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多项式的根、重数与因式分解

拓展更新于 2026-09-29

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前两节用因式定理说明根与重数,不需要导数。复数范围的分解需先了解复数与共轭;最后一节的导数判据可以在学习求导后再读。

根、因式与重数

设 PP 为非零多项式。满足 P(a)=0P(a)=0 的数 aa 称为 PP 的根或零点,它是方程 P(x)=0P(x)=0 的解;图像与横轴的交点则为 (a,0)(a,0)。

由带余除法 P(x)=(x−a)Q(x)+P(a)P(x)=(x-a)Q(x)+P(a),有

P(a)=0  ⟺  (x−a)∣P(x).P(a)=0\iff (x-a)\mid P(x).

这称为因式定理。反复提出 x−ax-a,直到剩余因子在 aa 处不为零,得到

P(x)=(x−a)mH(x),H(a)≠0.P(x)=(x-a)^mH(x),\qquad H(a)\ne0.

此时 aa 为 mm 重根;m=1m=1 为单根,m≥2m\ge2 为重根。过程在有限步内结束,因为每提出一次因式,次数减少一。例如 (x−1)3(x+2)(x-1)^3(x+2) 有两个不同根,按重数计为四个。零多项式在每一点取零,但没有这种有限的根数与重数,以下结论均排除它。

根数上界与整除的判断

定理。 非零 nn 次多项式的不同根不超过 nn 个,所有不同根的重数之和也不超过 nn。

证明。 若 a,ba,b 是不同根,提出 aa 的全部因式后写成 P(x)=(x−a)mH(x)P(x)=(x-a)^mH(x)。因 b−a≠0b-a\ne0,从 P(b)=0P(b)=0 得 H(b)=0H(b)=0;在 bb 处,因子 (x−a)m(x-a)^m 不为零,所以 bb 在 HH 中的重数与在 PP 中相同。逐一提出各根的因式后,乘积次数等于重数之和,不能超过 nn。

若已知 nn 个根 r1,…,rnr_1,\ldots,r_n(按重数列出)和首项系数 AA,则

P(x)=A∏j=1n(x−rj).P(x)=A\prod_{j=1}^n(x-r_j).

若一个多项式的全部根也是另一个的根,仍须比较重数才能判断整除。例如 (x−1)2(x-1)^2 不能整除 x−1x-1。在复数范围完全分解后,非零 DD 整除 PP,等价于 DD 的每个根在 PP 中都有不少于它在 DD 中的重数。仅比较实根集合不够,因为还可能有非实根。

复数范围的完全分解

代数基本定理。 每个次数至少为一的复系数多项式都有复根。因此反复使用因式定理,一个 nn 次复系数多项式恰有 nn 个复根,按重数计算,并能分解为 nn 个一次因子的乘积。

本手册采用代数基本定理,不在高中范围内给出其完整证明。由它到完全分解的步骤是有限归纳:取一根、除以相应一次因式,次数减一,继续到常数。

“恰有 nn 个”不表示互异,更不表示全是实数。例如 x2+1x^2+1 的复根为 i,−ii,-i,实根却一个也没有。整系数多项式也可能没有有理根,例如 x2−2x^2-2。求根和因式分解始终需要说明允许的数的范围。

实系数多项式的共轭根

设 P(x)=∑k=0nakxkP(x)=\sum_{k=0}^n a_kx^k,所有 aka_k 为实数。共轭与有限加法、乘法可交换,且 ak‾=ak\overline{a_k}=a_k,所以

P(z‾)=∑akz‾ k=∑akzk‾=P(z)‾.P(\overline z)=\sum a_k\overline z^{\,k} =\overline{\sum a_k z^k}=\overline{P(z)}.

故 P(z)=0P(z)=0 时 P(z‾)=0P(\overline z)=0。重数也相同:若 P(x)=(x−z)mH(x)P(x)=(x-z)^mH(x) 且 H(z)≠0H(z)\ne0,对系数取共轭得到 P(x)=(x−z‾)mH‾(x)P(x)=(x-\overline z)^m\overline H(x),其中 H‾\overline H 表示逐系数共轭。又 H‾(z‾)=H(z)‾≠0\overline H(\overline z)=\overline{H(z)}\ne0,所以重数恰为 mm。

非实根因此成共轭对出现;奇数次实系数多项式至少有一个实根。若系数允许任意复数,结论会失效,如 x−ix-i 的根只有 ii。

实因式分解与系数范围

非实共轭根 u±viu\pm vi(v≠0v\ne0)给出实二次因子

(x−u−vi)(x−u+vi)=(x−u)2+v2.(x-u-vi)(x-u+vi)=(x-u)^2+v^2.

所以任意非零实系数多项式都能写为实常数、实一次因子和判别式小于零的实二次因子的乘积。

在指定的系数范围(有理数、实数或复数)内,若一个正次数多项式不能写为两个正次数多项式的乘积,称其在该范围内不可约。复数范围只有一次多项式不可约;实数范围只有一次式及判别式小于零的二次式不可约。前者由代数基本定理,后者由上述实分解和二次判别式得到。

同一个式子的可约性会随系数范围改变:x2−2x^2-2 在有理数范围不可约,在实数范围为 (x−2)(x+2)(x-\sqrt2)(x+\sqrt2);x2+1x^2+1 在实数范围不可约,在复数范围可分解。对有理系数的二次或三次多项式,“可约”等价于“有有理根”,因为两个正次数因子的次数之和为二或三,其中必有一个一次因子。四次起不成立,例如 (x2+1)(x2+2)(x^2+1)(x^2+2) 可约却没有有理根。

本篇不把整数系数下关于常数因子、公因数的另一套约定混入上述定义。

处处非负的实多项式与两平方和

定理。 实系数多项式 PP 对所有实数 xx 满足 P(x)≥0P(x)\ge0,当且仅当存在实系数多项式 G,HG,H 使 P=G2+H2P=G^2+H^2。

证明。 右推左显然。反向先排除零多项式(取 G=H=0G=H=0 即可)。若 PP 处处非负,其首项系数为正,每个实根的重数为偶数;否则在该根两侧,非零剩余因子的符号保持不变,而奇次因子变号,必出现负值。结合实因式分解,PP 是一个平方因子与若干 (x−u)2+v2(x-u)^2+v^2 的乘积(正的常数并入平方)。利用

(A2+B2)(C2+D2)=(AC−BD)2+(AD+BC)2(A^2+B^2)(C^2+D^2)=(AC-BD)^2+(AD+BC)^2

反复合并,即成为两平方和。这是有限的多项式恒等变形。条件必须是整个实轴非负;如 1−x21-x^2 只在 [−1,1][-1,1] 非负,不能写成实多项式的两平方和。

重根与导数判据

本节需先了解多项式求导。若 P(x)=(x−a)mH(x)P(x)=(x-a)^mH(x)、H(a)≠0H(a)\ne0,则

P′(x)=(x−a)m−1(mH(x)+(x−a)H′(x)).P'(x)=(x-a)^{m-1}\bigl(mH(x)+(x-a)H'(x)\bigr).

括号在 aa 处等于 mH(a)≠0mH(a)\ne0,所以 P′P' 在 aa 处的重数恰为 m−1m-1(m=1m=1 时不是根)。因而 aa 是重根,当且仅当 P(a)=P′(a)=0P(a)=P'(a)=0。反复求导可得恰为 mm 重根的等价条件:

P(a)=P′(a)=⋯=P(m−1)(a)=0,P(m)(a)≠0.P(a)=P'(a)=\cdots=P^{(m-1)}(a)=0,\qquad P^{(m)}(a)\ne0.

这套判据对实根、复根都成立;它不要求先把全部根求出。未学习导数时,仍可用反复除以 x−ax-a 的定义判断重数。

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