摘要
本课研究复数域上的多项式方程。本课从不加证明地承认的代数基本定理出发,用归纳法推出:每个次数为 的多项式都是 个一次因式的乘积,并且恰有 个根(按重数计算);证明任意次数的韦达定理,以及根的平方和与立方和的公式。本课把二项方程、三项方程和倒数方程化为次数更低的方程来求解。接着,把三次方程化为缺二次项的形式,推导卡尔达诺公式,用判别式对根进行分类,借邦贝利的方程说明为什么即使所有的根都是实数,这个公式也迫使人们接受复数,并用三倍角公式解决这种情形。最后,把四次方程化为缺三次项的形式,证明费拉里方法(它借助三次预解式的一个根把四次方程分解为两个二次方程),并解释为什么从五次起不存在类似的公式。
学习目标
- 从代数基本定理推出每个复系数多项式都能分解为一次因式的乘积,并借助韦达定理与幂和把根与系数联系起来。
- 把二项方程、三项方程和倒数方程化为次数更低的方程来求解。
- 把三次方程化为缺二次项的形式,推导卡尔达诺公式,并根据判别式的符号对实系数三次方程的根进行分类。
- 用三角方法求解有三个实根的三次方程,并借邦贝利的例子说明卡尔达诺公式在人们接受复数的过程中所起的历史作用。
- 用费拉里方法求解四次方程:先化为缺三次项的形式,再借助三次预解式的一个根进行因式分解。
复数范围内的代数基本定理
在课程 代数与几何 I 中关于高次多项式的根的课里,我们陈述了代数基本定理,概述了它的推论,即每个次数为 的复系数多项式都是 个一次因式的乘积,并由它推出每个实系数多项式都是一次因式与不可约二次因式的乘积;这里用归纳法给出复数范围内这一分解的完整证明。本课采取复数的观点:系数和根都可以是复数,问题不再是方程有没有解,而是怎样求出它的全部解。 次的复系数多项式是表达式 ,其中 是复数,且 ;复数 称为 的根,是指 。
在课程 I 中关于多项式的代数的课里给出的带余除法、余数定理和因式定理的证明,只用到系数的加法、乘法和除法的性质, 与 共有这些性质,这一点见关于复数的课。因此,这些证明对复系数多项式照样成立;同一课中关于不同根的引理和多项式恒等原理(在每个复数处取值相同的两个多项式系数相同),以及关于高次多项式的根的课中根的重数的定义,也是如此。使 与众不同的,是下面的定理。
不加证明的事实(代数基本定理)。每个次数为 的复系数多项式至少有一个复根。
与课程 I 中关于多项式的根的课一样,这个定理不加证明地承认:它已知的所有证明都要用到超出本课程的工具,例如二元实函数的连续性,或复变函数的研究。卡尔·弗里德里希·高斯在 1799 年给出了第一个几乎完整的证明,在此之前有达朗贝尔和欧拉的尝试。它的主要推论是:多项式方程不迫使人们扩充 ,不像 曾迫使人们扩充 、 曾迫使人们扩充 那样:每个复多项式都能在 中完全分解。
每个多项式 (次数为 ,系数为复数,首项系数为 )都是 与 个一次因式的乘积,如下式所示,其中 是不必互不相同的复数。 的根恰好是数 ,并且每个根在这个列表中出现的次数等于它的重数;因此, 恰有 个复根(按重数计算)。
证明对次数用归纳法,与课程 I 中关于求和、数列与归纳法的课一样。图在复平面上用多项式 跟随证明,它的根是 (二重根)、、 和 。
证明
起始情形:次数为 的多项式等于它的首项系数乘以唯一一个一次因式,该因式的根是 。
假设定理对次数为 的多项式成立,设 的次数为 。由代数基本定理, 有一个根 ;由因式定理, 是 与一个商 的乘积,商的次数为 ,首项系数与 的相同,比较最高次项即可看出。在例子中,,综合除法给出式中的商。
由归纳假设, 等于它的首项系数 乘以 个一次因式;代入后, 就写成了所要的形式。由数学归纳原理,对每个次数 分解都存在。
复数的乘积只有当某个因式为零时才为零,而 :数 是 的根,当且仅当它与某个 相等。除列表中的根外没有别的根。
把相同的因式合并:若 是互不相同的根,且 出现 次,则 除以 的商在 处不为零,因为它是非零因式的乘积;所以 是 的重数,其余各根也是如此。重数之和为 ;在例子中,。
根据课程 I 中关于多项式的根的课,每个根的重数都是确定的,所以列表 由 唯一确定(不计顺序):分解是唯一的。今后,次数为 的多项式的根指的就是这 个数的列表,其中的重复由重数表明。若系数是实数,则由关于复数的课中的共轭根定理,非实根成对共轭出现;把每对的两个因式相乘得到一个实二次因式,这样就重新得到关于多项式的根的课中的实数范围内的因式分解。
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