PROGRAM I julI-deceMbeR
Transcription
PROGRAM I julI-deceMbeR
1 eNote 30 eNote 30 Polynomier af én variabel I denne eNote introduceres komplekse polynomier af e´n variabel. Der forudsættes elementært kendskab til komplekse tal og kendskab til reelle polynomier af e´n reel variabel er en fordel. Dette er (final) version 18.09.14 . Karsten Schmidt. 30.1 Indledning Polynomier forekommer overalt i den tekniske litteratur som matematiske modeller for fysiske problemer. En stor fordel ved polynomier er at de er uhyre simple i beregninger, da de kun forudsætter addition, multiplikation og potensopløftning. Derfor er polynomier ogs˚a meget populære ved approksimation af mere komplicerede funktionstyper. Kendskab til polynomiers rødder er en kongevej til forst˚aelsen af deres egenskaber og effektive brug og vil derfor være et hovedemne i det følgende. Men først introducerer vi nogle generelle egenskaber. Definition 30.1 Ved et polynomium af grad n forst˚as en funktion af formen P ( z ) = a n z n + a n −1 z n −1 + · · · + a 1 z + a 0 hvor a0 , a1 , . . . an er konstanter med an 6= 0 , og z er en kompleks variabel. ak kaldes koefficienten for zk , k = 0, 1, . . . n . Et reelt polynomium er et polynomium hvori alle koefficienterne er reelle. eNote 30 2 30.1 INDLEDNING Eksempel 30.2 Eksempler på polynomier P(z) = 2 z3 + (1 + i ) z + 5 er et 3-grads polynomium. Q(z) = z2 + 1 er et reelt 2-grads polynomium. R(z) = 17 er et 0-grads polynomium. S(z) = 0 kaldes 0-polynomiet. √ T (z) = 2 z3 + 5 z − 4 er ikke et polynomium. N˚ar man adderer, subtraherer og multiplicerer polynomier med hinanden, f˚ar man et nyt polynomium som reduceres ved at man samler led med samme grad. Eksempel 30.3 Addition og multiplikation af polynomier To polynomier P og Q er givet ved P(z) = z2 − 1 og Q(z) = 2 z2 − z + 2 . Polynomierne R = P + Q og S = P · Q bestemmes s˚aledes: R(z) = (z2 − 1) + (2 z2 − z + 2) = (z2 + 2 z2 ) + (−z) + (−1 + 2) = 3 z2 − z + 1 . S(z) = (z2 − 1) · (2 z2 − z + 2) = (2 z4 − z3 + 2 z2 ) + (−2 z2 + 2 − 2) aaaa = 2 z4 − z3 + (2 z2 − 2 z2 ) + z − 2 = 2 z4 − z3 + z − 2 . To polynomier kaldes identiske hvis de er ens for alle variable. Hvad skal der til for at de er ens? Kunne man for eksempel tænke sig at et 4-grads og et 5-grads polynomium er identiske i alle variable hvis man blot vælger koefficenterne for de to polynomier med tilstrækkelig omhu? Dette er ikke tilfældet idet der gælder følgende sætning (som anføres uden bevis i denne edition). Sætning 30.4 Identitetssætning for polynomier To polynomier er ens hvis og kun hvis de er af samme grad, og alle koefficienter for led af samme grad fra de to polynomier er ens. Eksempel 30.5 To identiske polynomier Ligningen 3 z2 − z + 4 = a z2 + b z + c er opfyldt for alle z netop n˚ar a = 3, b = −1 og c = 4 . Opgave 30.6 To identiske polynomier Bestem tallene a, b og c s˚aledes at (z − 2)( a z2 + b z + c) = z3 − 5 z + 2 for alle z . eNote 30 30.2 POLYNOMIERS RØDDER 3 30.2 Polynomiers rødder Definition 30.7 Rod i polynomium Ved en rod i et polynomium P forst˚as et tal z0 for hvilket P(z0 ) = 0 . Eksempel 30.8 Om et givet tal er rod i et polynomium Vis at 3 er rod i P(z) = z3 − 5 z − 12 , og at 1 ikke er rod. Svar: Da P(3) = 33 − 5 · 3 − 12 = 27 − 15 − 12 = 0 , er 3 rod i P . Da P(1) = 13 − 5 · 1 − 12 = −11 6= 0 , er 1 ikke rod i P . En helt afgørende motivation for indføringen af komplekse tal er at ethvert polynomium har rødder inden for de komplekse tal. Dette resultat blev vist af matematikeren Gauss i hans ph.d.-afhandling fra 1799 . Beviset for sætningen er meget omfattende, og Gauss arbejdede videre p˚a det hele sit liv for at gøre det endnu mere elegant. Hele fire versioner foreligger der fra hans h˚and. Her tillader vi os at angive Gauss’ resultat uden bevis: Sætning 30.9 Algebraens fundamentalsætning Ethvert polynomium af grad n ≥ 1 har inden for de komplekse tal mindst e´ n rod. Polynomiet P(z) = z2 + 1 har ingen rødder inden for de reelle tal. Men inden for de komplekse tal har det hele to rødder i og −i fordi P(i ) = i2 + 1 = −1 + 1 = 0 og P(−i ) = (−i )2 + 1 = i2 + 1 = 0 . Vejen fra Algebraens fundamentalsætning til fuldt kendskab til antallet af polynomiers rødder er ikke lang! Den kræver blot den følgende hjælpesætning (som anføres uden bevis i denne edition). eNote 30 4 30.2 POLYNOMIERS RØDDER Hjælpesætning 30.10 Nedstigningssætningen Hvis n0 te-gradspolynomiet P gradspolynomium Q s˚aledes at har roden z0 , s˚a findes et P ( z ) = ( z − z0 ) Q ( z ) . (n − 1)0 te(30-1) Vi videreudvikler nu ideen i Nedstigningssætningen, idet vi betragter polynomiet P ( z ) = a n z n + a n −1 z n −1 + · · · + a 1 z + a 0 Hvis n ≥ 1 , har P i følge fundamentalsætningen en rod z1 , og kan derfor skrives som P ( z ) = ( z − z1 ) Q1 ( z ) (30-2) hvor Q1 er et polynomium af grad n − 1 . Hvis n ≥ 2 , s˚a har Q1 en rod z2 og kan skrives som Q1 ( z ) = ( z − z2 ) Q2 ( z ) hvor Q2 er et polynomium af grad n − 2 . S˚aledes fortsættes nedstigningen indtil vi n˚ar til polynomiet Qn hvis grad er n − n = 0 . Det vil sige Qn (z) = k hvor k er en konstant. Ved successivt at indsætte det fundne udtryk for Qk i udtrykket for Qk−1 , k = n..2 , og afslutningsvist indsætte det opn˚aede udtryk for Q1 i 30-2, f˚ar vi P(z) = k (z − z1 )(z − z2 ) · · · (z − zn ) . Forestiller vi os nu at vi udganger paranteserne p˚a højresiden, ser vi at højestegradsleddet m˚a være k zn , og dermed k = an . Herefter er P skrevet p˚a fuldstændig faktoriseret form: P(z) = an (z − z1 )(z − z2 ) · · · (z − zn ) . (30-3) I dette udtryk skal vi bemærke to ting. Den første er at vi i (30-3) har oplistet samtlige rødder z1 , z2 . . . , zn i P . At der ikke kan være flere, ses nemt s˚aledes. Hvis et vilk˚arligt tal α 6= zk , k = 1 . . . n , indsættes p˚a z0 s plads i (30-3), vil samtlige faktorer p˚a højresiden af (30-3) være forskellige fra nul. Dermed vil ogs˚a deres produkt være forskelligt fra nul. Derfor er P(α) 6= 0 og α ikke en rod i P . Den anden ting vi skal bemærke i (30-3) at rødderne ikke nødvendigvis er forskellige. Det antal gange en rod optræder i polynomiets fuldstændigt faktoriserede form, kaldes rodens algebraiske muliplicitet (eller blot multiplicitet). Efter de ovenst˚aende betragtninger kan vi præsentere følgende udvidede udgave af Algebraens Fundamentalsætning. eNote 30 30.3 POLYNOMIERS DIVISION Sætning 30.11 5 Algebraens fundamentalsætning ver. 2 Ethvert polynomium af grad n ≥ 1 har inden for de komplekse tal netop n rødder n˚ar rødderne regnes med multiplicitet. Eksempel 30.12 Andengradspolynomier på fuldstændig faktoriset form Et vilk˚arligt andengradspolynomium P(z) = az2 + bz + c kan skrives p˚a formen P(z) = a(z − α)(z − β) hvor α og β er rødder i P . Hvis α 6= β , har P to forskellige rødder, hver med algebraisk multiplicitet 1 . Hvis α = β , har P e´ n rod med algebraisk multiplicitet 2 . Roden kaldes da en dobbeltrod. Eksempel 30.13 Algebraisk multiplicitet Et polymomium P er angivet p˚a fuldstændig faktoriseret form s˚aledes: P(z) = 7(z − 1)(z − 1)(z + 4)(z + 4)(z + 4)(z − 5) = 7(z − 1)2 (z + 4)3 (z − 5) . Vi ser at P har tre forskellige rødder, 1, −4 og 5 med de algebraiske multipliciteter 2 henholdvis 3 og 1 . Det bemærkes at summen af de algebraiske multipliciteter er 6 som er lig med graden af P . I overenstemmelse med Algebraens fundamentalsætning ver. 2. Eksempel 30.14 Algebraisk multiplicitet Angiv antallet af rødder i P(z) = z4 . Svar: P har kun e´ n rod z = 0 . Rodens algbraiske multiplicitet er 4. Man siger at 0 er en fjerde-dobbeltrod. 30.3 Polynomiers division Nedstigningssætningen siger at et polynium som har en rod, kan faktoriseres p˚a formen (30-1). Men den siger ikke noget om hvordan faktoriseringen kan udføres. Det tager vi op i dette afsnit hvor vi introducerer en simpel variant af algoritmen polynomiers division, som populært kaldes at dividere en rod ud af et polynium“. Den forløber helt ” analog med den sædvanlige divisionsalgoritme som vi her mindes med et passende eksempel hvori divisionen g˚ar op. eNote 30 30.3 POLYNOMIERS DIVISION Eksempel 30.15 Divisionsalgoritmen 5773 : 23 = 251 4600 1173 1150 . 23 . 23 aa 0 NB: Divisionen viser at 5773 = 23 · 251 . Metode 30.16 At dividere en rod ud af et polynomium Tredjegradspolynomiet P(z) = z3 − 2z2 + 2z − 15 har roden 3 . Vi benytter algoritmen polynomiers division til at dividere P med førstegradspolynomiet z − 3 . z3 − 2z2 + 2z − 15 : z − 3 = z2 + z + 5 z3 − 3z2 aaaaa z2 + 2z − 15 aaaaa z2 − 3z aaaaaa 5z − 15 aaaaaa 5z − 15 a 0 Konklusionen er at P kan skrives som produktet af førstegradspolynomiet z − 3 og et polynomium Q(z) = z2 + z + 5 hvis grad er e´ n lavere end P0 s: P ( z ) = ( z − 3) · ( z2 + z + 5) NB: Kravet til det første led i Q er, at det bliver lig med det første led i P , n˚ar det ganges med z . Derfor er de første led i Q lig z2 . Anden linje fremkommer ved at dette led ganges med divisoren z − 3 . Tredje linje fremkommer ved at polynomiet i anden linje trækkes fra polynomiet i første linje. Derved bliver tredje linje et polynomium af lavere grad end P . Algoritmen starter nu forfra med tredje linje som dividend og (z − 3) som divisor, og der forsættes indtil fratrækningen giver 0 . Vi tager nu et sidste eksempel p˚a divisionsalgoritmen. 6 eNote 30 30.4 POLYNOMIUMSLIGNINGER Eksempel 30.17 7 At dividere en rod ud Ved indsættelse ses at 2 er rod i polynomiet 2z3 − 16 . Vi dividerer roden ud: 2z3 − 16 : z − 2 = 2z2 + 4z + 8 2z3 − 4z2 4z2 − 16 4z2 − 8z 8z − 16 8z − 16 0 I det følgende afsnit behandler vi metoder til at finde rødder for visse typer af polynomier. 30.4 Polynomiumsligninger Fra Algebraens fundamentalsætning ved vi at ethvert polynomium af grad større end eller lig med 1 har rødder. I dens udvidede version sl˚as det endog fast at for ethvert polynoium er dets grad lig med antallet af dets rødder, hvis rødderne regnes med multiplicitet. Men sætningen er en teoretisk eksistenssætning, som ikke hjælper os med at bestemme polynomiers faktiske rødder. I det følgende introduceres metoder til at finde rødderne for simple polynomier. Men lad os holde amitionsniveauet p˚a et rimeligt niveau, for i begyndelsen af 18-hundredtallet beviste den norske algebraiker Abel at der ikke kan opstilles generelle metoder til at finde rødderne i polynomier af grad større end eller lig med fire! For polynomier af højere grad end fire findes der en række smarte tricks hvorved man kan være heldig at finde en enkelt rod som man kan dividere ud af polynomiet. Herefter arbejder man videre med det resterende polynomium af e´ n grad lavere - og m˚aske gradvist kan n˚a ned til et polynoium hvortil der findes en eksakt metode for at finde de resterende rødder. Lad os indledningsvist sl˚a fast at n˚ar man ønsker at finde rødderne for et polynomium P(z) skal man løse den tilsvarende polynomiumsligning P(z) = 0 . Som en simpel illustration kan vi se p˚a roden for et vilk˚arligt førstegradspolynomium P(z) = az + b . For at finde den skal vi løse ligningen az + b = 0 . eNote 30 8 30.4 POLYNOMIUMSLIGNINGER Det er ikke svært, den har løsningen z0 = − b som derfor er rod i P(z) . a N˚ar man skal finde rødderne for et polynoimium P , finder man løsningerne p˚a polynomiumsligningen P(z) = 0 . Eksempel 30.18 Roden i et førstegradspolynomium Vi vil finde roden til førstegradspolynomiet P givet ved P(z) = (1 − i ) z − (5 + 2i ) . Vi skal løse ligningen (1 − i ) z − (5 + 2i ) = 0 ⇔ (1 − i ) z = (5 + 2i ) . Vi isolerer z p˚a venstre side z= 5 + 2i (5 + 2i )(1 + i ) 3 + 7i 3 7 = = = + i. 1−i (1 − i )(1 + i ) 2 2 2 Det ses heraf at ligningen har løsningen z0 = rod. 3 7 + i hvorved vi samtidigt har fundet P0 s 2 2 30.4.1 Binome ligninger En binom ligning er en særlig n0 -te gradsligning hvor kun koefficienterne an og a0 er forskellige fra 0 . En given binom ligning kan reduceres til den følgende form: Definition 30.19 Binom ligning En binom ligning har formen zn = w , hvor w ∈ C og n ∈ N . For binome ligninger findes en eksplicit løsningsformel som vi præsenterer i den følgende sætning. eNote 30 9 30.4 POLYNOMIUMSLIGNINGER Sætning 30.20 Binom ligning løst vha. eksponentiel form Lad w 6= 0 være et komplekst tal med den eksponentielle form w = |w| eiv . Den binome ligning zn = w (30-4) har n forskellige løsninger givet ved formlen q v 2π z p = n |w| ei( n + p n ) hvor p = 0 , 1 , ... , n − 1 . (30-5) Bevis For ethvert p ∈ {0, 1, . . . n − 1} er z p = p n v 2π |w| ei( n + p n ) en løsning til (30-4) idet q 2π v (z p )n = ( n |w|ei( n + p n ) )n = |w| ei(v+k 2π ) = |w| eiv . Det ses p at de n løsninger ligger p˚a en cirkel i den komplekse talplan med centrum i Origo, radius n |w| og en fortløbende vinkelafstand p˚a 2π n . Forbindelseslinjerne mellem Origo og løsningerne deler med andre ord cirklen i n lige store vinkler. Det følger heraf at de n løsninger er indbyrdes forskellige. At der ikke er flere løsninger, er en følge af Algebraens fundamentalsætning ver. 2, 30.11. Hermed er sætningen bevist. Vi skal i de næste eksempler betragte nogle vigtige særtilfælde af binome ligninger. Eksempel 30.21 Binom andengradsligning Vi betragter et komplekst tal p˚a eksponentiel form w = |w| eiv . Det følger af (30-5) at andengradsligningen z2 = w har to løsninger z0 = q v |w| ei 2 . og z1 = − q v | w | ei 2 . eNote 30 10 30.4 POLYNOMIUMSLIGNINGER Eksempel 30.22 Binom andengradsligning med negativ højreside Lad r være et vilk˚arligt positivt reelt tal. Ved i eksempel 30.21 at sætte v = Arg(−r ) = π ses at den binome andengradsligning z2 = −r har to løsninger z0 = i √ r og z1 = −i √ r. Med et konkret eksempel har ligningen z2 = −9 løsningerne z = ± i √ 3. Den benyttede metode i eksempel 30.21 kan i mange tilfælde være vanskelig at gennemføre. I det følgende eksempel vises en alternativ metode. Eksempel 30.23 Binom andengradsligning, metode 2 Vi vil løse ligningen z2 = 8 − 6i . (30-6) Vi sætter z = x + iy, hvorved z2 = ( x + iy)2 = x2 − y2 + 2xyi . Dermed kan (30-6) omskrives til x2 − y2 + 2xyi = 8 − 6i . Da realdelene henholdvis imaginærværdierne p˚a ligningens to sider skal være identiske, m˚a (30-6) være ækvivalent med x2 − y2 = 8 og 2xy = −6 . Indsættes y = (30-7) −6 3 = − i x2 − y2 = 8 og sættes x2 = u opn˚as andengradsligningen 2x x u2 − 8u − 9 = 0 ⇔ u = 9 eller u = −1 . Mens ligningen x2 = u = 9 har løsningerne x1 = 3 og x2 = −3, har ligningen x2 = u = −1 ingen løsninger. Indsættes x1 = 3 henholdsvis x2 = −3 i (30-7), f˚as de tilsvarende y-værdier y1 = −1 og xy = 1 . Hermed konkluderes at den givne ligning (30-6) har rødderne z1 = x1 + iy1 = 3 − i og z2 = x2 + iy2 = −3 + i . 30.4.2 Andengradsligninger Til løsning af andengradsligninger opstiller vi nedenfor den formel der svarer til den velkendte løsningsformel for reelle andengradsligninger p˚anær en enkelt detalje. Vi eNote 30 11 30.4 POLYNOMIUMSLIGNINGER tager ikke kvadratroden af diskriminanten. Afvigelsen skyldes at vi ikke forudsætter kendskab til kvadratrødder af komplekse tal. Sætning 30.24 Løsningsformel for andengradsligning For andengradsligningen az2 + bz + c = 0 , a 6= 0 (30-8) indføres diskriminanten D ved D = b2 − 4ac . Ligningen har to løsninger z1 = − b − w0 − b + w0 og z2 = 2a 2a hvor w0 er en løsning til den binome andengradsligning w2 = D . Hvis specielt D = 0 , gælder der z1 = z2 = −b . 2a Bevis Lad w0 være en vilk˚arlig løsning til den binome ligning w2 = D . Der gælder da: b c 2 2 az + bz + c = a z + z + a a ! 2 c b b2 =a z+ − 2+ 2a 4a a ! b 2 b2 − 4ac z+ =a − 2a 4a2 ! b 2 D =a z+ − 2 2a 4a ! 2 w02 b =a z+ − 2 2a 4a b w0 b w0 =a z+ + z+ − 2a 2a 2a 2a b + w0 b + w0 = a z+ z− =0 2a 2a − b − w0 − b + w0 eller z = . ⇔z= 2a 2a (30-9) eNote 30 30.4 POLYNOMIUMSLIGNINGER 12 Hermed er løsningsformlen (30-8) udledt. Eksempel 30.25 Reel andengradsligning med positiv diskriminant Vi betragter en andengradsligning med reelle koefficienter 2z2 + 5z − 3 = 0 . Vi identificerer koefficienterne: a = 2, b = 5, c = −3 . Diskriminanten findes: D = 52 − 4 · 2 · (−3) = 49 . Det ses at w0 = 7 er en løsning til den binome andengradsligning w2 = D = 49 . Nu kan løsningerne udregnes: z1 = Eksempel 30.26 1 −5 − 7 −5 + 7 = og z2 = = −3 . 2·2 2 2·2 (30-10) Reel andengradsligning med negativ diskriminant Vi betragter en andengradsligning med reelle koefficienter z2 − 2z + 5 = 0 . Vi identificerer koefficienterne: a = 1, b = −2, c = 5 . Diskriminanten findes: D = (−2)2 − 4 · 1 · (5) = −16 . I følge eksempel √ 30.22 er en løsning for den binome andengradsligning 2 w = D = −16 givet ved w0 = i 16 = 4i . Nu kan løsningerne udregnes: z1 = Eksempel 30.27 −(−2) + 4i −(−2) − 4i = 1 + 2i og z2 = = 1 − 2i . 2·1 2·1 (30-11) Andengradsligning med komplekse koefficienter Vi løser andengradsligningen z2 − (1 + i )z − 2 + 2i = 0 . (30-12) Lad os først identificere koefficienterne: a = 1, b = −1 − i, c = −2 + 2i . Diskriminanten findes: D = (−(1 + i ))2 − 4 · 1 · (−2 + 2i ) = 8 − 6i . Fra eksempel 30.23 ved vi at den binome ligning w2 = 8 − 6i har løsningen w0 = 3 − i . Herefter findes løsningerne for (30-12) ved z1 = (1 + i ) − (3 − i ) (1 + i ) + (3 − i ) = 2 og z2 = = −1 + i . 2·1 2·1 (30-13) eNote 30 30.4 POLYNOMIUMSLIGNINGER 13 30.4.3 Tredje- og fjerdegradsligninger Fra antikken kendes geometriske metoder til løsning af (reelle) andengradsligninger. Men først omkring 800 e.Kr. blev algebraiske løsningsformler kendt via den persiske (arabisk skrivende) matematiker Muhammad ibn Musa al-Khwarismes berømte bog alJabr. Navnet Khwarisme blev i vesten til det velkendte ord algoritme, mens bogens titel blev til algebra. Tre hundrede a˚ r senere gentog historien sig. Omkring a˚ r 1100 e.Kr. angav en anden persisk matematiker (og digter) Omar Khayy´am eksakte metoder til hvordan man finder løsninger til reelle tredje- og fjerdegradsligninger ved hjælp af mere avancerede geometriske konstruktioner. For eksempel løste han ligningen x3 + 200x = 20x2 + 2000 ved skæring mellem en cirkel og en hyperbel hvis ligninger han kunne udlede af tredjegradsligningen. Omar Khayy´am mente ikke det ville være muligt at opstille algebraiske formler for løsninger til ligninger af grad større end med to. Her tog han dog fejl, idet italieneren Gerolamo Cardano i 1500-tallet offentliggjorde formler til løsning af tredje- og fjerdegradsligninger. Khayy´ams og Cardonos formler ligger ikke inden for rammerne af denne eNote. Her angiver vi blot et enkelt eksempel p˚a hvordan kan man ved hjælp af nedstigningsme” toden“ kan finde alle løsninger til ligninger af grad større en to, hvis man i forvejen kender eller kan gætte et tilstrækkeligt antal af løsningerne. Eksempel 30.28 En tredjegradsligning med et indledende gæt Vi skal løse tredjegradsligningen z3 − 3z2 + 7z − 5 = 0 . Det gættes nemt at 1 er en løsning. Ved at dividere venstresiden med z − 1 (polynomiers division) f˚as faktoriseringen: z3 − 3z2 + 7z − 5 = (z − 1)(z2 − 2z + 5) = 0 . De resterende løsninger f˚as derfor ved løsning af andengradsligningen z2 − 2z + 5 = 0 , som i følge eksempel (30.26) har løsningerne 1 + 2i og 1 − 2i . Samlet ses at tredjegradsligningen har løsningerne {1, 1 + 2i, 1 − 2i } . eNote 30 30.5 REELLE POLYNOMIER 14 30.5 Reelle polynomier Teorien som har været udfoldet i de forrige afsnit, gælder for alle polynomier med komplekse koefficienter. I dette afnit skal vi præsentere to sætninger der kun gælder for polynomier med reelle koefficienter, det vil sige den delmængde som kaldes de reelle polynomier. Den første sætning viser at ikke-reelle rødder altid optræder i par. Sætning 30.29 Rødder i reelle polynomier Hvis tallet a + ib er rod i et polynomium som kun har reelle koefficienter, s˚a er ogs˚a det konjugerede tal a − ib rod i polynomiet. Bevis Lad P ( z ) = a n z n + a n −1 z n −1 + · · · + a 1 z + a 0 være et reelt polynomium. Ved brug af regneregler for konjugering af sum og produkt af komplekse tal (se eNote 29 om komplekse tal) samt forudsætningen at alle koefficienterne er reelle, f˚as P ( z ) = a n z n + a n −1 z n −1 + · · · + a 1 z + a 0 = a n z n + a n −1 z n −1 + · · · + a 1 z + a 0 = P(z) . Hvis z0 er rod i P , f˚ar vi da P ( z0 ) = 0 = 0 = P ( z0 ) hvoraf ses at ogs˚a z0 er rod. Eksempel 30.30 Konjugerede rødder Det oplyses at polynomiet P(z) = 3z2 − 12z + 39 (30-14) har roden 2 − 3i . Bestem alle rødder i P , og opskriv P p˚a fuldstændig faktoriseret form. Svar: Vi ser at alle tre koefficienter for P er reelle. Derfor er ogs˚a den oplyste rods konjugerede 2 + 3i rod i P . Da P er et andengradspolynomium er der ikke flere rødder. Ved brug af (30-3) f˚ar vi P(z) = a2 (z − (2 − 3i ))(z − (2 + 3i )) = a2 (z2 − 4z + 13) . eNote 30 15 30.5 REELLE POLYNOMIER Ved sammenligning med (30-14) f˚as a2 = 3 og den fuldstændigt faktoriserede form for P er P(z) = 3 (z − (2 − 3i ))(z − (2 + 3i )) . Fra sætning 30.29 ved vi at komplekse rødder i et reelt polynomium altid optræder i konjugerede par. I polynomiets fuldstændigt faktoriserede form vil et par af konjugerede rødder derfor give anledning til to faktorer som kan ganges sammen til et reelt andengradspolynomium s˚aledes (z − ( a + ib))(z − ( a − ib)) = ((z − a) + ib))((z − a) − ib) = (z − a)2 − (ib)2 = z2 − 2az + ( a2 + b2 ) . Heraf udspringer følgende sætning: Sætning 30.31 Reel faktorisering Et reelt polynomium kan skrives som et produkt af reelle førstegradspolynomier og reelle andengradspolynomier som ikke har reelle rødder. Eksempel 30.32 Reel faktorisering Om et reelt syvendegradspolynomium P oplyses at det har rødderne 1, i, 1 + 2i samt dobbeltroden −2 , og at koefficienten til dets højestegradsled er a7 = 5 . Skriv P som et et produkt af reelle førstegradspolynomier og reelle andengradspolynomier som ikke har reelle rødder. Svar: Vi kan sætte P p˚a fuldstændig faktoriseret form: P(z) = 5 (z − 1)(z − i )(z + i )(z − (1 + 2i ))((z − (1 − 2i ))(z − 2)2 Der er to par af faktorer der svarer til konjugerede rødder. N˚ar de ganges sammen, f˚as den ønskede form: P(z) = 5 (z − 1)(z2 + 1)(z2 − 2z + 5)(z − 2)2 . Hermed afsluttes behandlingen af polynomier af e´ n variabel.