Polinom
A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából.
A matematikában a polinom (vagy többtagú algebrai kifejezés) egy olyan kifejezés, melyben csak számok és változók egész kitevőjű hatványainak szorzatai illetve ilyenek összegei szerepelnek. Például:
- p(x,y,z,u) = 5x4y6 - 3xz3+11y15u7
- q(x) = 2x2 + 6x + 9
- r(x,y) = x3 + 3x2y + 3x2y + y3
A polinomban a számokkal szorzott hatványszorzatokat monomonak (vagy egytagoknak) nevezzük (például p-nél az 5x4y6, a 3xz3 és az 11y15u7 tagok).
Tartalomjegyzék |
[szerkesztés] A polinomokról általában
A monomokban lévő számszorzókat a polinom együtthatóinak hívjuk. A változókat néha határozatlanoknak. Az egyes monomokban a változók kitevőinek összege adja meg az adott monom fokát. A polinom fokának a benne lévő monomok fokának maximumát tekintjük.
Általában ha egy változó az első hatványon szerepel, akkor nem szokták a kitevőbe kiírni az 1-et. A 0 fokú monomokat konstans polinomoknak nevezzük.
Egyneműnek nevezünk egy monomot, ha csak együtthatóban különböznek. Polinomokat úgy adunk össze, hogy az egynemű egytagok együtthatóit összeadjuk:
A szorzás úgy történik, hogy „minden tagot minden taggal beszorzunk” és a keletkező szorzatokban az azonos változók hatványait az azonos alapú hatványok szorzásának szabályával számítjuk ki. Például
A polinomok legegyszerűbb megjelenési formái az egyváltozós polinomok. Például az
egy harmadfokú, egyhatározatlanú polinom. Az x fokszáma szerint csökkenő sorrendbe írva, az első monom foka 3, a másodiké 2, a harmadiké 0. A harmadfokú tag együtthatója 8, a másodfokúé -7, a konstans tag 36.
Egy másik jellegzetes polinomfajta a homogén fokszámú polinomok, melyekben a monomok foka egyenlő. Ilyenek szerepelnek például a binomiális tételben:
A polinomok együtthatói tetszőleges gyűrűből kerülhetnek ki. Ha R ez a gyűrű, akkor az egyváltozós, R beli együtthatós polinomok körét R[X] jelöli. R[X] maga is gyűrűt alkot. Ha T test (algebra), akkor T[X] végtelen dimenziós vektorteret T felett. Ha T kommutatív test és a T[X] integritási tartományban p felbonathatatlan elem, akkor az T[X]/(p) maradékosztálygyűrű test. A középiskolában egész, racionális vagy valós együtthatós polinomokkal találkozhatunk. Az algebra alaptételében komplex együtthatós polinomokról van szó. Hasznosak még a kvaternió együtthatós (tehát lényegében mátrix együtthatójú), vagy a moduló m maradékosztálybeli együtthatós (véges testbeli) polinomok is.
[szerkesztés] Egyhatározatlanú polinomok és a köztük lévő műveletek
Az egyhatározatlanú polinomok tekinthetők olyan véges sok nemnulla elemmel rendelkező sorozatoknak, melyek elemei egy R gyűrűből kerülnek ki. Ekkor a sorozat elemeit az annyiadik fokú tag együtthatóját jelenti:
Nemnulla egyhatározatlanú polinom foka a legkisebb nemnulla indexe (az indexelész 0-ról indítjuk). Például, ha a ∈ R nem nulla, akkor (a,0,0,0,0,...) konstanspolinom foka 0. A (0,0,0,0,...) nullapolinom foka nincs értelmezve (nincs legkisebb indexű nemnulla eleme). A fok jele, mint fent: deg(p).
[szerkesztés] Összeadás
Az ilyen, sorozatként interpretált polinomok esetén az összeadás világos: pontonként történik:
Pl:
[szerkesztés] Szorzás
A polinomszorzás a sorozatok konvolúciószorzata lesz: átlónként kell összeszorozni az elemeket, majd összeadni:
Hiszen világos, hogy a szorzatban azonos kitevőt adó monomokat (lehet) kell összeadni.
[szerkesztés] Polinomgyűrű
R[X] ezzel a két művelettel gyűrűt alkot. Ha R egységelemes, akkor R[X] egységelemes gyűrű. Ha R integritási tartomány (kommutatív, nemnulla egységelemes, nullosztómentes gyűrű), akkor R[X] is az.
[szerkesztés] Maradékos osztás
[szerkesztés] Gyűrű felett
Ha R kommutatív gyűrű, nemnulla egységelemmel, értelmes a maradékos osztás a következő korlátozott módon. Minden a,b ∈ R[X]-re, ha b főegyüthatója egység (azaz az egységelem osztója), egyértelműen létezik olyan q,r ∈ R[X], hogy
- 1. és
- 2. vagy
Például Z[X]-ben x3 + x = xx2 + x (itt deg(x) < deg(x2)).
A Z[X]-beli korlátozott maradékos osztás nem összekeverendő az egész számok körében végezhető korlátlan maradékos osztással. Például világos, hogy
- 3x + 4 =3(x+1)+1, ahol |1| < |3|
azonban – bár az 1, 3, 4 számok polinomok Z[X]-ben – világos, hogy deg(1) = deg(3), hiszen mindekettő konstanspolinom. A különbség abból fakad, hogy Z-ben az osztás normája az abszolútérték, Z[X]-ben viszon a polinom foka, mely minden nemnulla konstanspolinomra 0.
[szerkesztés] Test felett
Ha T kommutatív test, akkor minden a,b ∈ T[X]-re, egyértelműen létezik olyan q,r ∈ T[X], hogy
- 1. és
- 2. vagy
[szerkesztés] Polinomok számelmélete
Az alábbiakban a test feletti egyhatározatlanú polinomok számelméleti tulajdonságait vizsgáljuk. A test feletti polinomok ugyanis integritási tartományt alkotnak, így értelmesek benne a számelméleti fogalmak.
Ha f és g polinomok, akkor azt mondjuk, hogy g osztója f-nek, ha létezik egy olyan h polinom, hogy:
Tehát ez azt jelenti, hogy f-et maradékosan elosztva g-vel a nullapolinomot kapjuk maradul.
[szerkesztés] Az oszthatóság tulajdonságai
-
- és akkor
- akkor ha
- és akkor ahol és tetszőlegesek.
- akkor és ahol tetszőleges konstans.
- Ha és akkor
[szerkesztés] Legnagyobb közös osztó, legkisebb közös többszörös
-re azt mondjuk, hogy és közös osztója, ha osztója -nek és -nek Egy polinomot az és polinomok legnagyobb közös osztójának nevezzük, ha és közös osztója, valamint osztható és bármely közös osztójával. Jelölés:
Hasonló módon -re azt mondjuk, hogy és közös többszöröse, ha -nek osztója -nek és is. Egy polinomot az és polinomok legkisebb közös többszörösének nevezzük, ha és közös többszöröse, valamint osztja és bármely közös többszörösét.
[szerkesztés] Tulajdonságok
Tetszőleges és polinomoknak mindig van legnagyobb közös osztója, illetve amennyiben ezekből többet találunk, akkor azok csak egy konstans szorzóban térnek el egymástól.
Az egész számok körében a legnagyobb közös osztó gyors meghatározására kitalált Euklideszi-algoritmus a polinomok körében is működik.
[szerkesztés] Irreducibilis polinomok
Egy n-edfokú polinomra akkor mondjuk, hogy irreducibilis, ha az nem bontható fel két, n-nél kisebb fokú polinom szorzatára. Nevezhetjük őket a polinomok között prímeknek. Fontos azonban, hogy mely számok teste felett értjük az irreducibilitást, ugyanis például az polinom a valós számok teste felett irreducibilis, a komplexé felett pedig nem.
Állítások irreducibilis polinomokra:
- Minden elsőfokú polinom irreducibilis.
- Ha irreducibilis, akkor tetszőleges konstans esetén is az.
- Ha és irreducibilis, akkor vagy .
- Minden polinomhoz megadhatók konstans szorzó erejéig egyértelműen olyan polinomok, hogy teljesül.
[szerkesztés] Polinomfüggvények
Ha R[X] az R gyűrű feletti polinomgyűrű és p = p(x) polinom, akkor a p által meghatározott polinomfüggvényen a
függvényt értjük.
Példák:
1. a komplex számok feletti q(z) = iz4 + 3iz - 5 polinom által meghatározott polinomfüggvény a
- g: C C; z iz4 + 3iz - 5
függvény
2. a moduló 5 maradékosztályok feletti r(x) = x4 polinom által meghatározott polinomfüggvény a
- h: Z5 Z5; x x4
Véges gyűrű feletti polinomfüggvény nem jelöli ki egyértelműen azt a polinomot, melyből a polinomfüggvény keletkezett. A 2. példánál h nem más, mint a
függvény éspedig a kis Fermat-tétel miatt. De ez ugyanaz, mint a h2(x)= x8 polinomfüggvény, amely azonban más polinom által meghatározott. S míg x4 x8 (mint polinom), addig h1 = h2, mint függvény. Ez amiatt van, hogy míg polinomból végtelen sok van, addig R-ből R-be menő függvényből csak nn db, amennyiben R számossága az n véges szám. Végtelen gyűrűkben már azonban igaz a kölcsönös meghatározottság.
[szerkesztés] Helyettesítési érték, zérushely, gyök
Ha p ∈ R[X] polinom és α ∈ R, akkor azt mondjuk, hogy p helyettesítési értéke α-ban a β ∈ R elem, ha a p által meghatározott polinomfüggvény α-n a β-t veszi föl értékül. Ezt a következő képpen jelöljük:
Ha p osztható az (x - α) elsőfokú polinommal, azaz létezik olyan q ∈ R[X] polinom, hogy
akkor azt mondjuk, hogy α ∈ R elem gyöke a p polinomnak és hogy (x-α) gyöktényezője p-nek.
Az x0 ∈ R elem zérushelye a p polinomnak, ha x0-ben a p helyettesítési értéke 0.
Bézout tétele – A p ∈ R[X] polinomnak az α ∈ R elem pontosan akkor gyöke, ha zérushelye.
A nemnulla polinom gyökeinek száma legfeljebb annyi, mint a fokszáma. A komplex számok körében ezen kívül még az is igaz, hogy egy nemkonstans polinomnak pontosan annyi gyöke van (a multiplicitással számolva) ahanyad fokú a polinom. Ez az algebra alaptétele.
A (multiplicitással számolva) pontosan n db gyökkel rendelkező n-edfokú polinomok felírhatók ún. gyöktényezős alakban:
A jobb oldali alakban an a polinom főegyütthatójának, x1,x2,...,xn pedig a polinom gyökeinek felelnek meg.
[szerkesztés] Helyettesítési érték kiszámítása – Horner-módszer
A gyökök meghatározására alacsony fokú (első, másod, harmad) polinomok esetében léteznek különféle egyszerű formulák – ehhez lásd a megoldóképlet című cikket – azonban magasabb fokúak esetében ez már igencsak nehézkes. Azt meghatározni azonban, hogy egy komplex szám gyöke-e egy adott polinomnak létezik egy módszer, amit Horner dolgozott ki. A módszer működésének megértéséhez vegyük észre, hogy a polinomok a következő alakban is felírhatók:
Tehát egy komplex számról úgy tudjuk meg, hogy gyöke-e lesz-e a polinomunknak, hogy megnézzük a helyettesítési értékét az előző képlet szerint:
A módszer lényeges eleme az ún. Horner-séma lesz, azaz hogy ezt a fenti egyenletet táblázatba rendezzük azért, hogy a számolást meg tudjuk gyorsítani:
A fölső sorban a polinom együtthatói állnak. Az alsó sor első eleme a főegyüttható lesz, majd a következő tagokat úgy képezzük, hogy az előző tagot megszorozzuk -val majd hozzáadjuk a soron következő együtthatót. Így tehát az alsó sor elemei megfelelnek a fenti képlet egyes zárójeleinek, tehát végül alatt helyettesítési értéke áll.
Megjegyzések:
- A Horner-séma második sorában szereplő számok éppen az –val vett polinomosztás hányadosának együtthatói. Azaz ha egy gyököt megtaláltunk, szorzattá bonthatjuk a polinomunkat és az így kapott újabb polinomnak egy gyökét is próbálhatjuk megkeresni. Ezzel a módszerrel továbbhaladva eljuthatunk a polinom gyöktényezős alakjához.
- Ha helyettesítési értékére nem 0 jön ki akkor a kapott érték lesz az osztásunk maradéka.
Például vizsgáljuk meg, hogy a következő polinomnak gyöke-e a 3:
A feladathoz tartozó Horner-séma:
1 | -5 | 11 | -15 | |
3 | 1 | 31-5=-2 | 3(-2)+11=5 | 35-15=0 |
Tehát a 3 gyöke a polinomnak és az polinommal való leosztás után szintén a táblázatból leolvasva kapjuk, hogy a hányadospolinom az lesz.
[szerkesztés] Gyökök és együtthatók közötti összefüggések
Legyenek a polinom együtthatói:, a gyökei pedig: . Ekkor a polinom gyökei és együtthatói között a következő összefüggések állnak fenn:
Ezeket az összefüggéseket Viète-formuláknak nevezzük. Előállításuk úgy történik, hogy gyöktényezős alakjában elvégezzük a beszorzást és összevetjük az így kapott együtthatókat az általános felírásból adódókkal.
Másodfokú polinomokra így kapjuk meg a formulákat:
Ezekből adódik tehát hogy:
és
[szerkesztés] Polinomok analízise
Polinomok deriváltja és integráltja könnyen számolható. Tehát vegyük az általánosan felírt polinom képletét:
Ennek az x szerinti deriváltja a következő:
A határozatlan integráltja pedig ez:
A polinomokat végtelen sorok formájában függvények közelítésénél is használatosak. Ekkor a függvényeket Taylor-sorba fejtve kapunk hozzájuk határértékben tartó hatványsorokat. Ha ezeknek a végtelen soroknak csak véges alakjait tekintjük, akkor beszélünk Taylor-polinomkról.
Két a racionális számok teste feletti polinom hányadosát racionális függvénynek vagy racionális törtfüggvénynek hívjuk. Ezeknek az integrálása az integrálszámítás egyik alapváltozata. A művelet elvégzéséhez a parciális törtekre bontás módszerét szükséges alkalmazni.
[szerkesztés] Interpoláció
Az interpoláció módszerének segítségével különböző komplex számpárra, vagyis n pontra a komplex számsíkon illeszthető ()-ed fokú polinom amely áthalad a megadott pontokon.
[szerkesztés] Bizonyítás
Legyenek az adott pontpárok a következők: . Először az egyértelműséget igazoljuk. Ha és két a feltételeknek eleget tevő polinom, akkor egy olyan legfeljebb ()-ed fokú polinom, amelynek gyöke. Az algebra alaptétele szerint ez csak akkor lehetséges, ha , vagyis .
Most konstruáljunk meg egy ilyen polinomot Lagrange módszerével. Ehhez konstruáljuk meg az ún. Lagrange-féle alappolinomokat:
Ezekre és , ha .
Tehát a polinom tejesíti a feltételeket.
[szerkesztés] Példa
Legyenek a pontok a következők: (-1;1), (0;2),(1;4) Ekkor ezek lesznek a Lagrange-féle alappolinomok:
Ekkor a feltételeket kielégítő polinom ez lesz:
[szerkesztés] Történet
A polinom gyökeinek meghatározása, vagyis különféle algebrai egyenletek megoldása már régóta a matematika fontos problémái közé tartozik. A mai praktikus jelölések a XV. században kezdtek el kifejlődni, addig általában az volt a szokás, hogy egy egyenletet szavakkal írtak le vagy az ókori Kínában például a változók szerint „ábrákat” készítettek róluk.
Az egyenlőségjelet először Robert Recorde használta a XVI. században, és ugyanebben az időben terjedt el a + jel használata az összeadásra, valamint a − jel használata a kivonásra. René Descartes volt az, aki elkezdte terjeszteni azt a ma is használt jelölésmódot, hogy a konstansok leírására az ábécé elejéről választunk betűket, míg a változókhoz az ábécé végéről. És ugyancsak ő volt az, aki először felső indexbe írta egy változó kitevőjét.
[szerkesztés] Források
- Horváth Erzsébet: Lineáris algebra
- Ribnyikov: A matematika története
- Nagy Attila (BME-TTK) Lineáris algebra c. előadásai