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◎学习目标
- 理解代数基本定理的完整表述:复数域上任意 \(n\) 次多项式恰有 \(n\) 个复根(重根按重数计),并掌握其证明思路;
- 掌握Liouville 定理(有界整函数必为常数)在代数基本定理证明中的核心作用;
- 学会由代数基本定理推出:复数域上不可约多项式仅有 1 次多项式;
- 了解实数域上不可约多项式的分类:仅有 1 次多项式和判别式 \(<0\) 的 2 次多项式。
1引出问题:次数 \(>0\) 的多项式有无复根?⏱ 00:01
由前一集(P77)的知识,我们已建立多项式与多项式函数在无限域上的同构。现在自然地提出问题:
丘老师指出,如果每个次数 \(>0\) 的多项式都有复根,那么它就可以分解出一个一次因式,从而次数 \(>1\) 的多项式都是可约的——这样复数域上只有 1 次多项式才不可约。⏱ 01:00
2代数基本定理(Liouville 定理证明)⏱ 02:00
证明需要调用复分析的工具。丘老师将其喻为"请天兵天将下凡"。⏱ 02:30
证明第一步:构造辅助函数 \(\psi(z)=1/f(z)\)
反证法假设:设 \(f(z)\) 在复平面上没有复根,即对一切 \(z\in\mathbb{C}\),\(f(z)\neq 0\)。⏱ 03:00
定义辅助函数:
由于 \(f(z)\) 是多项式函数,处处连续且处处可导(解析),且 \(f(z)\neq 0\),故 \(\psi(z)\) 也在整个复平面上解析。⏱ 04:30
证明第二步:考察 \(\psi(z)\) 当 \(|z|\to\infty\) 时的极限
设 \(f(z)=a_n z^n+a_{n-1}z^{n-1}+\cdots+a_0\),\(n\ge 1\),\(a_n\neq 0\)。对 \(\psi(z)\) 分子分母同除以 \(z^n\):
当 \(|z|\to\infty\) 时,\(\frac{1}{z^n}\to 0\),分母中各 \(\frac{a_k}{z^{n-k}}\to 0\),而 \(a_n\neq 0\),故:
这意味着:对任意 \(\varepsilon>0\),存在 \(R>0\),使得当 \(|z|>R\) 时,\(|\psi(z)|<\varepsilon\)。⏱ 09:00
证明第三步:\(\psi(z)\) 在整个复平面上有界
在圆盘 \(|z|\le R\) 上,\(\psi(z)\) 是连续函数(多项式函数在零点外连续),而闭圆盘是有界闭集(紧集),由闭区间上连续函数的最值定理,\(|\psi(z)|\) 在圆盘上必有最大值,记为 \(M\ge 0\)。⏱ 11:30
取 \(\varepsilon=1\),由第二步知存在 \(R>0\) 使得 \(|z|>R\) 时 \(|\psi(z)|<1\)。于是对整个复平面:
即 \(\psi(z)\) 在复平面上有界。⏱ 13:00
证明第四步:Liouville 定理推出矛盾
由 Liouville 定理,\(\psi(z)\) 是常数,即 \(\psi(z)\equiv b\)(\(b\) 为非零常数),从而
这说明 \(f(z)\) 是零次多项式,与前提 \(\deg f=n\ge 1\) 矛盾!⏱ 15:00
反证法完成,故假设错误,\(f(z)\) 必有复根。⏱ 15:30
3复数域上不可约多项式的分类⏱ 20:00
由代数基本定理,每个次数 \(>0\) 的复系数多项式都有复根 \(\lambda\),从而有因式 \((x-\lambda)\),故次数 \(>1\) 的多项式均可约。⏱ 20:30
由此立刻得到:
4实数域上不可约多项式的分类⏱ 24:10
在 \(\mathbb{R}[x]\) 上,情况略有不同。实系数多项式的复根可以成对出现(共轭复根定理)。
推导:\(\mathbb{R}[x]\) 上不可约多项式的种类
设 \(f(x)\in\mathbb{R}[x]\) 是不可约多项式。由代数基本定理,\(f(x)\) 在 \(\mathbb{C}\) 上有根。
情形 1:\(f(x)\) 有实根 \(\lambda\),则 \(x-\lambda\mid f(x)\)。由不可约性,\(f(x)\) 必为 1 次多项式。
情形 2:\(f(x)\) 无实根,则其复根均为非实共轭对 \(\lambda,\bar{\lambda}\)。此时 \((x-\lambda)(x-\bar{\lambda})=x^2-2\operatorname{Re}(\lambda)x+|\lambda|^2\in\mathbb{R}[x]\) 是实系数二次多项式,且 discriminant \(\Delta<0\)。由于 \(f(x)\) 不可约,它不能进一步分解为两个次数更低的实系数多项式之积,故 \(f(x)\) 必为此二次多项式(乘一个非零常数)。
综合得:**\(\mathbb{R}[x]\) 上不可约多项式仅有两种——1 次多项式和判别式 \(\Delta<0\) 的 2 次多项式**。⏱ 27:00
(1) 1 次多项式 \(ax+b\)(\(a\neq 0\));
(2) 判别式 \(\Delta=b^2-4ac<0\) 的 2 次多项式 \(ax^2+bx+c\)(\(a\neq 0\))。
任意实系数多项式均可唯一分解为这两类因式的乘积。⏱ 28:30
- \(x^2+1\):\(\Delta=-4<0\),在 \(\mathbb{R}[x]\) 上不可约,但在 \(\mathbb{C}[x]\) 上可分解为 \((x+i)(x-i)\);
- \(x^3-1=(x-1)(x^2+x+1)\),其中 \(x^2+x+1\) 的 \(\Delta=-3<0\),在 \(\mathbb{R}\) 上不可约。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 忽视"重根按重数计":代数基本定理说 \(n\) 次多项式"恰有 \(n\) 个根",这里的"恰有"是指计重数;如 \((x-1)^2\) 有 1 个不同根但重数之和为 2。
- 混淆 \(\mathbb{C}\) 与 \(\mathbb{R}\) 上不可约多项式的区别:在 \(\mathbb{C}\) 上只有 1 次不可约;在 \(\mathbb{R}\) 上还有判别式 \(<0\) 的 2 次不可约。
- Liouville 定理的应用条件:必须验证 \(\psi(z)\) 在整个复平面上解析(需要 \(f(z)\neq 0\))且有界,缺一不可。
- "有界整函数"中的"整"指全平面解析,不仅仅是"有界",两个条件同时满足才能用 Liouville 定理。
- 判别式 \(\Delta<0\) 的 2 次多项式在 \(\mathbb{R}\) 上不可约,但在 \(\mathbb{C}\) 上可约,不要误认为它"在 \(\mathbb{C}\) 上也不可约"。
✎自测与作业
- 证明:\(x^4+1\in\mathbb{R}[x]\) 在 \(\mathbb{R}\) 上可约(分解为两个二次实系数多项式之积),并写出分解式。
- 求 \(x^3-2\) 在 \(\mathbb{C}[x]\) 中的标准分解式(写出所有根,注意立方根的概念)。
- 验证 Liouville 定理的条件:设 \(f(z)=z^2+1\),构造 \(\psi(z)=1/f(z)\),说明它在哪些点解析,以及当 \(|z|\to\infty\) 时 \(\psi(z)\to 0\)。
- (思考)若 \(f(x)\in\mathbb{R}[x]\) 是 3 次多项式,证明它必在 \(\mathbb{R}\) 上有实根(利用代数基本定理 + 共轭复根定理)。
- (思考)为什么代数基本定理的证明需要用到"复分析"的工具,而不可能仅用纯代数方法?(提示:丘老师在课堂上说过"这是一个非常深奥的定理")