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多项式的概念、运算与恒等判定
本篇从系数和次数认识多项式,说明运算怎样影响系数与次数,再区分多项式恒等和某一点取值相等。根、除法与插值在后续文章中分别展开。
多项式、次数与系数范围
一元多项式是变量 的非负整数次幂的有限线性组合,其中 为非负整数,各系数取自预先约定的数集:
各 称为系数, 为常数项。若 ,则最高的非零项次数 称为 的次数,记为 ; 为首项系数。非零常数的次数为 。零多项式没有通常意义下的次数;需要统一次数公式时约定 。
按系数范围可分为整系数、有理系数、实系数、复系数多项式。有理系数多项式乘以所有分母的公倍数,可化为整系数多项式,且不改变其零点。、、 都不属于关于 的多项式。
对非零多项式 ,
因为两个首项相乘的系数非零。对于和或差,
允许最高次项抵消;若 ,则取等。
首项系数为 的非零多项式称为首一多项式。记 、、 分别为有理、实、复系数多项式的集合, 表示整系数多项式。这里方括号表示系数范围,不是函数定义域或区间。
多项式 是一个代数表达式;代入数 后得到数值 。多项式相等要求各次幂的系数分别相同,不能只检查一个代入值。多元多项式的一个单项式的次数为各变量指数之和,例如 的总次数为 ;本章除对称式部分外主要讨论一元多项式。
加减、乘法与复合的运算法则
设 、。把超出原次数的系数约定为零,则
加减就是合并同次项;乘积中产生 的项恰来自指数和等于 的两个因子。比如 ,二次项系数为 。
多项式加法、乘法满足交换律与结合律,乘法对加法满足分配律;这些性质由数的运算法则和有限项合并得到。非零多项式的乘积不为零,因为首项系数之积非零,因此 且 时可以约去 。
若 分别为 次且 ,则复合多项式 的次数为 ,首项系数为 。这是因为 的次数最高,其他项次数均小于 。若 为常数,复合结果可能为零,须直接代入,不能机械套用非零次数公式。
除法通常不会得到多项式,例如 。应使用带余除法将被除式写为“除式乘商式,加余式”,余式为零时才称整除。
恒等判定:系数比较与足够多的点值
设 的次数都不超过非负整数 。以下三种说法等价:
- 各次幂(含常数项)的系数分别相同,即 。
- 对每个实数 ,都有 。
- 存在 个互异的实数 ,使 。
证明。 由系数相同代入任意值,得到1推出2,2显然推出3。若3成立而系数不全相同,则 是非零的至多 次多项式,却有 个不同根,与根数上界矛盾。因此3推出1。复数节点也有相同结论;根数上界的证明只使用因式定理,不依赖这里的恒等判定。
次数上界和节点互异不可省略。例如 与 在 处同值,但不恒等。不限制次数时,即使给出有限多个点值,也能在已有多项式上加上这些节点对应的一次因式之积,得到另一个同值多项式。次数不超过 时,不仅至多有一个符合 个互异点值的多项式,而且总能构造出来;构造和证明见插值。
例:由点值构造含已知根的多项式
设次数不超过 的 满足 ,求 。
三个条件都可写成 ,因此构造 。它次数不超过 ,且 。由因式定理,
这里 ,所以 不是零多项式,已知的三个不同根与次数上界保证商为常数。代入 得 ,故 。再代入 ,
所以 。本题的关键是先制造零点并控制次数,再确定常数;因式定理的证明见除法与根。
零多项式与有限点值的边界
零多项式不能套用“非零 次多项式至多有 个根”。计算和、差的次数时,最高次项可能抵消,甚至全部抵消。有限个点值只有配合次数上界才能确定多项式;同一个节点重复代入,不会增加独立条件。后续拉格朗日插值公式同样要求节点互异。
关联阅读
进一步阅读:一般韦达关系、根的变换与实根必要条件 · 插值、点值估计与一致最值 · 多项式根的分布与公共根。
先修:代数运算、恒等式与因式分解。
关联应用:方程、方程组与换元。