Реферат Теорема Безу
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
от 25%
договор
Теорема Безу
Этьен Безу–
французский математик, член Парижской Академии Наук( с 1758 года ), родился в Немуре 31 марта 1730 года и умер 27 сентября 1783 года.
С 1763 года Безу преподавал математику в училище гардемаринов, а с 1768 года и в королевском артиллерийском корпусе.
Основные работы Этьена Безу относятся к высшей алгебре, они посвящены созданию теории решения алгебраических уравнений. В теории решения систем линейных уравнений он содействовал возникновению теории определителей , развивал теорию исключения неизвестных из систем уравнений высших степеней, доказал теорему (впервые сформулированную К. Маклореном ) о том , что две кривые порядка m и n пересекаются не более чем в mn точках. Во Франции и за её границей вплоть до 1848 года был очень популярен его шеститомный“Курс математики “, написанный им в 1764-69 годах. Безу развил метод неопределённых множителей, в элементарной алгебре его именем назван способ решения систем уравнений, основанный на этом методе . Часть трудов Безу посвящена внешней баллистике. Именем учёного названа одна из основных теорем алгебры.
Теорема Безу.
Остаток от деления полинома P
n(
x
)
на двучлен (
x
-
a
) равен значению
этого полинома при
x
=
a
.
Пусть :
P
n(
x
) – данный многочлен степени n ,
двучлен (x
-
a
) - его делитель,
Q
n-1
(
x
) – частное от деления Pn
(
x
) на x
-
a (многочлен степени n-1 ) ,
R – остаток от деления ( R не содержит переменной x как делитель первой степени относительно x ).
Доказательство :
Согласно правилу деления многочленов с остатком можно записать :
P
n
(x) = (x-a)Q
n-1
(x) + R .
Отсюда при x
=
a
:
Pn
(a) = (a-a)Q
n-1
(a) + R =0*Q
n-1
(a)+R=
=0+
R
=
R
.
Значит , R
= P
n
(
a
) , т.е. остаток от деления полинома на (x
-
a
) равен значению этого
полинома при x
=
a , что и требовалось доказать .
Следствия из теоремы .
Следствие 1 :
Остаток от деления полинома P
n
(
x
)
на двучлен
ax
+
b
равен значению
этого полинома при
x
= -
b
/
a
,
т
. е. R=Pn
(-b/a) .
Доказательство :
Согласно правилу деления многочленов :
P
n
(x)= (ax + b)
*
Q
n-1
(x) + R .
При x= -b/a :
Pn (-b/a) = (a(-b/a) + b)Qn-1(-b/a) + R = R. Значит , R = Pn (-b/a) , что и требовалось доказать.
Следствие 2
:
Если число a
является корнем
многочлена
P
(
x
) , то
этот
многочлен делится на (
x
-
a
) без
остатка .
Доказательство :
По теореме Безу остаток от деления многочлена P
(
x
) на x
-
a равен P
(
a
) , а по условию a
является корнем P
(
x
) , а это значит , что P
(
a
) = 0 , что и требовалось доказать .
Из данного следствия теоремы Безу видно , что задача решения уравнения P
(
x
) = 0 равносильна задаче выделения делителей многочлена P , имеющих первую степень ( линейных делителей ) .
Следствие 3
:
Если многочлен P
(
x
) имеет
попарно различные корни
a
1
,
a
2
, … ,
a
n
, то он делится на
произведение (
x
-
a
1
) … (
x
-
a
n
)
без остатка .
Доказательство :
Проведём доказательство с помощью математической индукции по числу корней . При n
=1 утверждение доказано в следствии 2 . Пусть оно уже доказано для случая , когда число корней равно k , это значит , что P(x) делится без остатка на (x
-
a
1
)(
x
-
a
2
) … (
x
-a
k) , где
a1
, a
2
, … , ak
- его корни .
Пусть P
(
x
) имеет k
+1 попарно различных корней .По предположению индукции a
1
,
a
2
, a
k , … , a
k+1 являются корнями многочлена, а , значит, многочлен делится на произедение (x
-
a
1
) … (
x
-a
k) , откуда выходит , что
P(x) = (x-a
1
) … (x-ak)Q(x).
При этом a
k+1 – корень многочлена P
(
x
) , т. е. P
(a
k+1
) = 0 .
Значит , подставляя вместо x
a
k+1 , получаем верное равенство :
P(ak+1
) = (a
k+1
-a
1
) … (a
k+1
-a
k
)Q(a
k+1
) =
=0 .
Но a
k+1 отлично от чисел a
1
, … , a
k , и потому ни одно из чисел a
k+1
-
a
1
, … , a
k+1
-a
k не равно 0 . Следовательно , нулю равно Q
(a
k+1
) , т. е. a
k+1 – корень многочлена Q
(
x
) . А из следствия 2 выходит , что Q
(
x
) делится на x
-a
k+1 без остатка .
Q
(
x
) = (
x
-a
k+1
)
Q
1
(
x
) , и потому
P(x) = (x-a1) … (x-ak)Q(x) =
=(
x
-
a
1
) … (
x
-a
k)(
x
-a
k+1
)
Q
1
(
x
) .
Это и означает , что P
(
x
) делится на (x
-
a
1
) … (
x
-a
k+1
) без остатка .
Итак, доказано , что теорема верна при k
=1 , а из её справедливости при n
=
k вытекает , что она верна и при n
=
k
+1. Таким образом, теорема верна при любом числе корней , что и требовалось доказать .
Следствие 4
:
Многочлен степени n
имеет не более
n
различных корней .
Доказательство :
Воспользуемся методом от противного: если бы многочлен P
n(
x
) степени n имел бы более n корней - n
+
k (a
1
,
a
2
, … ,
a
n
+
k
- его корни ) , тогда бы по ранее доказанному следствию 3 он
бы делился на произведение (x
-
a
1
) … (
x
-
a
n
+
k
) , имеющее степень n
+
k
, что невозможно .
Мы пришли к противоречию , значит наше предположение неверно и многочлен степени n не может иметь более , чем n корней , что и требовалось доказать .
Следствие 5
:
Для любого многочлена P
(
x
)
и числа
a
разность
(
P
(
x
)-
P
(
a
)) делится без
остатка на двучлен (
x
-
a
) .
Доказательство :
Пусть P
(
x
) – данный многочлен степени n , a - любое число .
Многочлен P
n(
x
) можно представить в виде : P
n(
x
)=(
x
-
a
)Q
n-1
(
x
)+
R ,
где Q
n-1
(
x
) – многочлен , частное при делении P
n(
x
) на (x
-
a
) ,
R – остаток от деления P
n(
x
) на (x
-
a
) .
Причём по теореме Безу :
R = Pn(a) , т.е.
P
n(x)=(x-a)Qn-1
(x)+Pn(a) .
Отсюда
Pn(x) - Pn(a) = (x-a)Qn-1(x) ,
а это и означает делимость без остатка ( P
n(
x
) – P
n(
a
) )
на (x
-
a
) , что и требовалось доказать .
Следствие 6
:
Число
a
является корнем
многочлена
P
(
x
) степени
не ниже первой тогда и
только тогда , когда
P
(
x
) делится на (
x
-
a
)
без остатка .
Доказательство :
Чтобы доказать данную теорему требуется рассмотреть необходимость и достаточность сформулированного условия .
1.Необходимость .
Пусть a – корень многочлена P
(
x
) , тогда по следствию 2 P
(
x
) делится на (x
-
a
) без остатка .
Таким образом делимость P
(
x
) на (x
-
a
) является необходимым условием для того , чтобы a являлось корнем P
(
x
) , т.к. является следствием из этого .
2.Достаточность .
Пусть многочлен P
(
x
) делится без остатка на (x
-
a
),
тогда R
= 0 , где R – остаток от деления P
(
x
) на (x
-
a
) , но по теореме Безу R
=
P
(
a
) , откуда выходит , что P
(
a
) = 0 , а это означает , что a является корнем P
(
x
) .
Таким образом делимость P
(
x
) на (x
-
a
) является и достаточным условием для того , чтобы a являлось корнем P
(
x
) .
Делимость P
(
x
) на (x
-
a
) является необходимым и достаточным условием для того, чтобы a являлось корнем P
(
x
) , что и требовалось доказать .
Следствие 7(авторское)
:
Многочлен , не имеющийй действи-
тельных корней , в разложении
на множители линейных множителей
не содержит .
Доказательство :
Воспользуемся методом от противного: предполо-жим , что не имеющий корней многочлен P
(
x
) при разложении на множители содержит линейный множитель (x
–
a
):
P(x) = (x – a)Q(x),
тогда бы он делился на (x
–
a
) , но по следствию 6 a являлось бы корнем P
(
x
) , а по условию он корней не содержит . Мы пришли к противоречию , значит наше предположение неверно и многочлен ,
не имеющий действительных корней , в разложении на множители линейных множителей не содержит , что и требовалось доказать .
На основании теоремы Безу и следствия 5 можно доказать следующие утверждения:
1. Разность одинаковых натуральных степеней
на разность их оснований делится без остатка :
Пусть P(x) = xn , P(a) = an ,
тогда xn –
an
– разность одинаковых натуральных степеней .
По следствию 5
P(x) - P(a) = xn – an = (x – a)Q(x) ,
а это значит , что
(xn–an)/(x–a)=Q(x), т.е. разность одинаковых натуральных степеней на разность их оснований делится без остатка , что и требовалось доказать .
Итак
(xn – an)/(x – a) = xn-1 + axn-2 + a2xn-3 + … +an-2x + an-1.
2. Разность одинаковых чётных степеней на сумму их оснований делится без остатка .
Пусть P(x) = x2k , тогда
P(a) = a2k .
Разность одинаковых чётных степеней x
2
k
-
a
2
k равна P
(
x
) –
P
(
a
) .
P(a) = a2k = (-a)2k = P(-a) ,
т
.е. x2k - a2k = P(x) – P(-a).
По следствию 5
P(x) - P(-a) = (x –(- a))Q(x)=
= (x + a)Q(x)
а это значит , что
x2k – a2k = (x + a)Q(x) или
(x2k – a2k)/(x + a) = Q(x) ,
т.е. разность одинаковых чётных степеней на сумму их оснований делится без остатка , что и требовалось доказать .
Итак ,
(x2k – a2k)/(x + a) = x2k-1 – ax2k-2 + … +a2k-2x + a2k-1.
3. Разность одинаковых нечётных натуральных степеней на сумму их оснований не делится .
Пусть P
(
x
) =
x
2
k
+1
-
a
2
k
+1
– разность одинаковых нечётных степеней .
По теореме Безу при делении x2k+1 - a2k+1 на x
+
a
=
x
– (-
a
) остаток равен
R = P(-a) = (-a)2k+1 – a2k+1 = -2a2k+1
Т. к. остаток при делении не равен 0 , то разность одинаковых нечётных натуральных степеней на сумму их оснований не делится , что и требовалось доказать .
4. Сумма одинаковых нечётных натуральных степеней на сумму их оснований делится без остатка .
Пусть P
(
x
) =
x
2л+1
,
P
(-
a
) = (-
a
)2л+1 = -а2л+1 ,
тогда P
(
x
) –
P
(-
a
) = x
2
k
+1
+
a
2
k
+1 – сумма одинаковых нечётных натуральных степеней .
По следствию 5
P(x) - P(-a) = x2k+1 + a2k+1= (x –(- a))Q(x)=
= (x + a)Q(x),
а это значит , что
(x2k+1 + a2k+1)/(x + a) = Q(x) ,
т.е. сумма одинаковых нечётных натуральных степеней на сумму их оснований делится без остатка , что и требовалось доказать .
Итак ,
(x2k+1 + a2k+1)/(x + a) = x2k - ax2k-1 + … - a2k-1x + a2k.
5. Сумма одинаковых чётных натуральных степеней на сумму их оснований не делится .
Пусть P
(
x
) =
x
2
k
+
a
2
k
– сумма одинаковых чётных степеней .
По теореме Безу при делении x
2
k
+
a
2
k
на x
+
a
=
x
– (-
a
) остаток равен
R = P(-a) = (-a)2k + a2k = 2a2k.
Т. к. остаток при делении не равен 0 , то сумма одинаковых чётных натуральных степеней на сумму
их оснований не делится, что и требовалось доказать.
Остановимся на рассмотрении некоторых случаев применения теоремы Безу к решению практических задач .
Пример 1.
Найти остаток от деления многочлена
x
3
– 3
x
2
+ 6
x
– 5
на двучлен x – 2 .
По теореме Безу
R = P3 (2) = 23 – 3*22 + 6*2 – 5 = 3
.
Ответ: R = 3 .
Пример 2.
Найти остаток от деления многочлена
32
x
4
– 64
x
3
+ 8
x
2
+ 36
x
+ 4
на двучлен 2
x – 1 .
Согласно следствию 1 из теоремы Безу
R=P4(1/2)=32*1/24–64*1/23 + 8*1/22+36*1/2+4=
= 2 – 8 + 2 + 18 + 4 =18 .
Ответ: R
= 18 .
Пример 3.
При каком значении a многочлен
x4 + ax3 + 3x2 – 4x – 4
делится без остатка на двучлен x – 2 ?
По теореме Безу
R
=
P
4
(2) = 16 + 8
a
+ 12 – 8 – 4 = 8
a
+16.
Но по условию R = 0 , значит
8a + 16 = 0 ,
отсюда
a = -2 .
Ответ: a = -2 .
Пример 4.
При каких значениях a и b многочлен
ax3 + bx2 – 73x + 102
делится на трёхчлен
x
2
– 5
x
+ 6 без остатка ?
Разложим делитель на множители :
x2 – 5
x + 6 = (
x – 2)(
x – 3) .
Поскольку двучлены x – 2 и
x – 3 взаимно просты , то данный многочлен делится на x – 2 и на x – 3 , а это значит , что
по теореме Безу
R1 = P3 (2) = 8a + 4b – 146 + 102 =
= 8a + 4b – 44 = 0
R2 = P3 (3) = 27a+9b – 219 + 102 =
=
27a +9b -117 =0
Решим систему уравнений :
8a + 4b – 44 = 0
27a + 9b – 117 = 0
2a + b = 11
3a + b = 13
Отсюда получаем :
a = 2 ,
b = 7 .
Ответ: a = 2 , b = 7 .
Пример 5.
При каких значениях a
и b многочлен
x4 + ax3 – 9x2 + 11x + b
делится без остатка на трёхчлен
x2 – 2x + 1 ?
Представим делитель так :
x
2
– 2
x
+ 1 = (
x
– 1)2
Данный многочлен делится на x
– 1 без остатка ,
если по теореме Безу
R1 = P4 (1) = 1 + a – 9 + 11 + b = a + b + 3 = 0.
Найдём частное от деления этого многочлена на x – 1 :
_ x4 + ax3–9x2 + 11x–a –3 x – 1
x4 – x3 x3+(a+1)x2+(a–8)x+(a+3)
_(a + 1)x3 – 9x2
(a + 1)x3 – (a + 1)x2
_(a – 8)x2 + 11x
(a – 8)x2 – (a –8)x
_(a + 3)x – a – 3
(a + 3)x – a – 3
0
Частное
x3+(a+1)x2+(a–8)x+(a+3)
делится на (x
– 1) без остатка , откуда
R2 = P3 (1) = 1 + (a + 1)*1 +(a – 8)*1 + a+3 =
=3a – 3 = 0 .
a + b + 3 = 0
3a – 3 = 0
a + b =-3
a = 1
Из системы : a
= 1 ,
b
= -4
Ответ: a = 1 , b = -4 .
Пример 6.
Разложить на множители многочлен P
(
x
) =
x
4
+ 4
x
2
– 5 .
Среди делителей свободного члена число 1 является корнем данного многочлена P
(
x
) , а это значит , что по следствию 2 из теоремы Безу P
(
x
) делится на (x
– 1) без остатка :
_x
4
+ 4
x
2
– 5
x
– 1
x
4
–
x
3
x
3
+
x
2
+ 5x + 5
_
x
3
+ 4
x
2
– 5
x
3
–
x
2
_5
x
2
– 5
5
x
2
– 5
x
_5
x
– 5
5
x
– 5
0
P
(
x
)/(
x
– 1) =
x
3
+
x
2
+ 5
x
+ 5 , значит
P(x) = (x – 1)(x3 + x2 + 5x + 5).
Среди делителей свободного члена многочлена x
3
+
x
2
+ 5
x
+ 5
x
= -1 является его корнем , а это значит , что по следствию 2 из теоремы Безу x
3
+
x
2
+ 5
x
+ 5 делится на (x
+ 1) без остатка :
_x
3
+
x
2
+5
x
+ 5
x
+ 1
x
3
+
x
2
x
2
+5
_5x + 5
5
x
+ 5
0
(x
3
+
x
2
+5
x
+ 5)/(
x
+ 1) =
x
2
+5 ,
значит
x
3
+
x
2
+5
x
+ 5 = (
x
+1)(
x
2
+5).
Отсюда
P(x) = (x – 1)(x +1)(x2 +5) .
По следствию 7 (x
2
+ 5) на множители не раскладывается , т.к. действительных корней не имеет , поэтому P
(
x
) далее на множители не раскладывается .
Ответ : x
4
+ 4
x
2
– 5 = (
x
– 1)(
x
+1)(
x
2
+5) .
Пример 7.
Разложить на множители многочлен P
(
x
) =
x
4
+ 324 .
P
(
x
) корней не имеет , т.к. x
4 не может быть равен -324 , значит , по следствию 7 P
(
x
) на множители не раскладывается .
Ответ : многочлен на множители не раскладывается .
Пример 8.
Какую кратность имеет корень 2 для многочлена
P(x) = x5 - 5x4 + 7x3 – 2x2 + 4x – 8 .
Определение: Если многочлен
P
(
x
) делится без остатка на (
x
–
a
)
k
, но не делится на (
x
–
a
)
k
+1
, то говорят , что число a
является корнем кратности
k
для
P
(
x
).
_x5 - 5x4 + 7x3 – 2x2 + 4x – 8 x – 2
x
5
- 2
x
4
x
4
– 3
x
3
+
x
2
+ 4
_-3
x
4
+ 7
x
3
– 2
x
2
+ 4
x
– 8
-3x4 + 6x3
_x3 – 2x2 + 4x – 8
x
3
– 2
x
2
_4x – 8
4x – 8
0
_x4 – 3x3 + x2 + 4 x – 2
x4 – 2x3 x3 – x2 – x – 2
_-x3 + x2 + 4
-x3 +2x2
_-x2 + 4
-x2 + 2x
_-2x + 4
-2x + 4
0
_ x3 – x2 – x – 2 x – 2
x3 – 2x2 x2 + x + 1
_x2 – x – 2
x2 – 2x
_x – 2
x – 2
0
x
2
+
x
+ 1 на x
– 2 не делится , т.к. R
=22 + 2 + 1=
=7.
Значит , P
(
x
)/(
x
– 2)3 =
x
2
+
x
+ 1 , т.е. корень 2 имеет кратность 3 для многочлена P
(
x
) .
Ответ: корень 2 имеет кратность 3 для многочлена P
(
x
) .
Пример 9.
Составить кубический многочлен , имеющий корень 4 кратности 2 и корень -2 .
По следствию 3 , если многочлен P
(
x
) имеет корень 4 кратности 2 и корень –2 , то он делится без остатка на (x
– 4)2(
x
+ 2) , значит
P(x)/(x – 4)2(x + 2) = Q(x) ,
т.е. P(x) = (x – 4)2(x + 2)Q(x) =
= (x2 – 8x +16)(x + 2)Q(x) =
= (x3 – 8x2 + 16x +2x2 – 16x + 32)Q(x) =
= (x3 – 6x2 + 32)Q(x).
(
x
3
– 6
x
2
+ 32) - кубический многочлен , но по условию P
(
x
) – также кубический многочлен, следовательно , Q
(
x
) – некоторое действительное число .
Пусть Q
(
x
) = 1 , тогда P
(
x
) =
x
3
– 6
x
2
+ 32 .
Ответ: x
3
– 6
x
2
+ 32 .
Пример 10.
Определите a и b так , чтобы -2 было корнем многочлена P(
x) =
x
5 +
a
x
2 + bx + 1, имеющим по крайней мере кратность два .
Если -2 – корень многочлена P
(
x
) кратности два , то по следствию 3 P
(
x
) делится на (x
+ 2)2 без остатка (R
= 0)
(x
+ 2)2 =
x
2
+ 4
x
+ 4
_x5 + a
x2
+ bx + 1
x2 + 4x + 4
x5 + 4x4 + 4x3 x3 – 4x2 + 12x – (a + 32)
_-4x4–4x3–ax2+bx+1
-4x4 – 16x3 – 16x2
_12x3 + (16 – a)x2 + bx + 1
12x3 +48x2 + 48x
_-(a + 32)x2 + (b – 48)x + 1
-(a + 32)x2 – 4(a + 32)x – 4(a + 32)
(4a +b – 48 + 128)x + 4a + 129
R = (4a +b – 48 + 128)x + 4a + 129 =
= (4a +b + 80)x + 4a + 129
Но R = 0 , значит
(4a +b + 80)x + 4a + 129 = 0 при любых x .
Это возможно при условии , что
4a +b + 80 = 0 ,
4a + 129 = 0
Решим систему двух уравнений :
4a +b + 80 = 0 a = -32,25
4a + 129 = 0 b = 49
Ответ: a = -32,25 , b = 49 .
Из рассмотренных примеров видно , что теорема Безу находит применение при решении задач , связанных с делимостью многочленов (нахождение остатка при делении многочленов , определение кратности многочленов и т.д. ) , с разложением многочленов на множители , с определением кратности корней и многих других .
Теорема Безу находит применение при рассмотрении одной из важнейших задач математики – решении уравнений .
Литература.
1. Бородин А.И., Бугай А.С.
Биографический словарь деятелей в области математики.
2. Математическая энциклопедия.
3. Яремчук Ф.П., Рудченко П.А.
Алгебра и элементарные функции.
4. Виленкин Н.Я., Ивашев-Мусатов О.С., Шварц- бурд С.И.
Алгебра и математический анализ.
5. Курош А.Г.
Курс высшей алгебры.