高等代数 · 课程学习笔记

第 P66 集 · 多项式一:一元多项式定义、是线性空间

Polynomials I: Definition of Univariate Polynomials and Linear Space Structure
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P66 / 151 集 核心概念:一元多项式 · 不定元 · 次数 · 多项式环 · 线性空间
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◎学习目标

  1. 理解解方程与多项式因式分解之间的深刻联系,认识代数学的中心问题;
  2. 掌握一元多项式的严格定义:表达式 \(\sum_{i=0}^{n} a_i x^i\),系数 \(a_i \in K\),以及"表法唯一"的等价关系条件;
  3. 理解不定元\(x\)的含义,知道它为什么叫"不定元";
  4. 掌握多项式的次数\(\deg f(x)\)、首项、零多项式及其次数的特殊规定 \(-\infty\);
  5. 掌握多项式加法与乘法的严格定义(系数相加、卷积运算);
  6. 证明并理解:多项式集合 \(K[x]\) 对加法和数量乘法构成一个线性空间;
  7. 了解本章在高等代数整体结构中的地位——为第六章"线性空间到线性空间的保持线性结构的映射"做铺垫。

1从解方程引出多项式 ⏱ 00:00

丘老师从初中就学过的解方程说起。以三次方程:

\[ x^3 + x - 2 = 0 \]

为例:左端是一个关于 \(x\) 的多项式。解方程的关键就是把左端多项式进行因式分解,若能分解成一次因式与二次因式的乘积(或三个一次因式),则问题转化为解若干个低次方程。⏱ 00:30

以 \(x^3 + x - 2 = 0\) 为例,通过拆项技巧:

\[ x^3 + x - 2 = x^3 - 1 + x - 1 = (x-1)(x^2+x+1) + (x-1) = (x-1)(x^2+x+2). \]

于是方程化为 \((x-1)(x^2+x+2)=0\),解得 \(x_1=1\),再由求根公式得 \(x_{2,3} = \frac{-1 \pm i\sqrt{7}}{2}\)。⏱ 01:05

重要结论 古典代数学的中心问题就是研究解方程,或者说求方程的根。而求根的关键在于多项式的因式分解;要研究因式分解,必须先研究多项式本身组成的集合及其结构。⏱ 03:56

丘老师在课堂上的原话是:"古典代数学的中心问题就是研究解方程,或者是求方程的根,因此求方程的根,解方程的关键要研究这个多项式的因子分解……所以我们今天要开始讲这个多项式。"⏱ 03:59

2一元多项式的严格定义 ⏱ 04:56

什么样的表达式才叫一元多项式?丘老师强调:不是任何表达式都行,必须有严格的表达式形式和表法唯一的条件。

定义 · 一元多项式 设 \(K\) 是一个数域(比如有理数域 \(\mathbb{Q}\)、实数域 \(\mathbb{R}\)、复数域 \(\mathbb{C}\))。形如
\[ a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \cdots + a_1 x + a_0 = \sum_{i=0}^{n} a_i x^i \]
的表达式称为数域 \(K\) 上的一元多项式,其中:
  • \(n\) 是自然数(即 \(n=0\) 或正整数);
  • \(a_n, a_{n-1}, \ldots, a_0 \in K\) 称为系数;
  • \(x\) 是一个符号,称为不定元。
两个这种形式的表达式相等,当且仅当它们含有完全相同的项(即对应系数完全相同),除去系数为 0 的项以外。
为什么要要求"表法唯一"?

丘老师在课堂上说:"表法唯一对数学研究特别好,它表法唯一我们很容易变内,它很有用,表法不唯一就麻烦得多。"⏱ 07:56

若表法不唯一,比如 \(3x\) 和 \(3x\) 可以看作不同表达式,那么同样一个多项式可以有多种写法,这将使后续所有关于系数、次数、因式分解的讨论变得极其混乱。

"除去系数为 0 的项以外"这一限定是必要的:系数为 0 的项可以任意添进或删掉,不影响多项式本身。例如:

\[ 2x^2 + 3x + 1 = 2x^2 + 3x + 1 + 0 \cdot x^3 = 2x^2 + 3x + 1 + 0 \cdot x^3 + 0 \cdot x^4 \]

这些都是同一个多项式。

小结:一元多项式的要素 一个一元多项式由三要素完全确定:数域\(K\)、不定元\(x\)、系数序列\((a_n, a_{n-1}, \ldots, a_0)\)。记号 \(K[x]\) 表示数域 \(K\) 上所有关于 \(x\) 的一元多项式构成的集合。

3次数与零多项式 ⏱ 09:53

对非零多项式 \(f(x) = a_n x^n + \cdots + a_0\)(\(a_n \neq 0\)):

零多项式及其次数 若所有系数均为 0(即 \(a_n = a_{n-1} = \cdots = a_0 = 0\)),则称 \(f(x)\) 为零多项式,记作 \(0\)。
规定:⏱ 14:52
\[ \deg 0 = -\infty \]
并规定:对任意自然数 \(n\),\(-\infty < n\);且 \(-\infty + n = -\infty\),\(-\infty + (-\infty) = -\infty\)。
0 次多项式 若只有 \(a_0 \neq 0\),其余系数全为 0,则 \(f(x) = a_0\) 是0 次多项式,可等同于数域 \(K\) 中的非零元 \(a_0\)。记号上,\(K[x]\) 表示 \(K\) 上所有多项式集合,0 次多项式可自然嵌入 \(K\) 中。

4多项式的加法与乘法 ⏱ 16:18

设 \(f(x) = \sum_{i=0}^{n} a_i x^i\),\(g(x) = \sum_{j=0}^{m} b_j x^j\),不妨设 \(n \geq m\)(较低次多项式可在高位补 0 系数)。

多项式加法
\[ f(x) + g(x) = \sum_{i=0}^{n} (a_i + b_i) x^i \]
即:同次项系数相加,这就是大家熟知的"合并同类项"。
多项式乘法 乘法运算的本质是"每一项乘每一项",即卷积运算:
\[ f(x) \cdot g(x) = \sum_{i=0}^{n} a_i x^i \cdot \sum_{j=0}^{m} b_j x^j = \sum_{s=0}^{n+m} \left( \sum_{i+j=s} a_i b_j \right) x^s \]
定义中蕴含了一个基本法则:\(x^i \cdot x^j = x^{i+j}\)。⏱ 18:42
数量乘法 对 \(k \in K\),定义数量乘法:
\[ k \cdot f(x) = \sum_{i=0}^{n} (k a_i) x^i \]
即常数 \(k\) 乘到每一项的系数上。这也可以从多项式乘法中自然推出:将常数多项式 \(k = k \cdot x^0\) 与 \(f(x)\) 相乘即得。

减法定义为:\(f(x) - g(x) = f(x) + (-1) \cdot g(x)\),即每一项系数相减。

5多项式集合 \(K[x]\) 是线性空间 ⏱ 22:15

有了加法运算和数量乘法运算后,丘老师逐一验证 \(K[x]\) 满足线性空间的八条公理。

定理 · \(K[x]\) 是 \(K\) 上的线性空间 对任意 \(f(x), g(x), h(x) \in K[x]\) 和 \(k, l \in K\):
  1. 加法交换律:\(f + g = g + f\)(系数加法交换);
  2. 加法结合律:\((f+g)+h = f+(g+h)\)(系数加法结合);
  3. 加法零元:存在零多项式 \(0\),使得 \(f + 0 = f\);
  4. 加法负元:对 \(f(x) = \sum a_i x^i\),取 \(-f(x) = \sum (-a_i) x^i\),则 \(f + (-f) = 0\);
  5. 数量乘法单位元:\(1 \cdot f = f\);
  6. 数量乘法结合律:\((kl) \cdot f = k \cdot (l \cdot f)\);
  7. 数量乘法对向量加法的分配律:\(k \cdot (f + g) = k \cdot f + k \cdot g\);
  8. 数量乘法对标量加法的分配律:\((k + l) \cdot f = k \cdot f + l \cdot f\)。
验证过程(以分配律为例)

以 \((k+l) \cdot f(x) = k \cdot f(x) + l \cdot f(x)\) 为例:

\[ (k+l) \cdot f(x) = \sum_{i=0}^{n} (k+l)a_i x^i = \sum_{i=0}^{n} (ka_i + la_i) x^i = \sum_{i=0}^{n} ka_i x^i + \sum_{i=0}^{n} la_i x^i = k \cdot f(x) + l \cdot f(x). \]

最后一步利用了多项式加法的定义(同次项系数相加)。其余六条公理的验证完全类似,均归结为数域 \(K\) 中加法和乘法的相应性质。⏱ 22:15

丘老师原话"罗伊验证"——逐项代入验证,虽然繁琐但条理清晰,这是构造新代数结构时常用的方法。
核心结论 \(K[x]\) 对于加法和数量乘法,成为数域 \(K\) 上的一个线性空间。这是本集最重要的结论之一。⏱ 22:31

丘老师指出,这也是继矩阵空间之后,我们认识的又一个线性空间——这次的"向量"不再是数组,而是多项式本身。⏱ 22:48

背景说明 下一章(第六章)将研究"线性空间到线性空间的保持线性结构的映射",而定理的核心结论正需要多项式环的结构知识。丘老师强调:"跟我们先进空间有什么关系呢?因为这个多项式组成的集合,它有一个很重要的性质……它在研究线性空间到线性空间保持线性结构的映射的时候,它发挥重要作用。所以我们讲下一章……我需要先讲多项式,因为它为我们后面做铺垫。"⏱ 04:24

★重点回顾

1
一元多项式的定义:\(\sum_{i=0}^{n} a_i x^i\),\(a_i \in K\),\(n \in \mathbb{N}\),表法唯一(同表达式当且仅当对应系数完全相同,忽略系数为 0 的项)。
2
不定元 \(x\):不是具体的数,而是一个形式符号,"不定"的含义留待下一节课详细解释。
3
次数:非零多项式的首项指数,\(\deg f(x) = n\);零多项式规定 \(\deg 0 = -\infty\),且 \(-\infty\) 小于一切自然数。
4
加法与乘法:加法是系数逐项相加;乘法是卷积 \(\sum_{i+j=s} a_i b_j\),本质是 \(x^i \cdot x^j = x^{i+j}\)。
5
\(K[x]\) 是线性空间:对加法和数量乘法满足八条公理,向量是多项式本身。
6
课程定位:多项式理论是为第六章"线性变换的特征理论与若尔当标准形"做铺垫,是古典代数学(解方程)与现代代数(代数结构)的桥梁。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆"多项式"与"多项式函数":在抽象数域 \(K\) 上,多项式是形式表达式,不等于将 \(x\) 代入数值后得到的函数值(尽管在无限域上二者一一对应)。
  2. 忽略零多项式的次数规定:零多项式没有首项,其次数规定为 \(-\infty\),不可省略此规定,否则次数公式 \(\deg(fg) = \deg f + \deg g\) 在含零多项式时失效。
  3. 误认为乘法定义含混:乘法定义本质上规定了 \(x^i \cdot x^j = x^{i+j}\),这是定义的一部分,而非需要证明的性质。
  4. 表法唯一的理解偏差:"表法唯一"只要求"除去系数为 0 的项以外"相同,不是要求项数完全相同;补零项或去零项都是允许的。
  5. 数量乘法与多项式乘法混淆:\(k \cdot f(x)\)(数量乘法)是数乘多项式,结果为每个系数乘 \(k\);\(f(x) \cdot g(x)\)(多项式乘法)是两个多项式相乘,结果是卷积运算。

✎自测与作业

  1. (基础)判断以下表达式是否为多项式,若是,指出其系数、次数和首项:
    \[ (1)\quad 3x^4 - 2x^2 + 5x - 7 \qquad (2)\quad x^2 + \frac{1}{x} \qquad (3)\quad \sqrt{2}\,x^3 + \pi \]
    答案提示:(1) 是,系数 \((3,0,-2,5,-7)\),次数 4,首项 \(3x^4\);(2) 不是(有负指数);(3) 是(\(\sqrt{2},\pi \in \mathbb{R}\)),次数 3,首项 \(\sqrt{2}\,x^3\)。
  2. (计算)设 \(f(x) = 2x^3 - x + 4\),\(g(x) = x^2 + 3x - 2\),计算 \(f(x) + g(x)\) 和 \(f(x) \cdot g(x)\)。
  3. (证明)验证 \(\deg(f+g) \leq \max(\deg f, \deg g)\),等号在 \(\deg f \neq \deg g\) 时成立。
  4. (思考)为什么 \(K[x]\) 对加法和数量乘法构成线性空间?从八条公理中任选两条,给出完整验证过程。
  5. (进阶)证明:若 \(f(x) \cdot g(x) = 0\),则 \(f(x) = 0\) 或 \(g(x) = 0\)。(提示:利用次数公式 \(\deg(fg) = \deg f + \deg g\)。)
  6. (预习)阅读教材中"环"的定义,思考:多项式集合 \(K[x]\) 除了线性空间结构外,还具有什么额外的代数结构?
下一集预告 第 P67 集 · 多项式二:无限维线性空间、环——证明 \(K[x]\) 是无限维线性空间,引入"环"的概念,为第三章多项式环理论奠基。