 4ac.

‚wiczenie 7. Znale¹¢ pierwiastki podanych trójmianów

kwadratowych:

a) W (z) = z2 − 2z + 2;

b) W (z) = 2z2 + (6 − 2i)z + 4 − 3i;

c) W (z) = z2 + (2 − i)z + 3 − i;

d) W (z) = 6z2 + (5i − 3)z − 1 − i.

3

Twierdzenie 6. ( zasadnicze twierdzenie algebry) Ka»dy wielomian zespolony stopnia dodatniego ma co najmniej jeden pierwiastek zespolony.

Uwaga 5. W tabeli poni»ej podane s¡ przykªady równa« wielomianowych o wspóªczynnikach z danej klasy liczbowej, które nie maj¡ pierwiastków w tej klasie, ale maj¡ je w nast¦pnej.

Klasa liczb

Oznaczenie

Równanie

liczby naturalne

N

x + 5 = 0

liczby caªkowite

Z

4x + 5 = 0

liczby wymierne

Q

x2 − 2 = 0

liczby rzeczywiste

R

x2 + 3 = 0

liczby zespolone

C

ka»de równanie ma pierwiastek zespolony

Notka historyczna 1. Zasadnicze twierdzenie algebry zostaªo sformuªowane w XVIII wieku przez Maclaurina2 i Eulera3. Twierdzenie to próbowali udo-wodni¢ najwi¦ksi matematycy osiemnastowieczni: d'Alembert4, Euler, La-grange5. Kilka dowodów tego twierdzenia podaª Gauss w XIX wieku. W zna-nych wspóªcze±nie dowodach wykorzystuje si¦ metody analizy matematycznej i zaawansowane metody algebry.

Twierdzenie 7. ( o przedstawianiu wielomianu w postaci

iloczynu dwumianów)

1. Ka»dy wielomian zespolony stopnia n ∈ C ma dokªadnie n

pierwiastków zespolonych (uwzgl¦dniaj¡c pierwiastki wielokrotne). 2. Niech liczby zespolone z1, z2, . . . , zn b¦d¡ pierwiastkami wielomianu W stopnia n ∈

C, przy czym niektóre pierwiastki mog¡ si¦ powtarza¢. Wtedy wielomian W

mo»na przedstawi¢ w postaci:

W (z) = cn(z − z1)(z − z2) · · · · · (z − zn),

gdzie cn jest wspóªczynnikiem przy zn wielomianu W .

‚wiczenie 8. Podane wielomiany rozªo»y¢ na iloczyny

dwumianów:

a) W (z) = z2 + i;

b) W (z) = z3 + 1;

c) W (z) = z6 + 3z4 + 3z2 + 1;

d) W (z) = z4 + iz2 + 6.

2Colin Maclaurin (1698-1746)-matematyk szkocki.

3Leonard Euler (1707-1783)-matematyk, zyk i astronom szwajcarski.

4Jean le Rond d'Alembert (1717-1783)-matematyk i zyk francuski.

5Joseph Louis Lagrange (1736-1813)-matematyk i zyk francuski.

4

Twierdzenie 8. ( pierwiastki wielomianów zespolonych o wspóªczynnikach rzeczywistych)

Je»eli liczba zespolona z = a + bi jest miejscem zerowym

wielomianu w(z) = anzn + an−1zn−1 + · · · + a1z + a0 o wspóªczynnikach rzeczywistych, to liczba zespolona sprz¦»ona z = a − bi jest równie» miejscem zerowym tego wielomianu.

‚wiczenie 9. Znaj¡c jeden pierwiastek wielomianu znale¹¢

pozostaªe pierwiastki:√

√

√

a) W (x) = x3 − (2 + 3)x2 + 2(1 + 3)x − 2 3, x1 = 1 − i;

b) W (x) = x4 − x3 + x2 + 9x − 10, x1 = 1 + 2i.

‚wiczenie 10. Sprawdzi¢, »e liczba z1 = i jest pierwiastkiem wielomianu W (z) = z4 − (1 + i)z3 + (3 + i)z2 + (5 − 3i)z − 5i

i nast¦pnie znale¹¢ jego pozostaªe pierwiastki.

‚wiczenie 11. Podane wielomiany przedstawi¢ w postaci iloczynu wielomianów rzeczywistych nierozkªadalnych:

a) W (x) = x3 − 8;

b) W (x) = x4 + 16;

c) W (x) = x4 − 3x2 + 2;

d) W (x) = x6 + 27.

Uªamki proste

Denicja 6. (funkcja wymierna)

Funkcj¡ wymiern¡ rzeczywist¡ nazywamy iloraz dwóch

wielomianów rzeczywistych, przy czym dzielnik nie jest

wielomianem zerowym.

Denicja 7. (funkcja wymierna wªa±ciwa)

Funkcj¦ wymiern¡ nazywamy wªa±ciw¡, je»eli stopie« wielomianu w liczniku uªamka okre±laj¡cego t¦ funkcj¦ jest mniejszy od stopnia wielomianu w mia-nowniku.

Uwaga 6. Ka»da funkcja wymierna jest sum¡ wielomianu oraz funkcji wymiernej wªa±ciwej.

5

‚wiczenie 12. Podane funkcje wymierne rozªo»y¢ na sum¦

wielomianu i funkcji wymiernej wªa±ciwej:

a) x4 + 4x + 1;

x2 + 2

b) x5 + x.

x3 + 1

Denicja 8. (uªamki proste)

1. Uªamkiem prostym pierwszego rodzaju nazywamy funkcj¦ wymiern¡ postaci:

A

,

(ax + b)n

gdzie a, b, A ∈ R oraz n ∈ N.

2. Uªamkiem prostym drugiego rodzaju nazywamy funkcj¦ wymiern¡ postaci:

Ax + B

,

(ax2 + bx + b)n

gdzie a, b, c, A, B ∈ R oraz n ∈ N, przy czym ∆ = b2 − 4ac < 0.

Przykªad 3. Funkcje wymierne

−1

5

2

,

,

x + 2

(x − 3)4

x99

s¡ uªamkami prostymi pierwszego rodzaju.

Natomiast funkcje wymierne

1

2 − x

x

3x − 5

,

,

,

x2 + 1

x2 + 2x + 5

(x2 + 4)20

(x2 − 4x + 19)100

s¡ uªamkami prostymi drugiego rodzaju.

Twierdzenie 9. ( o rozkªadzie funkcji wymiernej na uªamki proste) Ka»da funkcja wymierna wªa±ciwa posiada jednoznaczne przedstawienie w postaci sumy uªamków prostych.

‚wiczenie 13. Podane funkcje wymierne rozªo»y¢ na sum¦ uªamków prostych:

a)

1

;

x2(x − 1)2

b)

x2

;

x3 + 2x2 + 2x + 1

c) 2x4 + 3x2 − 1;

x3 − x

6

d) 10x + 3;

x3 + 27

e)

x

.

(x2 + 1)2

7