Wielomian – w
matematyce
wyrażenie algebraiczne
złożone ze
zmiennych
i
stałych
połączonych
działaniami
dodawania
,
odejmowania
,
mnożenia
i podnoszenia do
potęgi
o stałym wykładniku
naturalnym
.
Wielomiany, ze względu na swoją prostotę i dobrze poznane własności, są 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
).
Zarys
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.
Każda zmienna może być podniesiona do dowolnej nieujemnej
liczby całkowitej
(dalej:
liczby naturalnej
). Wykładnik przy danej zmiennej w wyrazie nazywa się stopniem zmiennej w wyrazie, przy czym zmienna bez wykładnika ma stopień równy 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[1] i oznacza symbolem [2]. 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 f,g zachodzą zależności:
- [3]
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).
Przykład
Wyrażenie
- − 5x2y
jest wyrazem. Jego współczynnikiem jest − 5, zmiennymi są x oraz y, przy czym stopień zmiennej x wynosi dwa, zaś zmiennej y 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 x o wykładniku 2, ma współczynnik 3. Napis − 5x oznacza + ( − 5)x, a więc współczynnikiem środkowego wyrazu jest − 5, nie zaś 5. Trzeci wyraz jest wolny. Ponieważ stopień niezerowego wielomianu dany jest jako największy ze wszystkich stopni wyrazów, to powyższy wielomian ma stopień równy dwa.
Postać
Ogólnie każde wyrażenie, które można przekształcić w wielomian za pomocą podstawowych własności działań (
przemienności
,
łączności
i
rozdzielności
) uważane jest za wielomian. Przykładowo wyrażenie
- (x + 1)3
jest wielomianem, ponieważ można je przekształcić do postaci x3 + 3x2 + 3x + 1. 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
- (5 + y)x,
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
- .
Czasami tak właśnie definiuje się wielomian jednej zmiennej.
Funkcje wielomianowe
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
funkcją
nazywaną funkcją wielomianową. Funkcja f jednej zmiennej nazywana jest funkcją wielomianową, jeżeli spełnia
dla wszystkich argumentów x, gdzie n jest liczbą naturalną, a są stałymi współczynnikami. Niekiedy obliczenie wartości wielomianu można przeprowadzić efektywniej za pomocą tzw.
schematu Hornera
:
- .
Przykładowo funkcja f ze zbioru
liczb rzeczywistych
w siebie zdefiniowana wzorem
- f(x) = x3 − x
jest jednoargumentową funkcją wielomianową. Można również zdefiniować wieloargumentowe funkcje wielomianowe za pomocą wielomianów wielu zmiennych, np.
- f(x,y) = 2x3 + 4x2y + xy5 + y2 − 7.
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[4]. Jednak w algebrze bywa to niedopuszczalne, gdyż różnym wielomianom mogą odpowiadać te same funkcje wielomianowe, np. w pierścieniu
Z2
wielomiany x2 i x definiują te same funkcje, gdyż 02 = 0 oraz 12 = 1.
Równania wielomianowe
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
- 3x2 + 4x − 5 = 0.
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 (x + y)(x − y) = x2 − y2, 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
.
Działania
Dodawanie i mnożenie
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:
| 3x6 | − 2x5 | + 8x4 | + 8x3 | − 3x2 | + 7x | + 1 |
| | 4x5 | + x4 | + 9x3 | − 12x2 | + 6x | − 5 |
| 3x6 | + 2x5 | + 9x4 | + 17x3 | − 15x2 | + 13x | − 4 |
Przykład mnożenia dwóch wielomianów:
| | − 2x3 | + 5x2 | + 6x | − 3 |
| | | + 3x2 | + x | − 4 |
| | 8x3 | − 20x2 | − 24x | + 12 |
| − 2x4 | + 5x3 | + 6x2 | − 3x | |
− 6x5 | + 15x4 | + 18x3 | − 9x2 | | |
− 6x5 | + 13x4 | + 31x3 | − 23x2 | − 27x | + 12 |
Dzielenie
Iloraz dwóch wielomianów nie musi być wielomianem, jednak każdy wielomian f można przedstawić w postaci
- f = gh + r,
gdzie g,h,r są wielomianami, przy czym stopień wielomianu r jest mniejszy niż stopień g i wielomiany h oraz r są jednoznacznie wyznaczone.
Operacja ta jest równoważna dzieleniu wielomianu f przez g z resztą. Jeżeli reszta r jest wielomianem zerowym, to mówi się, że wielomian f jest podzielny przez g, z kolei g nazywa się dzielnikiem wielomianu f.
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[5].
Twierdzenie Bézout
mówi, że a jest pierwiastkiem wielomianu f(x) wtedy i tylko wtedy, gdy f jest podzielny przez x − a. Stąd w przypadku dzielenia przez dwumian postaci x − a 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 x2 − 9 jest podzielny przez x + 3, jego ilorazem jest x − 3.
Pierwiastki
Pierwiastek wielomianu f(x) to taka liczba a, dla której dwumian x − a dzieli bez reszty wielomian f.
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 tych równań przez wykorzystanie podstawowych działań arytmetycznych wraz z pierwiastkowaniem na ogół nie jest możliwe (
twierdzenie Abela-Ruffiniego
).
Krotnością pierwiastka a wielomianu f(x) nazywa się największą liczbę naturalną k taką, że wielomian f dzieli się bez reszty przez wielomian (x − a)k. 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 a jest (co najmniej) dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu f, to a jest także pierwiastkiem
pochodnej
f' wielomianu f.
Twierdzenie odwrotne
nie jest prawdziwe.
Rozkład na czynniki
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 x2 + px + q, przy czym p2 < 4q. Każdy taki czynnik odpowiada dwóm
sprzężonym
pierwiastkom
urojonym
. Nie istnieje podobna reguła dla wielomianów wymiernych.
Rozkład na czynniki przeprowadza się zwykle jednym z następujących sposobów:
- Przykład
Wielomian
- x3 + x2 − x − 1
można zapisać w postaci
- (x + 1)2(x − 1),
stąd − 1 jest pierwiastkiem dwukrotnym, zaś 1 pierwiastkiem jednokrotnym tego wielomianu.
Szukanie pierwiastków
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.
- Wielomian stopnia n ma[6] co najwyżej n pierwiastków.
-
Zasadnicze twierdzenie algebry
: każdy wielomian zespolony stopnia n ma pierwiastek zespolony. Wynika z tego, że każdy wielomian zespolony ma dokładnie n pierwiastków zespolonych.
- Pierwiastki zespolone (nierzeczywiste) wielomianu rzeczywistego występują jako pary liczb wzajemnie sprzężonych.
- Wielomian rzeczywisty stopnia n ma n 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 (a,b).
-
Twierdzenie Hurwitza
pozwala rozstrzygnąć, czy wszystkie pierwiastki wielomianu rzeczywistego leżą w lewej półpłaszczyźnie zespolonej.
- Twierdzenie o pierwiastkach wymiernych wielomianu całkowitego: jeżeli ułamek nieskracalny jest pierwiastkiem wielomianu całkowitego, to p jest dzielnikiem wyrazu wolnego oraz q jest dzielnikiem współczynnika wiodącego.
-
Wzory Viète'a
łączą pierwiastki wielomianu z jego współczynnikami.
- Dla dowolnego wielomianu f wielomian jest wielomianem mającym te same pierwiastki co wyjściowy, lecz wszystkie krotności 1.
-
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 x na − x można oszacować liczbę ujemnych pierwiastków; przykładowo wielomian
- x3 + x2 − x − 1
- ma dokładnie jeden pierwiastek dodatni - zmiana znaku występuje przy przejściu od współczynnika przy drugim wyrazie do współczynnika przy trzecim.
Wykresy
Wykres funkcji wielomianowej jednej zmiennej w
prostokątnym układzie współrzędnych
:
- przecina on pionową oś w punkcie (0,a0), gdzie a0 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 jest
parabola
;
- wykresem wielomianu stopnia drugiego lub wyższego jest
krzywa
ciągła, niebędąca prostą;
- w miejscach, gdzie pierwiastek wielomianu jest parzystokrotny, krzywa jest styczna do poziomej osi, a tam gdzie pierwiastek jest nieparzystokrotny, krzywa przecina poziomą oś układu.
Wykresy wielomianów można badać używając metod analizy matematycznej (przecięcia z osiami, punkty przegięcia, wypukłość, zachowanie w nieskończoności itd.)
Wielomian stopnia 2: f(x) = x2 - x - 2 = (x+1)(x-2) | Wielomian stopnia 3: f(x) = x3/4 + 3x2/4 - 3x/2 - 2 = 1/4 (x+4)(x+1)(x-2) |
Wielomian stopnia 4: f(x) = 1/14 (x+4)(x+1)(x-1)(x-3) + 0.5 | Wielomian stopnia 5: f(x) = 1/20 (x+4)(x+2)(x+1)(x-1)(x-3) + 2 |
Zastosowania
Analiza matematyczna
Wielomiany ze względu na swoje „porządne” własności (
ciągłość
,
różniczkowalność
) grają ważną rolę w
analizie matematycznej
.
Wielomiany służą przybliżaniu (
aproksymacji
) funkcji. Do ważniejszych wyników w tej dziedzinie należą:
Analiza numeryczna
Mając dany dowolny n + 1-elementowy zbiór punktów w którym xi są parami różne, istnieje wielomian stopnia co najwyżej n którego wykres przechodzi przez te punkty. Zagadnienie znalezienia tego wielomianu nazywa się
interpolacją wielomianową
. Interpolacja może służyć do przybliżania funkcji wielomianami.
Do interpolowania można używać
postaci Lagrange'a
i
postaci Newtona
.
Algebra liniowa
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
.
Algorytmika
Naiwny algorytm obliczenia wartości wielomianu w punkcie wymaga mnożeń (zob.
asymptotyczne tempo wzrostu
). Zapisując wielomian w postaci:
potrzebny czas skraca się do Θ(n). Powyższy sposób obliczania, nazywany
schematem Hornera
, może służyć również do szybkiego dzielenia wielomianu przez
dwumian
x − a. Po znalezieniu pierwiastka równania można dzięki temu szybko obniżyć jego stopień.
Naiwny algorytm mnożenia dwóch wielomianów stopnia n wymaga czasu Θ(n2). Za pomocą
szybkiej transformaty Fouriera
(FFT) czas ten można zmniejszyć do Θ(nlogn). 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).
Uogólnienia
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
exp(x) 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 też
Bibliografia
- 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. .
Przypisy
- ↑ 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).
- ↑ Niekiedy stosuje się również oznaczenie (od stopień).
- ↑ Ta równość w
pierścieniu z dzielnikami zera
staje się nierównością.
- ↑ W pierścieniu nieskończonym bez
dzielników zera
każda funkcja wielomianowa wyznacza jednoznacznie wielomian.
- ↑ Stałej niezerowej; dokładniej,
elementu odwracalnego
w zbiorze współczynników.
- ↑ W
pierścieniu całkowitym
.