Otwórz menu główne

Wielomian

wyrażenie algebraiczne będące sumą jednomianów

Wielomian (inaczej suma algebraiczna) – wyrażenie algebraiczne będące sumą jednomianów; używane w wielu działach matematyki. Przykładowo w analizie matematycznej pomocne jest przedstawienie funkcji danego rodzaju w postaci ciągu wielomianów (bądź szeregu), w algebrze są one centralnym punktem zainteresowań w teorii Galois, a stąd służą w geometrii jako środek dowodowy przy wykazywaniu konstruowalności różnych obiektów; służą też kodowaniu własności rozmaitych obiektów (np. wielomian charakterystyczny przekształcenia liniowego).

Spis treści

DefinicjaEdytuj

Dla danej nieujemnej liczby całkowitej n wielomianem stopnia n zmiennej x jest wyrażenie w postaci[1]:

 

gdzie  współczynnikami wielomianu oraz  

ZarysEdytuj

Niezerowy wielomian można zapisać jako wyraz lub sumę wyrazów, przy czym ich liczba musi być skończona. Każdy z takich wyrazów składa się ze stałej, nazywanej współczynnikiem, pomnożonej przez pewną (nawet zerową) liczbę zmiennych oznaczanych zwykle literami. Współczynnik może być liczbą dowolnego rodzaju: całkowitą, wymierną, rzeczywistą, zespoloną. Wielomian nazywa się całkowitym, wymiernym, rzeczywistym lub zespolonym w zależności od zbioru, z którego pochodzą jego współczynniki.

Wielomian jest asymptotycznie dodatni, jeśli współczynnik przy wyrazie   jest dodatni. Jeśli współczynnik przy wyrazie   jest ujemny, wielomian jest asymptotycznie ujemny[1].

Niezerowy wyraz bez zmiennych ma stopień 0 i nazywany jest wyrazem wolnym. Stopniem wyrazu (niezerowego) nazywa się sumę stopni wszystkich zmiennych tego wyrazu. Wielomian nazywa się jednorodnym, jeśli wszystkie jego wyrazy są tego samego stopnia. Stopniem wielomianu (niezerowego) nazywa się największy stopień wyrazu[a] i oznacza symbolem  [b]. Jeżeli istnieje tylko jeden wyraz o najwyższym stopniu, to współczynnik przy nim stojący nazywa się najstarszym lub wiodącym. Wielomian unormowany (bądź moniczny, od ang. monic) to wielomian, którego najstarszy współczynnik jest równy jedności.

Dla niezerowych wielomianów   zachodzą zależności:

 
 [c].

Zwyczajowo wielomian składający się z jednego wyrazu nazywa się jednomianem, z dwóch – dwumianem, a trzech – trójmianem. Często wielomiany, których stopień wynosi   nazywa się odpowiednio: stałym, liniowym, kwadratowym, sześciennym (związane jest to z własnościami funkcji wielomianowych z nimi skojarzonymi, zob. dalej).

PrzykładEdytuj

Wyrażenie

 

jest wyrazem. Jego współczynnikiem jest   zmiennymi są   oraz   przy czym stopień zmiennej   wynosi dwa, zaś zmiennej   równy jest jeden. Stopniem całego wyrazu jest suma stopni zmiennych, stąd stopień powyższego wyrazu równy jest 3. Może więc być on traktowany jako jednomian, a zatem i wielomian.

Wielomian jest sumą wyrazów. Następujące wyrażenie jest wielomianem:

 

Zwykle wielomian jednej zmiennej przedstawia się w postaci, w której wyrazy wyższego stopnia stoją przed wyrazami niższego. Powyższy wielomian składa się z trzech wyrazów, jest więc trójmianem: pierwszy z nich jest drugiego stopnia, drugi – pierwszego stopnia, a trzeci ma stopień zerowy. Pierwszy wyraz, który zawiera zmienną   o wykładniku   ma współczynnik 3. Napis   oznacza   a więc współczynnikiem środkowego wyrazu jest   nie zaś   Trzeci wyraz jest wolny. Ponieważ stopień niezerowego wielomianu dany jest jako największy ze wszystkich stopni wyrazów, to powyższy wielomian ma stopień równy dwa.

PostaćEdytuj

Ogólnie każde wyrażenie, które można przekształcić w wielomian za pomocą podstawowych własności działań (przemienności, łączności i rozdzielności) uważane jest za wielomian. Przykładowo wyrażenie   jest wielomianem, ponieważ można je przekształcić do postaci   Podobnie

 

uważane jest za poprawny wyraz wielomianu. Chociaż zawiera dzielenie, to jest ono równoważne   gdzie   jest stałą, może więc pełnić rolę współczynnika. W ogólności jednak dzielenie przez wyrażenie zawierające zmienną nie tworzy wielomianu. Na przykład

 

nie jest wielomianem, podobnie

 

gdyż ma wykładnik zawierający zmienną.

Ponieważ odejmowanie może być traktowane jak dodawanie liczby przeciwnej, a potęgowanie o naturalnym wykładniku jako wielokrotne mnożenie, wielomiany mogą być tworzone ze stałych i zmiennych wyłącznie za pomocą dwóch działań: dodawania i mnożenia.

Każdy wielomian można przekształcić do postaci beznawiasowej wykonując wszystkie możliwe działania na wyrażeniach algebraicznych, nazywana jest ona czasem postacią kanoniczną. Każdy wielomian jednej zmiennej jest równoważny z wielomianem postaci:

 

Funkcje wielomianoweEdytuj

Wartością wielomianu nazywa się wartość otrzymaną po podstawieniu danej liczby w miejsce zmiennej (lub tylu liczb w miejsce zmiennych ile ich jest w przypadku wielomianów wielu zmiennych) w wielomianie i wykonanie wszystkich dodawań i mnożeń w wielomianie (tzw. ewaluacja).

Przyporządkowanie każdej liczbie odpowiadającej jej wartości wielomianu jest pewną funkcją. Oznacza to, że dowolny wielomian wyznacza pewną funkcję zwaną funkcją wielomianową. W skończonych ciałach jednej funkcji wielomianowej może odpowiadać więcej niż jeden wielomian[d]. Np. w pierścieniu wielomianów   wielomiany   wyznaczają tę samą funkcję wielomianową.

Analogicznie do definicji wielomianu jako sumy algebraicznej, funkcja   jednej zmiennej nazywana jest funkcją wielomianową, jeżeli:

 

dla wszystkich argumentów   gdzie   jest liczbą naturalną, a   są stałymi współczynnikami. Niekiedy obliczenie wartości wielomianu można przeprowadzić efektywniej za pomocą tzw. schematu Hornera:

 

Przykładowo funkcja   ze zbioru liczb rzeczywistych w siebie zdefiniowana wzorem

 

jest jednoargumentową funkcją wielomianową. Można również zdefiniować wieloargumentowe funkcje wielomianowe za pomocą wielomianów wielu zmiennych, np.

 

Do najważniejszych, a zarazem najprostszych funkcji wielomianowych zalicza się funkcję stałą, funkcję liniową, funkcję kwadratową (nazywaną popularnie trójmianem kwadratowym). Funkcje wielomianowe są ważną klasą funkcji gładkich. W analizie matematycznej pojęć wielomianu i funkcji wielomianowej używa zamiennie[e]. Jednak w algebrze bywa to niedopuszczalne, gdyż różnym wielomianom mogą odpowiadać te same funkcje wielomianowe, np. w pierścieniu Z2 wielomiany   i   definiują te same funkcje, gdyż   oraz  

Równania wielomianoweEdytuj

Równanie wielomianowe to równanie, w którym przyrównywane są dwa wielomiany. Wielomiany uważa się za równe, jeżeli mają one równe współczynniki przy odpowiadających sobie wyrazach. Przykładem równania może być

 

W przypadku równań wielomianowych zmienna uważana jest za niewiadomą, a zadaniem jest znalezienie wszystkich możliwych wartości dla których obie strony równania przyjmują tę samą wartość (w ogólności może istnieć więcej niż jedno rozwiązanie). Równanie wielomianowe może być przeciwstawione tożsamościom wielomianowym, takim jak   gdzie obie strony przedstawiają ten sam wielomian pod różnymi postaciami, dlatego też jakiekolwiek obliczenie wartości obu stron zawsze da równość.

Równanie, w którym wielomian jednej zmiennej jest przyrównywany do zera, nazywa się równaniem algebraicznym. Przykładem może być powyższe równanie wielomianowe. W strukturach uporządkowanych, takich jak liczby rzeczywiste, czy wymierne, ale nie zespolone, można również rozpatrywać nierówności algebraiczne.

DziałaniaEdytuj

  • Suma i iloczyn wielomianów jest wielomianem.
  • Pochodna wielomianu jest wielomianem.
     
  • Funkcja pierwotna (całka) wielomianu jest wielomianem.
     

Dodawanie i mnożenieEdytuj

Dodawanie i mnożenie wielomianów zapisanych w postaci uporządkowanej można wykonywać w postaci analogicznej do dodawania i mnożenia liczb w pozycyjnym systemie liczbowym. Przykład dodawania dwóch wielomianów:

             
             
             

Przykład mnożenia dwóch wielomianów:

       
       
       
       
       
           

DzielenieEdytuj

Iloraz dwóch wielomianów nie musi być wielomianem, jednak każdy wielomian   można przedstawić w postaci

 

gdzie   są wielomianami, przy czym stopień wielomianu   jest mniejszy niż stopień   i wielomiany   oraz   są jednoznacznie wyznaczone.

Operacja ta jest równoważna dzieleniu wielomianu   przez   z resztą. Jeżeli reszta   jest wielomianem zerowym, to mówi się, że wielomian   jest podzielny przez   z kolei   nazywa się dzielnikiem wielomianu  

Algorytm dzielenia wielomianów z resztą jest analogiczny do dzielenia liczb całkowitych z resztą. Algorytmem, który zakończy się z całą pewnością, jest algorytm Euklidesa, bywa on również wykorzystywany do wyznaczania największego wspólnego dzielnika,   dwóch wielomianów, czyli wielomianu jak najwyższego stopnia, który dzieli oba z nich;   wyznaczony jest w tym przypadku z dokładnością do stałej[f].

Twierdzenie Bézouta mówi, że   jest pierwiastkiem wielomianu   wtedy i tylko wtedy, gdy   jest podzielny przez   Stąd w przypadku dzielenia przez dwumian postaci   często stosuje się również schemat Hornera.

Iloraz wielomianów nazywany jest wyrażeniem wymiernym, zaś funkcję go realizującą nazywa się funkcją wymierną. Oto przykład

 

Wyrażenia wymierne (funkcje wymierne) pełnią względem wielomianów (funkcji wielomianowych) rolę podobną do liczb wymiernych względem liczb całkowitych.

Wielomian   jest podzielny przez   jego ilorazem jest  

PierwiastkiEdytuj

Pierwiastek wielomianu   to taka liczba   dla której dwumian   dzieli bez reszty wielomian   Miejscem zerowym funkcji wielomianowej nazywa się taką wartość zmiennej (lub wartości zmiennych w przypadku wielomianu wielu zmiennych), dla której wartość funkcji wielomianowej wynosi 0, innymi słowy jest to rozwiązanie równania algebraicznego. Zbiór miejsc zerowych funkcji wielomianowej pokrywa się ze zbiorem pierwiastków odpowiadającego jej wielomianu, o czym mówi twierdzenie Bézouta.

Stopniem równania algebraicznego nazywa się stopień wielomianu niezerowego. Istnieją wzory pozwalające rozwiązać każde równanie stopnia pierwszego, drugiego, trzeciego i czwartego. Udowodniono, że efektywne znalezienie rozwiązań równań wyższych stopni przez wykorzystanie podstawowych działań arytmetycznych wraz z pierwiastkowaniem na ogół nie jest możliwe (twierdzenie Abela-Ruffiniego).

KrotnośćEdytuj

Krotnością pierwiastka   wielomianu   nazywa się największą liczbę naturalną   taką, że wielomian   dzieli się bez reszty przez wielomian   Jeżeli pierwiastek ma krotność równą co najmniej 2, to zwykle nazywa się go wielokrotnym (dwu-, trzy-, cztero-, pięciokrotnym itd.), jeżeli wynosi ona 1, nazywa się go jednokrotnym.

Jeżeli   jest (co najmniej) dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu   to   jest także pierwiastkiem pochodnej   wielomianu   Twierdzenie odwrotne nie jest prawdziwe.

Rozkład na czynnikiEdytuj

Wszystkie wielomiany jednej zmiennej o rzeczywistych lub zespolonych współczynnikach mogą być przedstawione w postaci iloczynu zespolonych wielomianów liniowych:

 

gdzie   są pierwiastkami wielomianu. Liczba iloczynów jest równa sumie krotności wszystkich pierwiastków, co wynika z zasadniczego twierdzenia algebry i twierdzenia Bézouta.

Wielomian rzeczywisty jednej zmiennej można rozłożyć na iloczyn wielomianów rzeczywistych co najwyżej drugiego stopnia. Czynniki nieliniowe mają wtedy postać   przy czym   Każdy taki czynnik odpowiada dwóm sprzężonym pierwiastkom zespolonym. Nie istnieje podobna reguła dla wielomianów wymiernych.

Rozkład na czynniki przeprowadza się zwykle jednym z następujących sposobów:

Przykład

Wielomian

 

można zapisać w postaci

 

stąd   jest pierwiastkiem dwukrotnym, zaś   pierwiastkiem jednokrotnym tego wielomianu.

Szukanie pierwiastkówEdytuj

Oprócz rozkładu na czynniki istnieje szereg metod ułatwiających wyznaczanie pierwiastków danego wielomianu. Niżej, tam gdzie wspomina się o liczbie pierwiastków, stosowana będzie konwencja mówiąca, iż równa jest ona sumie krotności wszystkich pierwiastków wielomianu.

  • Zasadnicze twierdzenie algebry: każdy wielomian zespolony stopnia   ma pierwiastek zespolony. Wynika z tego, że każdy wielomian zespolony ma dokładnie   pierwiastków zespolonych.
  • Pierwiastki zespolone wielomianu rzeczywistego występują jako pary liczb wzajemnie sprzężonych.
  • Wielomian rzeczywisty stopnia   ma   pierwiastków rzeczywistych lub o parzystą liczbę mniej; w szczególności, wielomian rzeczywisty stopnia nieparzystego zawsze ma pierwiastek rzeczywisty.
  • Twierdzenie Sturma pozwala wyznaczyć liczbę pierwiastków wielomianu rzeczywistego w przedziale  
  • Twierdzenie Hurwitza pozwala rozstrzygnąć, czy wszystkie pierwiastki wielomianu rzeczywistego leżą w lewej półpłaszczyźnie zespolonej.
  • Twierdzenie o pierwiastkach całkowitych wielomianu całkowitego: jeżeli liczba całkowita jest pierwiastkiem wielomianu całkowitego o niezerowym wyrazie wolnym, to jest ona dzielnikiem wyrazu wolnego[g].
  • Twierdzenie o pierwiastkach wymiernych wielomianu całkowitego: jeżeli ułamek nieskracalny   jest pierwiastkiem wielomianu całkowitego, to   jest dzielnikiem wyrazu wolnego oraz   jest dzielnikiem współczynnika wiodącego[h].
  • Wzory Viète’a łączą pierwiastki wielomianu z jego współczynnikami.
  • Dla dowolnego wielomianu   wielomian   jest wielomianem mającym te same pierwiastki co wyjściowy, lecz wszystkie są jednokrotne.
  • Rugownik dwóch wielomianów jest równy zeru wtedy i tylko wtedy, gdy mają one wspólny pierwiastek.
  • Reguła Kartezjusza: liczba dodatnich pierwiastków wielomianu jest równa liczbie zmian znaku pomiędzy kolejnymi niezerowymi współczynnikami lub też mniejsza od niej o wielokrotność liczby 2. Zamieniając   na   można oszacować liczbę ujemnych pierwiastków; przykładowo wielomian
     
ma dokładnie jeden pierwiastek dodatni – zmiana znaku występuje przy przejściu od współczynnika przy drugim wyrazie do współczynnika przy trzecim.

WykresyEdytuj

W prostokątnym układzie współrzędnych:

  • Wykres przecina on pionową oś w punkcie   gdzie   to wyraz wolny tego wielomianu;
  • Wielomian zerowy i wielomian stopnia zerowego posiadają wykres będący prostą równoległą do poziomej osi;
  • Wykresem wielomianu stopnia pierwszego jest prosta o współczynniku kierunkowym równym najstarszemu współczynnikowi wielomianu;
  • Wykresem wielomianu stopnia drugiego lub wyższego jest krzywa ciągła, niebędąca prostą. Wykresem wielomianu stopnia drugiego jest parabola.
  • W odciętej, gdzie pierwiastek wielomianu jest parzystokrotny, krzywa jest styczna do poziomej osi. W przeciwnym przypadku, krzywa przecina poziomą oś układu współrzędnych.

Wykresy wielomianów można badać używając metod analizy matematycznej (przecięcia z osiami, punkty przegięcia, wypukłość, zachowanie w nieskończoności itd.)

 
Wielomian stopnia 2:  
 
Wielomian stopnia 3:  
 
Wielomian stopnia 4:  
 
Wielomian stopnia 5:  

ZastosowaniaEdytuj

Analiza matematycznaEdytuj

Wielomiany ze względu na swoje „silne” własności (ciągłość, różniczkowalność) odgrywają ważną rolę w analizie matematycznej.

Wielomiany służą przybliżaniu (aproksymacji) funkcji. Do ważniejszych wyników w tej dziedzinie należą:

Analiza numerycznaEdytuj

Mając dany dowolny  -elementowy zbiór punktów   w którym   są parami różne, istnieje wielomian stopnia co najwyżej   którego wykres przechodzi przez te punkty. Zagadnienie znalezienia tego wielomianu nazywa się interpolacją wielomianową. Interpolacja może służyć do przybliżania funkcji wielomianami.

Wielomian interpolacyjny istnieje dokładnie jeden. W szczególności wynika stąd, że jeśli dwa wielomiany stopnia nie większego od   przyjmują takie same wartości w   punktach to są równe.

Do interpolowania można używać postaci Lagrange’a i postaci Newtona.

Algebra liniowaEdytuj

W ujęciu algebry liniowej każdy wielomian jest kombinacją liniową funkcji potęgowych postaci   gdzie   Zbiór wielomianów rzeczywistych lub urojonych jest podprzestrzenią liniową przestrzeni wszystkich funkcji określonych odpowiednio na   lub   Twierdzenie Stone’a-Weierstrassa mówi, że przestrzeń wielomianów jest zbiorem gęstym w przestrzeni Banacha   z normą supremum.

Ważnym obiektem związanym z pojęciami macierzy oraz przekształcenia liniowego jest ich wielomian charakterystyczny.

AlgorytmikaEdytuj

Naiwny algorytm obliczenia wartości wielomianu w punkcie wymaga   mnożeń (zob. asymptotyczne tempo wzrostu). Zapisując wielomian w postaci:

 

potrzebny czas skraca się do   Powyższy sposób obliczania, nazywany schematem Hornera, może służyć również do szybkiego dzielenia wielomianu przez dwumian   Po znalezieniu pierwiastka równania można dzięki temu szybko obniżyć jego stopień.

Naiwny algorytm mnożenia dwóch wielomianów stopnia   wymaga czasu   Za pomocą szybkiej transformaty Fouriera (FFT) czas ten można zmniejszyć do   Mówiąc w uproszczeniu, algorytm mnożenia wpierw przedstawia czynniki za pomocą listy ich wartości w zespolonych pierwiastkach z 1 (ewaluacja), dokonuje mnożenia i powraca do pierwotnej postaci (interpolacja).

UogólnieniaEdytuj

Zniesienie ograniczenia dotyczącego liczby wyrazów prowadzi do pojęcia szeregu potęgowego. Wiele ważnych funkcji daje się rozwinąć w szereg potęgowy (często ich istotność wynika właśnie z tego faktu), co ułatwia badanie ich własności. Przykładowo funkcja wykładnicza   ma rozwinięcie:

 

Każdy wielomian będący wynikiem wzięcia pewnej skończonej liczby (zwykle początkowych) wyrazów tej sumy jest przybliżeniem funkcji. Rozwijanie funkcji w szeregi jest szczególnie ważne w przypadku funkcji, które nie są elementarne (zob. funkcje specjalne).

Inną możliwością jest zdefiniowanie wielomianów jako skończonych napisów formalnych, w których współczynniki wzięte są z dowolnego pierścienia. Tego typu napisy dla porządnych pierścieni umożliwiają nawet uprawianie analizy, gdzie wiele pojęć zdefiniowanych jest także formalnie (pochodna, pierwotna wielomianu). Kolejnym uogólnieniem jest szereg formalny będący połączeniem dwóch powyższych możliwości.

Pójściem w innym kierunku jest przyzwolenie na wyrazy o wykładnikach całkowitych, a nie tylko naturalnych – wielomiany takie nazywa się wielomianami Laurenta. Rozszerzenie wielomianów Laurenta w sposób podobny do rozszerzenia zwykłych wielomianów do szeregów potęgowych nazywa się szeregiem Laurenta.

Zobacz teżEdytuj

UwagiEdytuj

  1. Nie określa się stopnia wielomianu zerowego, czyli składającego się z jednego wyrazu wolnego równego zeru, choć niekiedy przyjmuje się, że wynosi on   z powodu konwencji dot. tego symbolu (jest on wynikiem przy dodawaniu go do dowolnej liczby i jego mnożeniu przez liczbę nieujemną).
  2. Niekiedy stosuje się również oznaczenie   (od stopień).
  3. Ta równość w pierścieniu z dzielnikami zera staje się nierównością.
  4. Funkcji   gdzie zbiór   ma   elementów, jest   zaś wielomianów o współczynnikach z tego zbioru jest przeliczalnie wiele.
  5. W pierścieniu nieskończonym bez dzielników zera każda funkcja wielomianowa wyznacza jednoznacznie wielomian.
  6. Stałej niezerowej; dokładniej, elementu odwracalnego w zbiorze współczynników.
  7. Jeśli   jest pierwiastkiem wielomianu   to   (skoro   to również  ) skąd   lewa strona jest całkowita (z założenia), zatem prawa również, czyli   istotnie jest dzielnikiem  
  8. Wniosek z powyższego twierdzenia – należy rozważyć wielomian pomnożony przez  

PrzypisyEdytuj

  1. a b Thomas H. Cormen i inni, Wprowadzenie do algorytmów, Krzysztof Diks i inni, Wydanie VII (I w PWN), Warszawa: PWN, 2015.

BibliografiaEdytuj

  • Zdzisław Opial: Algebra wyższa. PWN, 1974.
  • Wielomiany i FFT. W: Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rivest, Clifford Stein: Wprowadzenie do algorytmów. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2005. ISBN 83-204-3149-2.
  • Małgorzata Dobrowolska, Marcin Karpiński, Jacek Lech: Matematyka II: podręcznik dla liceum i technikum. Gdańsk: Gdańskie Wydawnictwo Oświatowe, 2008, s. 39.