НОВОСТИ БИБЛИОТЕКА ЭНЦИКЛОПЕДИЯ БИОГРАФИИ КАРТА САЙТА ССЫЛКИ О ПРОЕКТЕ

АЛГЕБРАИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ

Расстановка ударений: АЛГЕБРАИ`ЧЕСКОЕ УРАВНЕ`НИЕ

АЛГЕБРАИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ - уравнение вида f_n = 0, где f_n - многочлен n-й степени от одного или нескольких переменных (n ≥ 0). А. у. с одним неизвестным наз. уравнение вида:

(1)

Здесь n - целое неотрицательное число, а₀, x₁, ..., x_n наз. коэффициентами уравнения и являются данными, х наз. неизвестным и является искомым. Коэффициенты А. у. (1) предполагаются не все равными нулю. Если а₀ ≠ 0, то n наз. степенью уравнения.

Значения неизвестного х, к-рые удовлетворяют уравнению (1), т. е. при подстановке вместо х обращают уравнение в тождество, наз. корнями уравнения (1), а также корнями многочлена

(2)

Корни многочлена связаны с его коэффициентами но формулам Виета (см. Виета теорема). Решить уравнение - значит найти все его корни, лежащие в рассматриваемой области значений неизвестного.

Для приложений наиболее важен случай, когда коэффициенты и корни уравнения - числа той или иной природы (напр., рациональные, действительные или комплексные). Рассматривается также и случай, когда коэффициенты и корни - элементы произвольного поля.

Если данное число (или элемент поля) с - корень многочлена f_n (х), то согласно Безу теореме f_n (х) делится на x - c без остатка. Деление можно выполнять по Горнера схеме.

Число (или элемент поля) с наз. k-кратным корнем многочлена f(x) (k - натуральное число), если f(x) делится на (х - с)^k, но не делится на (х - с)^{k + 1} . Корни кратности 1 наз. простыми корнями многочлена.

Каждый многочлен f(x) степени n > 0 с коэффициентами из поля Р имеет в поле Р не более n корней, считая каждый корень столько раз, какова его кратность (и, значит, не более n различных корней).

В алгебраически замкнутом поле каждый многочлен степени n имеет ровно n корней (считая их кратность). В частности, это справедливо для поля комплексных чисел.

Уравнение (1) степени n с коэффициентами из поля Р наз. неприводимым над полем Р, если многочлен (2) неприводим над этим полем, т. е. не может быть представлен в виде произведения других многочленов над полем Р, степени к-рых меньше n. В противном случае многочлен и соответствующее уравнение наз. приводимыми. Многочлены нулевой степени и сам нуль не причисляются ни к приводимым, ни к неприводимым. Свойство данного многочлена быть приводимым или неприводимым над полем Р зависит от рассматриваемого поля. Так, многочлен х² - 2 неприводим над полем рациональных чисел, т. к. иначе он имел бы рациональные корни, но приводим над полем действительных чисел: . Аналогично, многочлен x² + 1 неприводим над полем действительных чисел, но приводим над полем комплексных чисел. Вообще, над полем комплексных чисел неприводимы только многочлены 1-й степени, и всякий многочлен может быть разложен на линейные множители. Над полем действительных чисел неприводимы только многочлены 1-й степени и многочлены 2-й степени, не имеющие действительных корней (и всякий многочлен разлагается в произведение линейных и неприводимых квадратных многочленов). Над полем рациональных чисел существуют неприводимые многочлены любых степеней, таковы, напр., многочлены вида хⁿ + 2. Неприводимость многочлена над полем рациональных чисел устанавливается критерием Эйзенштейна: если для многочлена (2) степени n > 0 с целыми коэффициентами существует простое число р такое, что старший коэффициент а₀ не делится на р, все остальные коэффициенты делятся на р, а свободный член а_n не делится на р², то этот многочлен неприводим над полем рациональных чисел.

Пусть Р - произвольное поле. Для любого многочлена а(х) степени n > 1, неприводимого над полем Р, существует такое расширение поля Р, в к-ром содержится хотя бы один корень многочлена f(х); более того, существует поле разложения многочлена f(х), т. е. расширение поля Р, в к-ром этот многочлен может быть разложен на линейные множители. Любое поле имеет алгебраически замкнутое расширение.

Разрешимость алгебраических уравнений в радикалах. Всякое А. у. степени, не превосходящей 4, решается в радикалах. Решение задач, приводящихся к частным видам уравнений 2-й и 3-й степеней, можно найти еще в древнем Вавилоне (2000 лет до н. э.) (см. Квадратное уравнение, Кубическое уравнение). Первое изложение теории решения квадратных уравнений дано в книге Диофанта «Арифметика» (3 в. н. э.). Решение в радикалах уравнений 3-й и 4-й степеней с буквенными коэффициентами было получено итальянскими математиками в 16 в. (см. Кардано формула, Феррари метод). В течение почти 300 лет после этого делались безуспешные попытки решить в радикалах уравнение с буквенными коэффициентами 5-й и более высоких степеней. Наконец, в 1826 Н. Абель (N. Abel) доказал, что такое решение невозможно.

Современная формулировка теоремы Абеля: пусть (1) - уравнение степени n > 4 с буквенными коэффициентами а₀, a₁, ..., a_n ; К - любое поле и Р - поле рациональных функций от а₀, a₁, ..., a_n с коэффициентами из А; тогда корни уравнения (1) (лежащие в нек-ром расширении поля Р) нельзя выразить через коэффициенты этого уравнения при помощи конечного числа действий сложения, вычитания, умножения, деления (имеющих смысл в поле Р) и знаков корня (имеющих смысл в расширении поля Р). Иными словами, общее уравнение степени n > 4 неразрешимо в радикалах (см. [3], с. 226).

Теорема Абеля не исключает, однако, того, что каждое А. у. с данными числовыми коэффициентами (или коэффициентами из данного поля) решается в радикалах. Уравнения любой степени n нек-рых частных видов решаются в радикалах (напр., двучленные уравнения). Полное решение вопроса о том, при каких условиях А. у. разрешимо в радикалах, было получено ок. 1830 Э. Галуа (Е. Galois).

Основная теорема Галуа теории о разрешимости А. у. в радикалах формулируется следующим образом: пусть f(х) - многочлен с коэффициентами из поля K, неприводимый над K; тогда: 1) если хотя бы один корень уравнения f(х) = 0 выражается в радикалах через коэффициенты этого уравнения, причем показатели радикалов не делятся на характеристику поля K, то группа Галуа этого уравнения над полем K разрешима; 2) обратно, если группа Галуа уравнения f(х) = 0 над полем K разрешима, причем характеристика поля K или равна нулю, или больше всех порядков композиционных факторов этой группы, то все корни уравнения представляются в радикалах через его коэффициенты, причем все показатели встречающихся радикалов ⁿ√a - простые числа, а соответствующие этим радикалам двучленные уравнения хⁿ - а = 0 неприводимы над полями, к к-рым эти радикалы присоединяются.

Э. Галуа доказал эту теорему для случая, когда K - поле рациональных чисел; при этом все условия на характеристику поля K, содержащиеся в формулировке теоремы, становятся ненужными.

Теорема Абеля является следствием теоремы Галуа, так как группа Галуа уравнения степени n с буквенными коэффициентами над полем Р рациональных функций от коэффициентов уравнения с коэффициентами из любого поля К - симметрич. группа S_n и при n > 4 неразрешима. Для любого n > 4 существуют уравнения степени n с рациональными (и даже целыми) коэффициентами, неразрешимые в радикалах. Примером такого уравнения для n = 5 может служить уравнение х⁵ - р² х - р = 0, где р - простое число. В теории Галуа применяется метод сведения решения данного А. у. к цепочке более простых уравнений, наз. резольвентами данного уравнения.

Разрешимость уравнений в радикалах тесно связана с вопросом о геометрич. построениях с помощью циркуля и линейки, в частности задача о делении окружности на n равных частей (см. Деления круга многочлен, Первообразный корень).

Алгебраические уравнения с одним неизвестным с числовыми коэффициентами. Для отыскания корней А. у. с коэффициентами из поля действительных или комплексных чисел степени выше 2-й, как правило, используются методы приближенных вычислений (напр., Парабол метод). При этом удобно сначала освободиться от кратных корней. Число с является k-кратным корнем многочлена f(х) тогда и только тогда, когда многочлен и его производные до порядка k - 1 включительно обращаются в нуль при х = с, а f^(k) (с) ≠ 0. Если разделить f(х) на наибольший общий делитель d(x) этого многочлена и его производной, то получится многочлен, имеющий те же корни, что и многочлен f(х), но только первой кратности. Можно даже построить многочлены, имеющие в качестве простых корней все корни многочлена f(х) одинаковой кратности. Многочлен имеет кратные корни тогда и только тогда, когда его дискриминант равен нулю.

Часто возникают задачи определения границ и числа корней. За верхнюю границу модулей всех корней (как действительных, так и комплексных) А. у. (1) с любыми комплексными коэффициентами можно взять число

В случае действительных коэффициентов более точную границу обычно дает Ньютона метод. К определению верхней границы положительных корней сводится определение нижней границы положительных, а также верхней и нижней границ отрицательных корней.

Для определения числа действительных корней проще всего применить Декарта теорему. Если известно, что все корни данного многочлена действительны (как, напр., для характеристич. многочлена действительной симметрич. матрицы), то теорема Декарта дает точное число корней. Рассматривая многочлен f(- х), можно с помощью этой же теоремы найти число отрицательных корней f(х). Точное число действительных корней, лежащих на данном интервале (в частности, число всех действительных корней) многочлена с действительными коэффициентами, не имеющего кратных корней, можно найти по Штурма правилу. Теорема Декарта является частным случаем Бюдана-Фурье теоремы, дающей оценку сверху числа действительных корней многочлена с действительными коэффициентами, заключенных в нек-ром фиксированном интервале.

Иногда интересуются разысканием корней специального вида, так, напр., критерий Гурвица дает необходимое и достаточное условие для того, чтобы все корни уравнения (с комплексными коэффициентами) имели отрицательные действительные части (см. Рауса-Гурвица критерий).

Для многочлена с рациональными коэффициентами существует метод вычисления всех его рациональных корней. Многочлен f(х) с рациональными коэффициентами имеет те же корни, что и многочлен g(x) с целыми коэффициентами, получающийся из f(х) умножением на общее кратное всех знаменателей коэффициентов f(х). Рациональными корнями многочлена g(x) = = b₀ xⁿ + b₁ x^{n - 1} + ... + b_n ≠ 0 с целыми коэффициентами могут быть только те несократимые дроби вида p/q, у к-рых р - делитель числа b_n, а q - делитель числа b₀ (и даже только те из этих дробей, для к-рых при любом целом m число g(m) делится на p - mq). Если b₀ = 1, то все рациональные корни многочлена g(x) (если они у него вообще есть) - целые числа, являющиеся делителями свободного члена, и могут быть найдены перебором.

Системы алгебраических уравнений. О системах А. у. 1-й степени см. Линейное уравнение.

Систему двух А. у. любых степеней с двумя неизвестными х и у можно записать в виде:

где а_i (x), b_j (x) - многочлены от одного неизвестного х. Если х придать нек-рое числовое значение, получится система двух уравнений от одного неизвестного у с постоянными коэффициентами a_i, b_j . Результантом этой системы будет следующий определитель:

Справедливо утверждение: число х₀ тогда и только тогда является корнем результанта R(f, g), когда или многочлены f(x₀, у) и g(x₀, у) имеют общий корень у₀, или оба старших коэффициента а₀ (х₀) и b₀ (х₀) равны нулю.

Таким образом, для решения системы (3) надо найти все корни результанта R(f, g), подставить каждый из этих корней в систему (3) и найти общие корни этих двух уравнений с одним неизвестным у. Кроме того, надо найти общие корни двух многочленов а₀ (х) и b₀ (х) и также подставить их в систему (3) и проверить, не имеют ли полученные уравнения с одним неизвестным у общих корней. Иными словами, решение системы двух А. у. с двумя неизвестными сводится к решению одного уравнения с одним неизвестным и вычислению общих корней двух уравнений с одним неизвестным (общие корни двух или нескольких многочленов с одним неизвестным являются корнями их наибольшего общего делителя).

Аналогично рассмотренному случаю решается система любого числа А. у. с любым числом неизвестных. Эта задача приводит к громоздким вычислениям. Она связана с так наз. исключения теорией.

Лит. : [1] Курош А. Г., Курс высшей алгебры, 10 изд М., 1971; [2] Сушкевич А. К., Основы высшей алгебры, 4 изд., М. - Л., 1941; [3] Ван дер Варден Б. Л., Современная алгебра, пер. с нем., ч. 1 - 2, 2 изд., М. - Л., 1947; [4] Манин Ю. И., в кн. : Энциклопедия элементарной математики, кн. 4, М., 1963, с. 205 - 27; [5] Доморяд А. П., в кн. : Энциклопедия элементарной математики, кн. 2, М., 1951 с. 313 - 411.

И. В. Проскуряков.

Источники:

Математическая Энциклопедия. Т. 1 (А - Г). Ред. коллегия: И. М. Виноградов (глав ред) [и др.] - М., «Советская Энциклопедия», 1977, 1152 стб. с илл.

ПОИСК:

© MATHEMLIB.RU, 2001-2021
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://mathemlib.ru/ 'Математическая библиотека'