algebra-mech/polynomials.tex

1484 lines
88 KiB
TeX
Raw Permalink Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

\section{Кольцо многочленов}
\subsection{Определение и первые свойства}
\literature{[F], гл. III, \S~1, пп. 1--3; [K1], гл. 5, \S~2, п. 1;
[vdW], гл. 3, \S~14.}
Мы воспринимаем многочлен просто как последовательность его
коэффициентов: то, что в привычной записи выглядит как
$2x^3-5x+4$, для нас является бесконечной последовательностью
$(4,-5,0,2,0,0,\dots)$.
\begin{definition}
Пусть $R$~--- кольцо (коммутативное, ассоциативное, с $1$).
\dfn{Многочленом над $R$}\index{многочлен} (или
\dfn{многочленом с коэффициентами из $R$}) называется бесконечная
последовательностью элементов $R$, в которой все элементы, кроме
конечного числа, равны нулю. Иными словами~--- это последовательностью
$(a_0,a_1,a_2,\dots)$, где $a_i\in R$ со следующим свойством:
существует натуральное $N\in\mb N$ такое, что $a_i=0$ для всех $i>N$.
Введем следующие операции сложения и умножения на множестве всех
многочленов над $R$:
пусть $a=(a_0,a_1,a_2,\dots)$, $b=(b_0,b_1,b_2,\dots)$.
Положим $a+b=(a_0+b_0,a_1+b_1,a_2+b_2,\dots)$,
$ab=(a_0b_0,a_0b_1+a_1b_0,a_0b_2+a_1b_1+a_2b_2,\dots)$.
Формально: $(a+b)_k=a_k+b_k$, $(ab)_k=\sum_{i=0}^ka_ib_{k-i}$.
Проверим, что сумма многочленов действительно является многочленом, то
есть, что начиная с некоторого места все коэффициенты в $a+b$ равны
нулю. Поскольку $a$ является многочленом, найдется натуральное $M$
такое, что $a_i=0$ при $i>M$. Поскольку $b$ является многочленом,
найдется натуральное $N$ такое, что $b_i=0$ при $i>N$. Но тогда при
$i > \max(M,N)$ выполнено и $a_i=0$, и $b_i=0$, откуда
$(a+b)_i = a_i + b_i = 0$ для всех таких $i$.
Чуть сложнее строго показать, что произведение многочленов является
многочленом. Пусть снова $a_i=0$ при всех $i>M$, и $b_j=0$ при всех
$j>N$. Мы утверждаем, что при $k > M+N$ коэффициент
$(ab)_k$ равен нулю. Действительно, по определению
$$(ab)_k = \sum_{i+j = k}a_ib_j.$$
Заметим, что при $i+j>M+N$ выполнено хотя бы одно из неравенств $i>M$,
$j>N$ (иначе, если $i\leq M$ и $j\leq N$, то $i+j\leq M+N$~---
противоречие). Значит, каждое слагаемое в сумме, стоящей в правой
части, равно нулю, ибо $a_i = 0$ при $i>M$, а $b_j=0$ при
$j>N$. Поэтому и вся сумма $(ab)_k$ равна нулю.
Множество всех многочленов над $R$ с определенными таким образом
операциями обозначим через $R[x]$.
\end{definition}
\begin{remark}
В обозначении $R[x]$ буква $x$ пока не несет никакого смысла; чуть
ниже мы узнаем, что такое каноническая запись многочлена, и $x$ станет
вполне определенным элементом $R[x]$. Тем не менее, на ее место можно
выбрать любую другую букву.
\end{remark}
\begin{theorem}
$R[x]$ является кольцом (ассоциативным, коммутативным, с $1$).
\end{theorem}
\begin{proof}
Необходимо проверить восемь аксиом из определения кольца
(\ref{def:ring}). Сложение в $R[x]$ происходит
покомпонентно, поэтому первые четыре аксиомы, отражающие свойства
сложения (ассоциативность и
коммутативность, наличие нейтрального элемента и
противоположных) сразу следуют из соответствующих свойств сложения в
кольце $R$. Отметим лишь, что роль нейтрального элемента по сложению
играет последовательность $(0,0,0,\dots)$, а роль противоположной к
последовательности $(a_0,a_1,a_2,\dots)$ играет последовательность
$(-a_0,-a_1,-a_2,\dots)$.
Ассоциативность умножения: пусть $a=(a_0,a_1,\dots)$,
$b=(b_0,b_1,\dots)$, $c=(c_0,c_1,\dots)$~--- элементы $R[x]$. Тогда
\begin{align*}
((ab)c)_l&=\sum_{k=0}^l(ab)_kc_{l-k}=\sum_{k=0}^l\sum_{i=0}^ka_ib_{k-i}c_{l-k},\\
(a(bc))_l&=\sum_{i=0}^la_i(bc)_{l-i}=\sum_{i=0}^la_i\sum_{j=0}^{l-i}b_jc_{l-i-j}\\
&=\sum_{i=0}^la_i\sum_{i+j=i}^lb_jc_{l-i-j}.
\end{align*}
Сделав замену $k=i+j$ в последней сумме, получаем
$(a(bc))_l=\sum_{i=0}^l a_i\sum_{k=i}^lb_{k-i}c_{l-k}$. Теперь видно,
что суммы в выражениях для $((ab)c)_l$ и $(a(bc))_l$ равны; можно
считать, что суммирования производятся по парам $(i,k)$ таким, что
$0\leq i\leq k\leq l$.
Покажем, что элемент $e=(1,0,0,\dots)$ является нейтральным по
умножению. Действительно, $(ae)_k=\sum_{i=0}^ka_ie_{k-i}=a_k$ и
$(ea)_k=\sum_{i=0}^ke_ia_{k-i}=a_k$. Умножение коммутативно:
$(ab)_k=\sum_{i=0}^ka_ib_{k-i}$,
$(ba)_k=\sum_{j=0}^kb_ja_{k-j}=\sum_{k-j=0}^{k}b_{k-(k-j)}a_{k-j}$, и
осталось сделать замену $i=k-j$.
Наконец, проверим дистрибутивность:
\begin{align*}
((a+b)c)_k&=\sum_{i=0}^k(a+b)_ic_{k-i}\\
&=\sum_{i=0}^k(a_i+b_i)c_{k-i}\\
&=\sum_{i=0}^k(a_ic_{k-i}+b_ic_{k-i})\\
&=\sum_{i=0}^k(a_ic_{k-i})+\sum_{i=0}^k(b_ic_{k-i})\\
&=(ac)_k+(bc)_k.
\end{align*}
\end{proof}
\begin{remark}\label{rem_r_in_poly}
Можно считать, что кольцо $R$ является подмножеством кольца $R[x]$;
действительно, каждому элементу $a\in R$ соответствует многочлен
$(a,0,0,\dots)$, и операции на таких элементах в $R[x]$ соответствуют
операциям в $R$. В силу этого, многочлен $(0,0,0,\dots)$, являющийся
нейтральным элементом по сложению кольца $R[x]$, мы обозначаем просто
через $0$, а многочлен $e=(1,0,0,\dots)$~--- через $1$. Поэтому мы
часто будем писать $a$ вместо многочлена $(a,0,0,\dots)$ для элементов
$a\in R$. При этом, как нетрудно видеть,
$a\cdot (b_0,b_1,b_2,\dots)=(ab_0,ab_1,ab_2,\dots)$.
\end{remark}
\begin{remark}
Как и в других кольцах, для натурального $n$ и $f\in R[x]$ мы
обозначаем через $f^n$ многочлен
$\underbrace{f\cdot\dots\cdot f}_{n}$; если $n=0$, положим $f^0=1\in
R[x]$.
\end{remark}
\begin{definition}
Пусть $a=(a_0,a_1,a_2,\dots)$~--- многочлен над кольцом $R$.
\dfn{Степенью}\index{степень многочлена} многочлена $a$ называется
наибольшее $d$ такое, что
$a_d\neq 0$. Удобно считать, что степень нулевого многочлена
$(0,0,\dots)$ равна $-\infty$. Если же $a\neq 0$, то степень $a$~---
натуральное число. Обозначение: $d=\deg(f)$. Заметим, что многочлены
степени $0$~--- это в точности ненулевые константы из $R$.
\end{definition}
\begin{remark}
Обозначим через $x$ элемент $(0,1,0,0,\dots)\in R[x]$. Нетрудно
видеть, что $x^2=(0,0,1,0,0,\dots)$, и вообще
$x^n=(\underbrace{0,\dots,0}_{n},1,0,0,\dots)$ для всякого
натурального $n$.
С учетом замечания~\ref{rem_r_in_poly} любой элемент
$a=(a_0,a_1,a_2,\dots)\in R[x]$ можно записать как
\begin{align*}
a&=(a_0,a_1,a_2,a_3,\dots)\\
&=(a_0,0,0,0,\dots)+(0,a_1,0,0,\dots)+(0,0,a_2,0,\dots)+\dots\\
&=a_0\cdot(1,0,0,0,\dots)+a_1\cdot(0,1,0,0,\dots)+a_2\cdot(0,0,1,0,\dots)+\dots\\
&=a_0+a_1x+a_2x^2+\dots.
\end{align*}
Конечно, в полученной сумме лишь конечное число ненулевых слагаемых;
если $\deg(a)=d$, можно записать $a=a_0+a_1x+\dots+a_dx^d$. Такая
запись называется \dfn{канонической записью
многочлена}\index{каноническая запись многочлена}.
\end{remark}
\begin{theorem}
Пусть $R$~--- область целостности. Тогда
$\deg(f\cdot g)=\deg(f)+\deg(g)$ для любых $f,g\in R[x]$.
\end{theorem}
\begin{proof}
Пусть $m=\deg(f)$, $n=\deg(g)$. Запишем $f=a_0+a_1x+\dots+a_mx^m$,
$g=b_0+b_1x+\dots+b_nx^n$. По определению степени имеем $a_m\neq 0$ и
$b_n\neq 0$. Нетрудно видеть, что $fg=a_0b_0+\dots+a_mb_nx^{m+n}$ и
$a_mb_n\neq 0$, поскольку $R$~--- область целостности.
\end{proof}
\begin{remark}
Заметим, что теорема верна и для случая $f=0$ или $g=0$ за счет нашего
соглашения $\deg(0)=-\infty$.
\end{remark}
\begin{corollary}\label{cor:r[x]_is_domain}
Если $R$~--- область целостности, то $R[x]$~--- область целостности.
\end{corollary}
\begin{proof}
Пусть $fg=0$; предположим, что $f\neq 0$, $g\neq 0$, тогда $\deg(f)$ и
$\deg(g)$~--- натуральные числа, поэтому и $\deg(fg)$~--- натуральное число.
\end{proof}
\begin{corollary}
Пусть $R$~--- область целостности.
Многочлен $f\in R[x]$ является обратимым тогда и только тогда, когда
он имеет степень $0$, то есть является элементом $f=r\in R$, и $r$
обратим в $R$. Иными словами, $R[x]^*=R^*$.
\end{corollary}
\begin{proof}
Пусть $f\in R[x]^*$ и $g\in R[x]$~--- обратный элемент к $f$:
$fg=1$. При этом $\deg(f)+\deg(g)=\deg(fg)=\deg(1)=0$. Если одна из
степеней $f,g$ равна $-\infty$, то и $\deg(fg)$ равнялась бы
$-\infty$; поэтому оба числа $\deg(f)$, $\deg(g)$ натуральны и,
следовательно, равны $0$. Значит, $f,g\in R$~--- константы,
произведение которых равно $1\in R$. Поэтому $f\in R^*$.
Обратно, если $f\in R^*$, обозначим через $g\in R^*$ обратный элемент
к $f$ в $R$. Тогда $fg=1$, и если рассмотреть $f,g$ как многочлены,
получим, что $f\in R[x]^*$.
\end{proof}
% 12.11.2014
\subsection{Делимость в кольце многочленов}
\literature{[F], гл. VI, \S~1, п. 1--2; [K1], гл. 5, \S~2, п. 3; \S~3,
п. 1; [vdW], гл. 3, \S~14.}
Начиная с этого места мы считаем, что кольцо $R$ является областью
целостности (тогда по теореме~\ref{cor:r[x]_is_domain} и $R[x]$
является областью целостности).
Сейчас мы перенесем основные определения из
раздела~\ref{subsect_divide} на случай кольца многочленов.
\begin{definition}
Пусть $f,g\in R[x]$. Говорят, что многочлен $g$
\dfn{делит}\index{делимость!многочленов}
многочлен $f$ (или что $f$ \dfn{делится на} $g$), если $f=gp$ для
некоторого $p\in R[x]$. Обозначение:
$g\divides f$.
\end{definition}
\begin{proposition}[Свойства делимости в кольце многочленов]
Пусть $f,g,h\in R[x]$. Тогда
\begin{enumerate}
\item $f\divides f$ и $f\divides 1$;
\item если $h\divides f$, $h\divides g$, то $h\divides f+g$;
\item если $h\divides f$, то $h\divides fg$;
\item если $h\divides g$, $g\divides f$, то $h\divides f$.
\end{enumerate}
\end{proposition}
\begin{proof}
\begin{enumerate}
\item $f=f\cdot 1=1\cdot f$.
\item если $f=hp$, $g=hq$, то $f+g=h(p+q)$.
\item если $f=hp$, то $fg=hgp$.
\item если $g=hp$, $f=gq$, то $f=hpq$.
\end{enumerate}
\end{proof}
\begin{definition}
Два элемента $f,g\in R[x]$ называются
\dfn{ассоциированными}\index{ассоциированность!многочленов}, если
$g\divides f$ и $f\divides g$.
\end{definition}
\begin{proposition}
Ассоциированность является отношением эквивалентности.
\end{proposition}
\begin{proof}
Очевидно.
\end{proof}
\begin{proposition}
$f,g\in R[x]$ ассоциированы тогда и только тогда, когда $f=cg$ для
некоторой обратимой константы $c\in R^*$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Если $f=cg$ для $c\in R^*$, то $g\divides f$ и $g=c^{-1}f$, поэтому
$f\divides g$. Обратно, из $g\divides f$ следует, что $f=gp$, а из
$f\divides g$ следует, что $g=fq$. Поэтому $f=gp=fqp$, откуда
$f(1-pq)=0$. Заметим, что $R[x]$~--- область целостности, поэтому
$f=0$ или $1-pq=0$. Если
$f=0$, то и $g=0$, и доказывать нечего. Иначе получаем, что $1=pq$,
откуда $p\in R[x]^*=R^*$. Значит,
$p$~--- ненулевая константа, что и требовалось доказать.
\end{proof}
\begin{theorem}[О делении с остатком в кольце многочленов]
Пусть $R$~--- область целостности, $f,g\in R[x]$, $g\neq 0$,
и старший коэффициент многочлена $g$ обратим. Существуют единственные
многочлены $h,r\in R[x]$ такие, что $f=gh+r$ и $\deg(r)<\deg(g)$.
\end{theorem}
\begin{proof}
Сначала докажем существование индукцией по $\deg(f)$. Если
$\deg(f)<\deg(g)$, можно записать $f=g\cdot 0+f$, то есть, взять $h=0$
и $r=f$.
Пусть теперь $\deg(f)\geq\deg(g)$. Запишем $f=a_mx^m+\dots$,
$g=b_nx^n+\dots$, где $m=\deg(f)$, $n=\deg(g)$. Таким образом,
$a_m\neq 0$, $b_n\neq 0$ и $m\geq n$. Более того, по нашему
предположению коэффициент $b_n$ обратим в $R$.
Рассмотрим многочлен
$f_0=f-g\cdot a_m b_n^{-1} x^{m-n}$. Степень $g$ равна $n$,
степень монома
$a_m b_n^{-1}x^{m-n}$ равна $m-n$, поэтому степень многочлена
$g\cdot a_m b_n^{-1}x^{m-n}$ равна $m$, как и степень $f$. Значит,
степень $f_0$ не превосходит $m$.
Посмотрим на коэффициент многочлена
$f_0$ при $x^m$. Он равен разности коэффициентов $f$ и
$g\cdot a_m b_n^{-1}x^{m-n}$ при $x^m$, то есть,
$a_m-b_n\cdot a_m b_n^{-1}=0$. Значит, степень $f_0$ строго
меньше $m=\deg(f)$. Поэтому к $f_0$ можно применить
предположение индукции и записать $f_0=gh_0+r_0$,
где $\deg(r)<\deg(g)$. Тогда $f=f_0+g\cdot a_m b_n^{-1}x^{m-n}
= gh_0+r_0+g\cdot a_m b_n^{-1}x^{m-n}
= g(h_0+a_mb_n^{-1}x^{m-n})+r_0$. Возьмем
$h=h_0+a_m b_n^{-1}x^{m-n}$ и $r=r_0$; тогда $f=gh+r$ и
все еще $\deg(r)=\deg(r_0)<\deg(g)$.
Осталось доказать единственность: предположим, что $f=gh+r$ и
$f=g\widetilde{h}+\widetilde{r}$. Тогда
$g(h-\widetilde{h})=\widetilde{r}-r$. Степени
многочленов $r$ и $\widetilde{r}$ меньше степени $g$, поэтому степень
правой части равенства меньше степени $g$; в то же время, степень
правой части равна сумме степеней $g$ и $h-\widetilde{h}$. Такое
возможно только если степень $h-\widetilde{h}$ равна $-\infty$, то
есть, $h=\widetilde{h}$, откуда и $r=\widetilde{r}$.
\end{proof}
\begin{remark}
Заметим, что условие обратимости старшего коэффициента многочлена $g$
автоматически выполняется, если $R$~--- поле. Таким образом,
над полем можно делить любой многочлен на любой ненулевой.
\end{remark}
\subsection{Многочлен как функция}
\literature{[F], гл. III, \S~1, пп. 4--7; [K1], гл. 6, \S~1, п. 1--2; [vdW], гл. 5, \S~28.}
\begin{definition}\label{dfn:poly-value}
Пусть $f=a_0+a_1x+\dots+a_nx^n\in R[x]$,
$c\in R$. \dfn{Значением}\index{значение многочлена}
многочлена $f$ в точке $c$ называется
$f(c)=a_0+a_1c+\dots+a_nc^n=\sum_{i=0}^\infty a_ic^i\in R$.
\end{definition}
\begin{remark}\label{rem_poly_function}
Таким образом, с каждым многочленом $f\in R[x]$ связано отображение
$\widetilde{f}\colon R\to R$, $c\mapsto f(c)$.
Мы называем это отображение \dfn{полиномиальной
функцией}\index{полиномиальная функция}, заданной
многочленом $f$.
\end{remark}
\begin{proposition}\label{prop:evaluation-properties}
Для любых $f,g\in R[x]$, $c\in R$, выполнено
\begin{enumerate}
\item $(f+g)(c)=f(c)+g(c)$;
\item $(fg)(c)=f(c)\cdot g(c)$;
\item если $f=r\in R$, то $f(c)=r$
\end{enumerate}
\end{proposition}
\begin{proof}
Пусть $f=\sum_{i=0}^\infty a_ix^i$, $g=\sum_{i=0}^\infty
b_ix^i$.
\begin{enumerate}
\item $f+g=\sum_{i=0}^\infty (a_i+b_i)x^i$, поэтому
$(f+g)(c)=\sum_{i=0}^\infty
(a_i+b_i)c^i=\sum_{i=0}^\infty(a_ic^i)+\sum_{i=0}^\infty(b_ic^i)=f(c)+g(c)$.
\item $fg=\sum_{m=0}^\infty\sum_{i+j=m}^\infty (a_ib_jx^m)$, поэтому
$f(c)g(c)=(\sum_{i=0}^\infty a_ic^i)(\sum_{j=0}^\infty
b_jc^j)=\sum_{i,j=0}^\infty
(a_ib_jc^{i+j})=\sum_{m=0}^\infty\sum_{i+j=m}(a_ib_jc^{m})=(fg)(c)$.
\item $f(c)=r+0\cdot c+\dots=r$.
\end{enumerate}
\end{proof}
\begin{definition}
Пусть $f\in R[x]$, $c\in R$. Говорят, что $c$ является
\dfn{корнем}\index{корень многочлена}
многочлена $f$, если $f(c)=0$.
\end{definition}
\begin{theorem}[Лемма Безу]\label{thm_bezout}
Пусть $f\in R[x]$, $c\in R$.
Многочлен $f$ делится на многочлен $(x-c)$ тогда и только тогда, когда
$c$ является корнем $f$. Более точно, остаток от деления многочлена
$f$ на $(x-c)$ равен $f(c)$.
\end{theorem}
\begin{proof}
Поделим $f$ на $x-c$ с остатком (заметим, что это можно сделать,
поскольку старший коэффициент многочлена $x-c$ обратим).
$f = (x-c)h + r$. Заметим, что $\deg(r) < \deg(x-c) = 1$, поэтому
$r\in R$~--- константа. Подставим $c$ в обе части этого равенства:
$$f(c) = ((x-c)h + r)(c) = ((x-c)h)(c) + r(c) = 0\cdot h(c) + r = r.$$
Если $f$ делится на $x-c$, то $r=0$, и потому $f(c) = 0$. Обратно,
если $f(c) = 0$, то и $r=0$, и потому $f$ делится на $(x-c)$.
\end{proof}
\begin{proposition}\label{prop_linear_factors}
Пусть $f\in R[x]$, $f\neq 0$. Тогда $f$ можно записать в виде
$f=(x-c_1)\dots (x-c_m)h$, где $c_1,\dots,c_m\in R$~--- все корни $f$
(возможно, с повторениями), а $h\in R[x]$~---
многочлен, у которого нет корней в кольце $R$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Доказываем индукцией по $\deg(f)$. База: $\deg(f)=0$, то есть, $f$~---
ненулевая константа. Это многочлен без корней, поэтому можно взять
$m=0$ и $h=f$. Теперь пусть $\deg(f)>0$. Если у $f$ нет корней, опять
можно взять $m=0$, $h=f$. Если же $c$~--- корень $f$, то (по
теореме~\ref{thm_bezout}) $f=(x-c)f_1$, $\deg(f_1)<\deg(f)$, и к
$f_1$ можно
применить предположение индукции. Поэтому $f_1$ имеет нужное
разложение, и, дописывая к нему скобку $(x-c)$, получаем разложение
для $f$.
Теперь мы получили, что $f = (x-c_1)\dots (x-c_m)h$ для некоторых
$c_1,\dots,c_m\in R$ и многочлена $h\in R[x]$ без корней.
Очевидно, что каждый $c_i$, $i=1,\dots,m$, является корнем
$f$. Осталось показать, что среди $c_1,\dots,c_m$ встречаются все
корни $f$. Если $c$~--- некоторый корень $f$, то
$0=f(c)=(c-c_1)\dots(c-c_m)h(c)$. При этом $h(c)\neq 0$, поскольку у
$h$ нет корней, значит (поскольку $R$~--- область целостности),
одна из скобок вида $(c-c_i)$ равна $0$,
поэтому $c$ содержится среди $c_1,\dots,c_m$.
\end{proof}
\begin{corollary}\label{cor_number_of_roots}
Число различных корней ненулевого многочлена над областью целостности
не превосходит его степени.
\end{corollary}
\begin{proof}
Посмотрим на разложение из предложения~\ref{prop_linear_factors}.
Все корни $c$ многочлена $f\in R[x]$ содержатся среди $c_1,\dots,c_m$,
поэтому их число не больше $m$, а $m=\deg(f)-\deg(h)\leq\deg(f)$.
\end{proof}
Позже (см. замечание~\ref{rem_number_of_roots_with_multiplicities}) мы
уточним это следствие с помощью понятия {\it кратности} корня.
\begin{definition}
Пусть $f,g\in R[x]$~--- многочлены над областью целостности
$R$. Говорят, что многочлен $f$ \dfn{функционально
равен}\index{функциональное равенство многочленов} многочлену $g$,
если $f(c)=g(c)$ для
любого $c\in R$. Иными словами, многочлены функционально равны, если
задаваемые ими функции равны: $\widetilde{f}=\widetilde{g}$
(см.~замечание~\ref{rem_poly_function}). Обычное равенство многочленов
при этом иногда называют
\dfn{формальным равенством}\index{формальное равенство многочленов}:
многочлены $f$ и $g$ формально равны, если $f=g$.
\end{definition}
\begin{example}
Пусть $R=\mb Z/2\mb Z=\{\ol{0},\ol{1}\}$. Рассмотрим многочлен
$f=x^2-x$. Заметим, что $f(\ol{0})=f(\ol{1})=\ol{0}$. Поэтому
многочлен $f$ функционально равен многочлену $0$, но, конечно, $f\neq
0$. Этот пример обобщается на поле $R=\mb Z/p\mb Z$: достаточно взять
$f=x^p-x$ и вспомнить малую теорему Ферма
(следствие~\ref{cor_fermat}).
\end{example}
\begin{remark}
Очевидно, что из формального равенства многочленов следует
функциональное: если $f=g$, то $f(c)=g(c)$ для любого $c\in R$.
\end{remark}
\begin{theorem}
Если область целостности $R$ бесконечна, то из функционального
равенства многочленов над $R$ следует их формальное равенство.
\end{theorem}
\begin{proof}
Пусть $f,g\in R[x]$ и $f(c)=g(c)$ для всех $c\in R$. Посмотрим на
разность $h=f-g\in R[x]$. Для любого $c\in R$ выполнено
$h(c)=f(c)-g(c)=0$, поэтому $c$~--- корень $h$. Если $h$ ненулевой, то
по следствию~\ref{cor_number_of_roots} число корней $h$ не превосходит
его степени; с другой стороны, как мы только что видели, любой элемент
бесконечного кольца $R$ является корнем $h$~--- противоречие. Значит,
$h=0$, поэтому и $f=g$.
\end{proof}
\subsection{Многочлены над $\mb R$ и $\mb C$}
\literature{[F], гл. III, \S~1, п. 8; гл. VI, \S~1, п. 7; [K1],
гл. 6, \S~3, п. 1; \S~4, п. 1.}
Сейчас мы уточним разложение из предложения~\ref{prop_linear_factors}
для случая многочленов над полями $\mb R$ и $\mb C$.
\begin{definition}
Поле $k$ называется \dfn{алгебраически
замкнутым}\index{поле!алгебраически замкнутое}, если у любого
многочлена $f\in k[x]$ степени выше нулевой имеется корень в $k$.
\end{definition}
\begin{example}
Поле комплексных чисел $\mb C$ является алгебраически замкнутым. Это
утверждение называется \dfn{основной теоремой алгебры}\index{основная
теорема алгебры}; в нашем курсе
мы будем пользоваться им без доказательства. С другой стороны, поле
вещественных чисел $\mb R$ не алгебраически замкнуто: например, у
многочлена $x^2+1$ нет вещественных корней.
\end{example}
\begin{theorem}[Разложение многочлена над алгебраически замкнутым
полем]\label{thm_irreducible_complex}
Пусть $k$~--- алгебраически замкнутое поле. Тогда любой ненулевой
многочлен $f\in k[x]$ представляется в виде
$f=c_0(x-c_1)\dots(x-c_n)$, где $c_0,c_1,\dots,c_n\in k$.
\end{theorem}
\begin{proof}
По следствию~\ref{prop_linear_factors} можно записать $f=(x-c_1)\dots
(x-c_m)h$, где у $h\in k[x]$ нет корней; по определению алгебраической
замкнутости из этого следует, что $\deg(h)\leq 0$, поэтому $h=c_0\in
k$~--- константа.
\end{proof}
\begin{theorem}[Разложение многочлена над полем вещественных чисел]\label{thm_irreducible_real}
Пусть $f\in\mb R[x]$, $f\neq 0$. Тогда $f$ можно представить в виде
$f=c_0(x-c_1)\dots (x-c_s)(x^2+a_1x+b_1)\dots(x^2+a_rx+b_r)$, где
$c_0,c_1,\dots,c_s,a_1,\dots,a_r,b_1,\dots,b_r\in\mb R$ и $a_i^2-4b_i<0$
для всех $i=1,\dots,r$.
\end{theorem}
\begin{proof}
Доказываем индукцией по степени $f$. Если $\deg(f)=0$, то $f=c_0$,
$s=0$, $r=0$. Пусть теперь $\deg(f)>0$. Рассмотрим $f$ как многочлен
над комплексными числами. По основной теореме алгебры у $f$ есть
корень $\lambda\in\mb C$.
Если $\lambda\in\mb R$, то $f$ делится на
$x-\lambda$, и можно записать $f=(x-\lambda)g$. При этом
$\deg(g)<\deg(f)$, и по предположению индукции $g$ раскладывается в
произведение нужного вида; дописывая к этому разложению скобку
$(x-\lambda)$, получаем и разложение для $f$.
Если же $\lambda\in\mb C\setminus\mb R$, рассмотрим $f(\ol{\lambda})$:
\begin{align*}
f(\ol{\lambda})&=a_0+a_1\ol{\lambda}+\dots+a_n\ol{\lambda}^n\\
&=\ol{a_0}+\ol{a_1\lambda}+\dots+\ol{a_n\lambda^n}\\
&=\ol{f(\lambda)}\\
&=\ol{0}\\
&=0.
\end{align*}
Значит, и $\lambda$, и $\ol{\lambda}$ являются корнями $f$. Поэтому
$f$ делится на $(x-\lambda)(x-\ol{\lambda})$. Запишем
$f=(x-\lambda)(x-\ol{\lambda})g$. Заметим, что
$(x-\lambda)(x-\ol{\lambda})=
x^2-(\lambda+\ol{\lambda})x+\lambda\ol{\lambda}=
x^2-(2\Ree(\lambda))+|\lambda|^2$~--- квадратичный многочлен с
вещественными коэффициентами. Поэтому коэффициенты многочлены $g$
также вещественны, $\deg(g)<\deg(f)$ и можно применить предположение
индукции. Кроме того, дискриминант квадратичного многочлена
$(x-\lambda)(x-\ol{\lambda})$ меньше $0$, поскольку у него нет
вещественных корней. Поэтому нужное разложение многочлена $f$
получается приписыванием к разложению $g$ указанного квадратичного
многочлена.
\end{proof}
\subsection{Кратные корни и производная}
\literature{[F], гл. VI, \S~2, пп. 1, 3; [K1], гл. 6, \S~1, п. 3--4;
[vdW], гл. 5, \S\S~27--28.}
Мы возвращаемся к рассмотрению многочленов над произвольной областью
целостности $R$.
\begin{definition}
Пусть $f\in R[x]$, $c\in R$. Говорят, что $c$ является корнем
многочлена $f$
\dfn{кратности $m$}\index{корень многочлена!кратности $m$}, если $f$
делится на $(x-c)^m$, но
не делится на $(x-c)^{m+1}$. Корень $f$ кратности $1$ называют
\dfn{простым корнем $f$}\index{корень многочлена!простой}, а корень
кратности $>1$~--- \dfn{кратным корнем $f$}\index{корень многочлена!кратный}.
\end{definition}
\begin{lemma}\label{lem_root_multiplicity_equiv}
Пусть $f\in R[x]$, $c\in R$, $m\geq 1$. Элемент $c$ является корнем
$f$ кратности
$m$ тогда и только тогда, когда $f$ можно представить в виде
$f=(x-c)^m\cdot g$, где многочлен $g\in R[x]$ таков, что $g(c)\neq 0$.
\end{lemma}
\begin{proof}
Если $c$~--- корень $f$ кратности $m$, то $f=(x-c)^m\cdot g$ для
некоторого $g\in R[x]$. Если $g(c)=0$, то по теореме Безу $g$ делится
на $(x-c)$, поэтому $g=(x-c)h$ и $f=(x-c)^{m+1}h$, то есть, $f$
делится на $(x-c)^{m+1}$~--- противоречие.
Обратно, если $f=(x-c)^m\cdot g$ и $g(c)\neq 0$, то $f$ делится на
$(x-c)^m$. Если при этом $f$ делится на $(x-c)^{m+1}$, то
$f=(x-c)^{m+1}\cdot h$. Сравнивая два выражения для $f$,получаем
$(x-c)^m\cdot g=(x-c)^{m+1}\cdot h$, откуда $(x-c)^m(g-(x-c)h)=0$. Так
как $R[x]$~--- область целостности, получаем $g-(x-c)h=0$, откуда
$g=(x-c)h$ и $g(c)=0$~--- противоречие.
\end{proof}
\begin{remark}\label{rem_number_of_roots_with_multiplicities}
Таким образом, если в выражении для многочлена $f$ из
следствия~\ref{prop_linear_factors} собрать скобки,
соответствующие одинаковым корням, вместе, то скобка $(x-c)$ окажется
с показателем, в точности равным кратности $c$ как корня $f$.
В частности, из этого немедленно следует, что сумма кратностей корней
многочлена $f$ не превосходит его степени.
\end{remark}
\begin{definition}
Пусть $f\in R[x]$, $f=\sum_{s=0}^\infty a_sx^s$.
\dfn{Производным многочленом} от многочлена $f$
(или его \dfn{производной}\index{производная}) называется многочлен
$f'=\sum_{s=1}^\infty sa_sx^{s-1}$.
\end{definition}
\begin{remark}
Напомним, что для элемента $c\in R$ и натурального числа $n$ можно
положить
$nc=\underbrace{c+\dots+c}_{n}=\underbrace{(1+\dots+1)}_{n}\cdot c\in R$.
\end{remark}
% 19.11.2014
\begin{proposition}[Свойства производной]\label{prop:derivative-properties}
Пусть $f,g\in R[x]$, $c\in R$, $m\geq 1$. Тогда
\begin{enumerate}
\item $(f+g)'=f'+g'$
(\dfn{аддитивность}\index{аддитивность!производной});
\item $(cf)'=cf'$;
\item $(fg)'=f'g+fg'$ (\dfn{тождество Лейбница}\index{тождество
Лейбница});
\item $(g^m)'=mg^{m-1}g'$.
\end{enumerate}
\end{proposition}
\begin{proof}
Пусть $f=\sum_{s=0}^\infty{a_sx^s}$, $g=\sum_{s=0}^\infty{b_sx^s}$.
\begin{enumerate}
\item $f+g=\sum_{s=0}^\infty{(a_s+b_s)x^s}$, поэтому
$$(f+g)'=\sum_{s=1}^\infty{s(a_s+b_s)x^{s-1}}=
\sum_{s=1}^\infty(sa_sx^{s-1})+\sum_{s=1}^\infty(sb_sx^{s-1})=
f'+g'.$$
\item $cf=\sum_{s=0}^\infty ca_sx^s$, поэтому
$(cf)'=\sum_{s=1}^\infty{sca_sx^{s-1}}=
c\sum_{s=1}^\infty{sa_sx^{s-1}}= cf'$.
\item Докажем сначала тождество Лейбница для {\it мономов}
(многочленов вида $ax^n$): если $f=ax^n$, $g=bx^m$, то $fg=abx^{m+n}$
и $(fg)'=(m+n)abx^{m+n-1}$, в то время как $f'=nax^{n-1}$,
$g'=mbx^{m-1}$, откуда $f'g+fg'=nabx^{m+n-1}+mabx^{m+n-1}=(fg)'$.
Пусть теперь $f,g$ произвольны. Запишем их в виде суммы мономов (это
можно сделать с любым многочленом): $f=f_1+\dots+f_r$,
$g=g_1+\dots+g_s$.
Тогда
\begin{align*}
fg&=(f_1+\dots+f_r)(g_1+\dots+g_s)\\
&=\sum_{\substack{1\leq i\leq r\\1\leq j\leq s}}f_ig_j.
\end{align*}
Возьмем производную и воспользуемся уже доказанным свойством
аддитивности. Кроме того, заметим, что мы доказали тождество Лейбница
для мономов $f_i$ и $g_j$, поэтому
$(f_ig_j)'=f'_ig_j+f_ig'_j$. Получаем:
\begin{align*}
(fg)'&=\sum_{\substack{1\leq i\leq r\\1\leq j\leq
s}}(f_ig_j)'\\
&=\sum_{\substack{1\leq i\leq r\\1\leq j\leq
s}}(f'_ig_j+f_ig'_j)\\
&=\sum_{\substack{1\leq i\leq r\\1\leq j\leq
s}}(f'_ig_j) + \sum_{\substack{1\leq i\leq r\\1\leq
j\leq s}}(f_ig'_j)\\
&=(f'_1+\dots+f'_r)(g_1+\dots+g_s)+(f_1+\dots+f_r)(g'_1+\dots+g'_s)\\
&=(f_1+\dots+f_r)'(g_1+\dots+g_s)+(f_1+\dots+f_r)(g_1+\dots+g_s)'\\
&=f'g+fg'
\end{align*}
\item Проведем индукцию по $m$. Для $m=1$ получаем тождество $g'=g'$.
Пусть теперь $m>1$, тогда $(g^m)'=(g\cdot g^{m-1})'=g'\cdot g^{m-1}
+ g\cdot (g^{m-1})'=g^{m-1}g'+g\cdot (m-1)g^{m-2}g'=mg^{m-1}g'$, что и
требовалось.
\end{enumerate}
\end{proof}
\begin{proposition}[Связь между корнями многочлена и его производной]\label{prop_roots_and_derivative}
Пусть $f\in R[x]$, $c\in R$. Элемент $c$ является кратным корнем
многочлена $f$ тогда и только тогда, когда $c$ является корнем и $f$,
и $f'$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Если $c$~--- кратный корень $f$, то $f$ делится на $(x-c)^2$. Запишем
$f=(x-c)^2\cdot g$ и посчитаем производную от обеих частей:
$f'=((x-c)^2\cdot g)' = ((x-c)^2)'g+(x-c)^2g' = 2(x-c)g+(x-c)^2g' =
(x-c)(2g+(x-c)g')$.
Значит, $c$ является и корнем $f'$.
Обратно, если $c$ корень $f$ и $f'$, запишем $f=(x-c)g$ и $f'=(x-c)h$.
При этом $(x-c)h=f'=((x-c)g)'=(x-c)'g+(x-c)g'=g+(x-c)g'$. Значит,
$(x-c)(h-g')=g$, откуда $f=(x-c)g=(x-c)^2(h-g')$, и $c$~--- кратный
корень $f$.
\end{proof}
Для исследования более тонких вопросов, касающихся кратностей корней,
нам удобно будет предположить, что основное кольцо $R$ является полем.
\begin{definition}
Пусть $k$~--- поле. \dfn{Характеристикой}\index{характеристика поля}
поля $k$ называется
наименьшее число $p$ такое, что $\underbrace{1+\dots+1}_{p}=0$ в $k$,
если оно существует; в противном случае говорят, что характеристика
$k$ равна $0$. Обозначение: $\cchar(k)=p$.
\end{definition}
\begin{examples}
Поля $\mb Q$, $\mb R$, $\mb C$ имеют характеристику $0$: никакая сумма
единиц не равна нулю. Поле $\mb
Z/p\mb Z$ имеет характеристику $p$: действительно,
$\underbrace{\overline{1}+\dots+\overline{1}}_{m}=\ol{m}$, причем
$\ol{p}=\ol{0}$ и $\ol{m}\neq\ol{0}$ при $1\leq m\leq p-1$.
\end{examples}
\begin{lemma}
Характеристика поля равна $0$ или простому числу.
\end{lemma}
\begin{proof}
Заметим, что характеристика поля не может равняться $1$, поскольку в
поле $1\neq 0$ (см. определение~\ref{def:field}). Если же
$\cchar(k)=ab$~--- составное число ($a,b>1$), заметим, что
$0=\underbrace{1+\dots+1}_{ab} =
(\underbrace{1+\dots+1}_a)(\underbrace{1+\dots+1}_b)$. Поле является
областью целостности, поэтому одна из двух получившихся скобок равна
$0$, но $a,b<ab$, что противоречит минимальности в определении
характеристики.
\end{proof}
\begin{theorem}\label{root_multiplicity_and_derivative_exact}
Пусть $f\in k[x]$, $c\in k$~--- корень $f$, $m\geq 1$, и
характеристика поля $k$ равна
нулю. Если $c$ является корнем $f$ кратности $m$, то $c$ является
корнем $f'$ кратности $m-1$. Обратно, если $c$~--- корень $f'$
кратности $m-1$, то $c$~--- корень $f$ кратности $m$.
\end{theorem}
\begin{proof}
Пусть $c$~--- корень $f$ кратности $m$; по
лемме~\ref{lem_root_multiplicity_equiv} это означает, что
$f=(x-c)^mg$ и $g(c)\neq 0$. Возьмем производную:
$f'=(x-c)^mg'+m(x-c)^{m-1}g=(x-c)^{m-1}((x-c)g'+mg)$. Мы утверждаем,
что многочлен $(x-c)g'+mg$ в точке $c$ не равен нулю. Действительно,
его значение в точке $c$ равно $0\cdot g'(c)+mg(c)=mg(c)$.
При этом $g(c)\neq 0$ и характеристика поля $k$ равна нулю, поэтому
$m\neq 0$. Снова применяя лемму~\ref{lem_root_multiplicity_equiv},
получаем, что $c$~--- корень $f'$ кратности $m-1$.
Обратно, если $c$~--- корень $f'$ кратности $m-1$, пусть $n$~---
кратность $c$ как корня $f$. По условию $c$ является корнем $f$,
поэтому $n\geq 1$. По уже доказанному теперь $c$ является корнем $f'$
кратности $n-1$, поэтому $n-1=m-1$, откуда $n=m$, что и требовалось.
\end{proof}
\begin{remark}
Теорема~\ref{root_multiplicity_and_derivative_exact} не выполняется
для полей положительной характеристики. Пусть, например,
$k = \mb Z/p\mb Z$~--- поле из $p$ элементов. Рассмотрим многочлен
$f = x^p(x-1) = x^{p+1} - x^p$. Элемент $c = 0$ является корнем
многочлена $f$ кратности $p$, но у его
производной $f' = (p+1)x^p - px^{p-1} = x^p$ элемент $c$ снова
является корнем кратности $p$.
\end{remark}
\begin{theorem}
Пусть $f\in k[x]$, $c\in k$, $m>1$, и характеристика поля $k$ равна
нулю. Элемент $c$ является корнем $f$ кратности $m$ тогда и только
тогда, когда $f(c)=f'(c)=\dots=f^{(m-1)}(c)=0$ и $f^{(m)}(c)\neq 0$.
\end{theorem}
\begin{proof}
Если $c$ является корнем $f$ кратности $m$, то $c$ является корнем
$f'$ кратности $m-1$, \dots, корнем $f^{(m-1)}$ кратности $1$, и не
является корнем $f^{(m)}$.
Обратно, если $f(c)=f'(c)=\dots=f^{(m-1)}(c)=0$ и $f^{(m)}(c)\neq 0$,
воспользуемся индукцией по $m$.
База $m=1$: $f(c)=0$ и $f'(c)\neq 0$~--- по
теореме~\ref{prop_roots_and_derivative} из этого
следует, что $c$~--- простой корень $f$.
Многочлен $f'$ таков, что он и его
первые $m-2$ производные имеют корень $c$, а $(m-1)$-ая производная не
равна нулю в точке $c$. По предположению индукции $c$~--- корень $f'$
кратности $m-1$. По
теореме~\ref{root_multiplicity_and_derivative_exact} тогда $c$~---
корень $f$ кратности $m$, что и требовалось доказать.
\end{proof}
\subsection{Интерполяция}
\literature{[F], гл. VI, \S~4, пп. 1--3; [K1], гл. 6, \S~1, п. 2; [vdW], гл. 5, \S~29.}
\begin{definition}
Пусть $k$~--- поле, $x_1,\dots,x_n\in k$~--- некоторые попарно различные
элементы $k$, и $y_1,\dots,y_n\in k$. \dfn{Интерполяционной
задачей}\index{интерполяционная задача}
(или \dfn{задачей интерполяции в $n$ точках}) с
данными $(x_1,\dots,x_n;y_1,\dots,y_n)$ мы будем называть задачу
нахождения многочлена $f\in k[x]$ такого, что $f(x_i)=y_i$ для всех
$i=1,\dots,m$.
\end{definition}
\begin{theorem}
Интерполяционная задача имеет не более одного решения среди
многочленов степени, не превосходящей $n-1$. Более того, если $f$,
$g$~--- два решения одной интерполяционной задачи, то $f-g$ делится на
многочлен $(x-x_1)\dots(x-x_n)$.
\end{theorem}
\begin{proof}
Пусть $f,g\in k[x]$~--- два многочлена,
являющихся решениями одной интерполяционной задачи с
данными $(x_1,\dots,x_n;y_1,\dots,y_n)$. Это означает, что
$f(x_i)=y_i=g(x_i)$ для всех $i=1,\dots,n$. Рассмотрим многочлен
$h=f-g$; тогда $h(x_i)=f(x_i)-g(x_i)=0$ для всех $i$. Все $x_i$
различны, поэтому у многочлена $h$ есть $n$ различных корней
$x_1,\dots,x_n$. По предложению~\ref{prop_linear_factors} из этого
следует, что $h$ делится на $(x-x_1)\dots(x-x_n)$. В частности, если
$f$ и $g$ были многочленами степени не выше $n-1$, то и степень $h$ не
превосходит $n-1$, откуда $h=0$ и $f=g$.
\end{proof}
\begin{remark}
У многочлена степени $n-1$ ровно $n$ коэффициентов; неформально
говоря, эти $n$ <<степеней свободы>> фиксируются выбором его значений
в $n$ точках.
\end{remark}
Сейчас мы покажем, что всякая задача интерполяции в $n$ точках имеет решение,
являющееся многочленом степени не выше $n-1$ (и, стало быть, имеет
единственное решение среди многочленов такой степени). Мы явно
построим по данным интерполяционной задачи нужный многочлен нужной
степени, и даже двумя способами: Лагранжа и Ньютона.
Пусть $(x_1,\dots,x_n;y_1,\dots,y_n)$~--- фиксированная
интерполяционная задача. Обозначим
$$
\ph_i=(x-x_1)\dots\widehat{(x-x_i)}\dots(x-x_n);
$$
здесь знак $\widehat{}$ над скобкой означает, что соответствующий
множитель нужно пропустить. Более формально,
$$
\ph_i=\prod_{\substack{1\leq j\leq n\\j\neq i}}(x-x_j).
$$
Отметим, что $\ph_i$ является многочленом степени $n-1$, а его
корни~--- элементы $x_1,\dots,\widehat{x_i},\dots,x_n$.
Посмотрим теперь на многочлен $\ph_i/\ph_i(x_i)$. Эта запись имеет
смысл, поскольку $\ph_i(x_i)\neq 0$. Указанный многочлен принимает
значение $1$ в точке $x_i$ и значения $0$ во всех остальных точках из
набора $x_1,\dots,x_n$.
Наконец, рассмотрим сумму $f=\sum_{i=1}^n
y_i\ph_i/\ph_i(x_i)$. При подстановке $x_i$ в многочлен $f$ все
слагаемые, кроме $y_i\ph_i/\ph_i(x_i)$, обратятся в $0$, а указанное
слагаемое примет значение $y_i$. Значит, указанный многочлен является
решением нашей интерполяционной задачи. Кроме того, степень $f$ не
превосходит $n-1$, поскольку степень каждого $\ph_i$ равна $n-1$.
Выпишем его еще раз:
$$
f=\sum_{i=1}^n y_i\frac{(x-x_1)\dots\widehat{(x-x_i)}\dots(x-x_n)}{(x_i-x_1)\dots
\widehat{(x_i-x_i)}\dots(x_i-x_n)}.
$$
Многочлен $f$ называется \dfn{интерполяционным многочленом
Лагранжа}\index{интерполяционный многочлен!Лагранжа}.
Обратимся теперь ко второму способу, который носит название
\dfn{интерполяционного многочлена
Ньютона}\index{интерполяционный многочлен!Ньютона}. Он решает ту же самую
задачу интерполяции в $n$ точках и имеет степень не выше $n-1$;
конечно, из единственности решения следует, что он совпадает с
интерполяционным многочленом Лагранжа и отличается лишь формой
записи. Форма Ньютона удобна, когда добавление новых точек к
интерполяционной задаче происходит последовательно.
А именно, мы построим серию многочленов $f_1,f_2,\dots,f_n$ таких, что
многочлен $f_i$ имеет степень не выше $i-1$ и решает задачу
интерполяции в $i$ точках с данными
$(x_1,\dots,x_i;y_1,\dots,y_i)$. Построении будет происходить по
индукции: мы опишем, как строить $f_1$ и как по многочлену $f_i$
строить многочлен $f_{i+1}$; очевидно, что $f_n$ будет решением
исходной интерполяционной задачи.
Задача интерполяции в одной точке проста~--- в качестве многочлена
$f_1$, принимающего значение $y_1$ в точке $x_1$, можно взять
константу: $f_1=y_1$~--- это действительно многочлен степени не выше
$0$, что и требовалось.
Предположим теперь, что многочлен $f_i$ построен, то есть,
$f_j(x_j)=y_j$ для всех $j=1,\dots,i$, и $\deg(f_i)\leq i-1$. Как
построить $f_{i+1}$? Будем искать его в виде
$f_{i+1}=f_i+c_{i+1}(x-x_1)\dots(x-x_i)$, где $c_{i+1}\in k$~--- некоторая
константа. Это гарантирует нам, что значения
$f_i$ в точках $x_1,\dots,x_i$ не испортятся: добавка $c_{i+1}(x-x_1)\dots
(x-x_i)$ обращается в $0$ в этих точках. Это означает, что
$f_{i+1}(x_j)=y_j$ для $j=1,\dots,i$. Кроме того, степень $f_{i+1}$ не
превосходит $i$. Осталось добиться выполнения условия
$f_{i+1}(x_{i+1})=y_{i+1}$ подбором константы $c_{i+1}$.
То есть, нам нужно, чтобы
$f_i(x_{i+1})+c_{i+1}(x_{i+1}-x_1)\dots(x_{i+1}-x_i)=y_{i+1}$. Отсюда
легко находится $c_{i+1}$:
$$
c_{i+1}=\frac{y_{i+1}-f_i(x_{i+1})}{(x_{i+1}-x_1)\dots(x_{i+1}-x_i)}.
$$
Заметим, что знаменатель этой дроби~--- ненулевая константа.
Таким образом, интерполяционный многочлен Ньютона является многочленом
$f_n$ в последовательности
\begin{align*}
f_1&=y_1;\\
f_2&=f_1+\frac{y_2-f_1(x_2)}{x_2-x_1};\\
f_3&=f_2+\frac{y_3-f_2(x_3)}{(x_3-x_1)(x_3-x_2)};\\
&\vdots\\
f_n&=f_{n-1}+\frac{y_n-f_{n-1}(x_n)}{(x_n-x_1)\dots(x_n-x_{n-1})}.
\end{align*}
\subsection{НОД и неприводимость}\label{ssect:polynomial_gcd}
\literature{[F], гл. VI, \S~1, пп. 3--6; [K1], гл. 5, \S~3, п. 1--2.}
Продолжим построение теории делимости в кольце многочленов,
параллельной теории делимости в кольце целых чисел. Начиная с этого
места, мы будем рассматривать многочлены над полем $k$.
\begin{definition}
Пусть $f,g\in k[x]$. Многочлен $d$ называется \dfn{общим
делителем}\index{общий делитель!многочленов}
многочленов $f$ и $g$, если $d\divides f$ и $d\divides g$.
\end{definition}
\begin{definition}
Пусть $f,g\in k[x]$. Многочлен $d$ называется \dfn{наибольшим общим
делителем}\index{наибольший общий делитель!многочленов} многочленов
$f$ и $g$ (обозначение: $d=\gcd(f,g)$), если
\begin{enumerate}
\item $d$~--- общий делитель $f$ и $g$;
\item если $d'$~--- еще какой-нибудь общий делитель $f$ и $g$, то
$d'\divides d$.
\end{enumerate}
\end{definition}
\begin{remark}
Сразу же заметим, что если $d$ и $d'$~--- два наибольших общих
делителя многочленов $f$ и $g$, то по определению имеем $d\divides d'$ и
$d'\divides d$; это означает, что многочлены $d$ и $d'$ ассоциированы, то
есть, отличаются домножением на ненулевую константу. В кольце целых
чисел у каждого элемента не более двух ассоциированных~--- он сам и
противоположный к нему, и поэтому можно выбрать из них
неотрицательный, и считать его наибольшим общим делителем. В кольце
многочленов неизвестно, какой из (возможного) множества
ассоциированных выбирать;
можно, конечно, всегда выбирать многочлен со старшим коэффициентом
$1$, но мы этого не будем делать, и будем говорить, что $\gcd$
многочленов {\em определен с точностью до ассоциированности}.
\end{remark}
% 26.11.2014
\begin{theorem}\label{thm_gcd_polynomials}
Наибольший общий делитель многочленов $f,g\in k[x]$ существует,
определен однозначно с точностью до ассоциированности, и может быть
представлен в виде
$\gcd(f,g)=u_0f+v_0g$ для некоторых $u_0,v_0\in k[x]$
\end{theorem}
\begin{proof}
Заметим, что $\gcd(0,g)=g$, поэтому можно считать, что $f\neq 0$ и
$g\neq 0$. Рассмотрим множество $I$ многочленов вида $uf+vg$ для
всевозможных $u,v\in k[x]$ и выберем из них ненулевой многочлен
$d=u_0f+v_0g$ наименьшей степени (возможно, таких несколько~---
возьмем любой из
них). Мы утверждаем, что $d$ является наибольшим общим делителем $f$ и
$g$. Поделим $f$ на $d$ с остатком: $f=dh+r$, где
$\deg(r)<\deg(d)$. Тогда $r=f-dh=f-(u_0f+v_0g)h=(1-u_0h)f+(-v_0h)g$
лежит в $I$ и имеет меньшую степень; поэтому $r=0$, то есть, $f$
делится на $d$. Аналогично, $g$ делится на $d$. Это означает, что
$d$~--- общий делитель $f$ и $g$. Если же $h$~--- какой-то общий
делитель $f$ и $g$, то и $d=u_0f+v_0g$ делится на $h$.
\end{proof}
\begin{remark}
Представление из теоремы~\ref{thm_gcd_polynomials} называется, как и в
случае целых чисел, \dfn{линейным представлением наибольшего общего
делителя}\index{линейное представление НОД!многочленов}.
\end{remark}
Совершенно аналогично случаю целых чисел происходит и \dfn{алгорифм
Эвклида}\index{алгорифм Эвклида} в кольце многочленов: единственное
отличие состоит в том,
что при каждом шаге алгорифма убывает не модуль числа, а степень
многочлена:
\begin{lemma}
Если $f=gq+r$ для $f,g\in k[x]$, то $\gcd(f,g)=\gcd(g,r)$.
\end{lemma}
\begin{proof}
Пусть $d=\gcd(f,g)$; тогда $r=f-gq$ делится на $d$, и если $h$~---
некоторый общий делитель $g$ и $r$, то $f=gq+r$ делится на $h$,
поэтому $h$ является общим делителем $f$ и $g$, и по определению
наибольшего общего делителя должно выполняться $h\divides d$. Поэтому
$d$ является и наибольшим общим делителем $g$ и $r$.
\end{proof}
Теперь для того, чтобы найти $\gcd(f,g)$, можно считать, что
$\deg(f)\geq\deg(g)$ и $g\neq 0$.
Запишем $f=gq_1+r_1$ и заметим, что
$\gcd(f,g)=\gcd(g,r_1)$, причем $\gcd(r_1)<\gcd(g)$, поэтому можно
перейти от пары $(f,g)$ к паре $(g,r_1)$ и повторить операцию:
\begin{align*}
f&=gq_1+r_1\\
g&=r_1q_2+r_2\\
r_1&=r_2q_3+r_3\\
&\dots
\end{align*}
Процесс не может продолжаться бесконечно, поскольку степень остатка
убывает. Стало быть, он остановится, когда очередной остаток окажется
равным $0$; если $r_n$~--- последний ненулевой остаток, то
$\gcd(f,g)=\gcd(g,r_1)=\gcd(r_1,r_2)=\dots=\gcd(r_{n-1},r_n)=\gcd(r_n,0)=r_n$.
Уточним степени
многочленов, входящих в линейное представление НОД из
теоремы~\ref{thm_gcd_polynomials}:
\begin{proposition}
Пусть $f,g\in k[x]$, $d=\gcd(f,g)$, $\deg(f)=m$,
$\deg(g)=n$. Существуют многочлены $u_0,v_0\in k[x]$ такие, что
$\deg(u_0)<n$, $\deg(v_0)<m$, и $d=u_0f+v_0g$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Без ограничения общности можно считать, что $m\leq n$.
По теореме~\ref{thm_gcd_polynomials} найдутся {\it какие-то}
$u'_0,v'_0\in k[x]$ такие, что $d=u'_0f+v'_0g$. Поделим $u'_0$ с
остатком на $g$: $u'_0=gq+r$. Тогда $d=u'_0f+v'_0g=(gq+r)f+v'_0g=
rf+(v'_0-qf)g$. Положим $u_0=r$, $v_0=v'0-qf$. Мы знаем, что
$\deg(u_0)<\deg(g)=n$. Наконец, $v_0g=d-u_0f$, причем
$\deg(d)<\deg(f)=m$ и
$\deg(u_0f)=\deg(u_0)+\deg(f)< n+m$; поэтому
$n+m>\deg(v_0g)=\deg(v_0)+\deg(g)=\deg(v_0)+n$ и $\deg(v_0)<m$, что и
требовалось.
\end{proof}
Наконец, определим аналоги простых чисел в кольце многочленов.
\begin{definition}
Многочлен $p\in k[x]$ называется
\dfn{неприводимым}\index{многочлен!неприводимый}, если $p$
ненулевой, необратимый, и из того, что
$p=fg$ для $f,g\in k[x]$, следует, что $f$ ассоциировано с $p$ или $g$
ассоциировано с $p$.
\end{definition}
\begin{lemma}
Пусть $f,g,p\in k[x]$ и $p$ неприводим. Если $p\divides fg$, то
$p\divides f$ или $p\divides g$.
\end{lemma}
\begin{proof}
Если $f$ не делится на $p$, то $\gcd(f,p)=1$. Запишем $1=u_0f+v_0p$ и
домножим это равенство на $g$: $g=u_0fg+v_0pg$. По условию $fg$
делится на $p$, поэтому оба слагаемых в правой части делятся на $p$,
поэтому и $g$ делится на $p$.
\end{proof}
\begin{theorem}
Любой ненулевой необратимый многочлен $f$ из $k[x]$ представляется в
виде $f=p_1\dots p_m$, где $p_1,\dots,p_m\in k[x]$~--- неприводимые
многочлены. Более того, такое разложение однозначно с точностью до
порядка сомножителей и замены их на ассоциированные.
\end{theorem}
\begin{proof}
Для доказательства существования~--- индукция по степени многочлена $f$; если $f$
неприводим, доказывать нечего, иначе же запишем $f=gh$ так, чтобы степени
$g$ и $h$ были меньше степени $f$ и воспользуемся индукционным
предположением.
Доказательство единственности проходит точно так же, как в случае
целых чисел (см. теорему~\ref{theorem_ota}), только индукцию снова
нужно вести не по модулю числа, а по степени многочлена.
\end{proof}
% 27.11.2012
\subsection{Поля частных}
\literature{[F], гл. VI, \S~3, пп. 1--2; [K1], гл. 5, \S~4, п. 1;
[vdW], гл. 3, \S~13.}
Пусть $R$~--- область целостности
(см. определение~\ref{def:domain}). Сейчас мы расширим кольцо $R$ до
поля естественным образом. Эта конструкция совершенно аналогична
переходу от целых чисел к рациональным: рациональное число можно
считать дробью, в числителе и знаменателе которой стоят целые
числа. Первая проблема, которую нужно побороть~--- неоднозначность
представления в виде дроби: например, дроби $4/6$, $(-2)/(-3)$ и $2/3$
обозначают одно и то же рациональное число.
Рассмотрим множество $R\times
(R\setminus\{0\})$ и введем на нем следующее отношение: пара
$(a,s)$ считается эквивалентной паре $(b,t)$ тогда и только тогда,
когда $at=bs$ в $R$. Мы будем использовать обычное обозначение для
этого отношения: $(a,s)\sim (b,t)$
\begin{lemma}
Это отношение эквивалентности на $R\times(R\setminus\{0\})$.
\end{lemma}
\begin{proof}
Рефлексивность: $(a,s)\sim (a,s)$, поскольку $as=as$.
Симметричность: если $(a,s)\sim (b,t)$, то $at=cs$, откуда $(b,t)\sim
(a,s)$.
Транзитивность: если $(a,s)\sim (b,t)$ и $(b,t)\sim (c,u)$, то $at=bs$
и $bu=ct$. Поэтому $atu=bsu=cts$, откуда $t(au-cs)=0$ и, поскольку
$t\neq 0$, а $R$~--- область целостности, получаем $au=cs$, что
означает, что $(a,s)\sim (c,u)$.
\end{proof}
Фактор-множество $R\times (R\setminus\{0\})$ по указанному отношению
эквивалентности мы будем обозначать через $\Frac(R)$, а класс пары
$(a,s)$ в $\Frac(R)$ будем обозначать через $\frac{a}{s}$ и называть
\dfn{дробью}\index{дробь}.
Теперь введем на полученном множестве операции по образу и подобию
операций над рациональными числами:
\begin{align*}
\frac{a}{s}+\frac{b}{t}&=\frac{at+bs}{st};\\
\frac{a}{s}\cdot\frac{b}{t}&=\frac{ab}{st}.
\end{align*}
Как всегда при введении операций на фактор-множестве, эта запись a
priori содержит неоднозначность, которую нужно разрешить, проверив
{\it корректность} введенных операций.
Сначала разберемся с произведением: мы определили произведение двух
классов $x,y\in\Frac(R)$ с помощью выбора представителей: если
$(a,s)$~--- представитель класса $x$, а $(b,t)$~--- представитель
класса $y$, мы определили $xy$ как класс, содержащий пару
$(ab,st)$. Для начала заметим, что $st\neq 0$ (поскольку $R$~---
область целостности), поэтому эта пара действительно лежит в $R\times
(R\setminus\{0\})$. Что будет, если мы выберем других
представителей? Пусть, действительно, $(a', s')$~--- еще одна пара из
класса $x$, а $(b', t')$~--- пара из класса $y$. Это означает, что
$(a,s)\sim (a',s')$ и $(b,t)\sim(b',t')$. Верно ли, что пары
$(ab,st)$ и $(a'b',s't')$ попали в один класс? Проверим это:
нам дано $as'=a's$ и $bt'=b't$, а хочется проверить, что
$abs't'=a'b'st$. Для этого нужно лишь перемножить два данных
равенства.
Далее, мы определили сумму двух классов $x$ и $y$ так: если
$(a,s)$~--- представитель класса $x$, а
$(b,t)$~--- представитель класса $y$, мы определили $x+y$ как класс,
содержащий пару $(at+bs,st)$. Что будет при выборе других
представителей? Пусть снова $(a', s')$~--- еще одна пара из
класса $x$, а $(b', t')$~--- пара из класса $y$, то есть,
$(a,s)\sim (a',s')$ и $(b,t)\sim(b',t')$. Верно ли, что пары
$(at+bs,st)$ и $(a't'+b's',s't')$ попали в один класс? Нам дано
нам дано $as'=a's$ и $bt'=b't$, а хочется проверить, что
$(at+bs)s't'=(a't'+b's')st$.
Но из $as'=a's$ следует $as'tt'=a'stt'$, а из $bt'=b't$ следует
$bss't'=b'ss't$, и сложением получаем $as'tt'+bss't'=a'stt'+b'ss't$,
то есть, $(at+bs)s't'=(a't'+b's')st$, что и требовалось.
Операции на $\Frac(R)$ определены, осталось проверить, что получилось поле.
\begin{theorem}
Пусть $R$~--- область целостности.
Множество $\Frac(R)$ с введенными выше операциями является полем.
\end{theorem}
\begin{definition}
$\Frac(R)$ называется \dfn{полем частных}\index{поле!частных} области целостности $R$.
\end{definition}
\begin{proof}[Доказательство теоремы]
\begin{enumerate}
\item Ассоциативность сложения:
$(\frac{a}{s}+\frac{b}{t})+\frac{c}{u}=\frac{at+bs}{st}+\frac{c}{u}=\frac{(at+bs)u+cst}{stu}$,
$\frac{a}{s}+(\frac{b}{t}+\frac{c}{u})=\frac{a}{s}+\frac{bu+ct}{tu}=\frac{atu+(bu+ct)s}{stu}$,
что то же самое.
\item Нейтральный элемент по сложению~--- дробь
$\frac{0}{1}$. Действительно, $\frac{a}{s}+\frac{0}{1}=\frac{a\cdot
1+0\cdot s}{s\cdot 1}=\frac{a}{s}$; перемножение в другом порядке
можно опустить в силу коммутативности (см. пункт 4). Заметим, что
$\frac{0}{1}=\frac{0}{s}$ для любого $s\in R\setminus\{0\}$.
\item Противоположной дробью к $\frac{a}{s}$ будет дробь
$\frac{-a}{s}$:
$\frac{a}{s}+\frac{-a}{s}=\frac{as+(-a)s}{s\cdot s}=\frac{0}{s\cdot s}=\frac{0}{1}$.
\item Коммутативность сложения:
$\frac{a}{s}+\frac{b}{t}=\frac{at+bs}{st}$,
$\frac{b}{t}+\frac{a}{s}=\frac{bs+at}{st}$.
\item Ассоциативность умножения:
$(\frac{a}{s}\cdot\frac{b}{t})\cdot\frac{c}{u}
=\frac{ab}{st}\cdot\frac{c}{u}=\frac{abc}{stu}=\frac{a}{s}\cdot\frac{bc}{tu}
=\frac{a}{s}(\frac{b}{t}\cdot\frac{c}{u})$.
\item Нейтральный элемент по умножению~--- дробь
$\frac{1}{1}$. Действительно,
$\frac{a}{s}\cdot\frac{1}{1}=\frac{a\cdot 1}{s\cdot
1}=\frac{a}{s}$. Заметим, что $\frac{1}{1}=\frac{s}{s}$ для любого
$s\in R\setminus\{0\}$.
\item Коммутативность умножения:
$\frac{a}{s}\cdot\frac{b}{t}=\frac{ab}{st}
=\frac{b}{t}\cdot\frac{a}{s}$.
\item Аксиома поля: у каждой дроби $\frac{a}{s}\neq 0$ есть обратный
элемент по умножению. Заметим, что если $a=0$, то
$\frac{a}{s}=0$. Поэтому $a\neq 0$ и можно рассмотреть дробь
$\frac{s}{a}$, которая и будет обратной:
$\frac{a}{s}\cdot\frac{s}{a}=\frac{as}{as}=\frac{1}{1}=1$.
\end{enumerate}
Осталось заметить, что в полученном кольце $\Frac(R)$ выполнено
условие $0\neq 1$: условие $\frac{0}{1}=\frac{1}{1}$ означало бы, что
$0\cdot 1=1\cdot 1$ в $R$, то есть, $0=1$, что невозможно, поскольку
$R$~--- область целостности.
\end{proof}
Отметим теперь, что кольцо $R$ можно считать лежащим в поле
$\Frac(R)$: каждому элементу $a\in R$ можно сопоставить дробь
$\frac{a}{1}$; при этом разным элементам $R$ сопоставляются разные
дроби, поскольку из $\frac{a}{1}=\frac{b}{1}$ следует $a\cdot 1=b\cdot
1$, то есть, $a=b$. Сложение и умножение полученных дробей выглядит
так же, как сложение и умножение в $R$:
$\frac{a}{1}+\frac{b}{1}=\frac{a+b}{1}$,
$\frac{a}{1}\cdot\frac{b}{1}=\frac{ab}{1}$.
Таким образом, можно считать, что мы расширили $R$ и у каждого
ненулевого элемента $s\in R$ в новом кольце $\Frac(R)$ оказался
обратный: дробь $\frac{1}{s}$.
\begin{example}
Из конструкции очевидно, что $\Frac(\mb Z)=\mb Q$.
\end{example}
\subsection{Поле рациональных функций}
\literature{[F], гл. VI, \S~3, пп. 1--5, 7; [K1], гл. 5, \S~2,
п. 2--3; [vdW], гл. 5, \S~36.}
\begin{definition}
Применим конструкцию поля частных к кольцу многочленов $k[x]$ над
полем $k$. Полученное поле $\Frac(k[x])$ называется
\dfn{полем рациональных функций (над $k$)}\index{поле!рациональных
функций} и обозначается через $k(x)$.
\end{definition}
Таким образом, поле рациональных функций состоит из дробей вида $\frac{f}{g}$,
где $f,g$~--- многочлены (с учетом отношения эквивалентности), которые
складываются и перемножаются как привычные дроби. Исходное кольцо
$k[x]$ мы трактуем как подмножество $k(x)$, состоящее из дробей вида
$\frac{f}{1}$.
\begin{remark}
Слово <<функция>> в термине <<поле рациональных функций>> несколько
обманчиво: мы уже убедились, что не стоит отождествлять многочлен
$f\in k[x]$ с функцией $k\to k$, $c\mapsto f(c)$. Точно так же, можно
попытаться сопоставить рациональной функции $\frac{f}{g}\in k(x)$
отображение $k\to k$, $c\mapsto f(c)/g(c)$, однако она не определена
в точках $c$, для которых $g(c)=0$; кроме этого, у разных
представителей класса дроби $f/g$ будут разные области определения:
например, дробь $\frac{1}{x-1}$ не определена в точке $1$, а равная ей
дробь $\frac{x}{x(x-1)}$ не определена в точках $0$ и $1$. Может
оказаться, что указанное отображение не определено вообще ни в одной
точке: для поля $k=\mb Z/p\mb Z$ знаменатель дроби $\frac{1}{x^p-x}$,
например, обращается в $0$ во всех точках $c\in k$. Это показывает,
что с подстановкой значений в дроби нужно быть предельно
аккуратным.
\end{remark}
\begin{definition}
Рациональная функция $\frac{f}{g}\in k(x)$ называется
\dfn{правильной}\index{правильная дробь}, если $\deg(f)<\deg(g)$
\end{definition}
\begin{lemma}
Это определение корректно, то есть, не зависит от выбора
представителей: если
$\frac{f}{g}=\frac{\widetilde{f}}{\widetilde{g}}$, и
$\deg(f)<\deg(g)$, то $\deg(\tld{f})<\deg(\tld{g})$.
\end{lemma}
\begin{proof}
Если $\frac{f}{g}=\frac{\tld{f}}{\tld{g}}$, то $f\tld{g}=\tld{f}g$,
поэтому $\deg(f)+\deg(\tld{g})=\deg(\tld{f})+\deg(g)$.
\end{proof}
\begin{lemma}\label{lem_sum_of_proper}
Сумма, разность и произведение правильных дробей~--- правильные дроби.
\end{lemma}
\begin{proof}
Пусть $\frac{f}{g}$ и $\frac{\tld{f}}{\tld{g}}$~--- правильные
дроби, то есть, $\deg(f)<\deg(g)$ и $\deg(\tld{f})<\deg(\tld{g})$. Тогда
$\frac{f}{g}+\frac{\tld{f}}{\tld{g}}=\frac{f\tld{g}+\tld{f}g}{g\tld{g}}$.
При этом $\deg(f\tld{g})<\deg(g\tld{g})$ и
$\deg(\tld{f}g)<\deg(g\tld{g})$, поэтому и полученная сумма является
правильной дробью. Для случая разности достаточно заметить, что
противоположная дробь к правильной дроби также является
правильной. Наконец, $\deg(f\tld{f})<\deg(g\tld{g})$, поэтому и
произведение $\frac{f\tld{f}}{g\tld{g}}$ является правильной дробью.
\end{proof}
\begin{lemma}\label{lem:proper_fraction_is_not_poly}
Если многочлен равен правильной дроби, то он нулевой.
\end{lemma}
\begin{proof}
Предположим, что $f\in k[x]$~--- некоторый многочлен,
$\psi = \frac{g}{h} \in k(x)$~--- правильная дробь (здесь $g,h\in
k[x]$),
и $f=\psi$. Равенство $f = \frac{g}{h}$ означает, что
$fh = g$, и поэтому $\deg(g) = \deg(f) + \deg(h)$. С другой стороны,
по определению правильной дроби $\deg(g) < \deg(h)$.
Поэтому $\deg(f) < 0$, то есть, $f=0$.
\end{proof}
\begin{proposition}\label{prop_sum_poly_and_proper}
Любую рациональную функцию $\ph\in k(x)$ можно единственным образом
представить в виде суммы многочлена и правильной рациональной функции:
$\ph=f+\psi$, где $f\in k[x]$, $\psi\in k(x)$, и если
$\ph=\tld{f}+\tld{\psi}$, то $f=\tld{f}$ и $\psi=\tld{\psi}$. Более
того, знаменатель $\psi$ можно взять равным знаменателю $\ph$, то
есть, если $\ph=\frac{a}{b}$ для некоторых $a,b\in k[x]$, то
$\psi=\frac{c}{b}$ для некоторого $c\in k[x]$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Запишем $\ph=\frac{a}{b}$ для некоторых $a,b\in k[x]$, $b\neq 0$. Поделим $a$ на
$b$ с остатком: $a=bq+r$, где $q,r\in k[x]$ и $\deg(r)<\deg(b)$. Тогда
$\ph=\frac{a}{b}=\frac{bq+r}{b}=\frac{bq}{b}+\frac{r}{b}=\frac{q}{1}+\frac{r}{b}=q+\frac{r}{b}$,
и дробь $\frac{r}{b}$ правильная.
Докажем единственность:
пусть $f+\psi=\tld{f}+\tld{\psi}$,
тогда $f-\tld{f}=\tld{\psi}-\psi$. В левой части этого равенства стоит
многочлен, в правой~--- правильная дробь (по лемме~\ref{lem_sum_of_proper});
из леммы~\ref{lem:proper_fraction_is_not_poly} следует,
что $f - \tld{f}=0$, то есть, $f=\tld{f}$ и $\psi = \tld{\psi}$.
Заметим, наконец, что в нашем построении знаменатель $\psi$ равен
знаменателю $\phi$.
\end{proof}
Выделение многочлена является первым шагом на пути к выявлению
структуры поля рациональных функций.
\begin{definition}
Рациональная функция $\psi\in k(x)$ называется
\dfn{простейшей}\index{простейшая дробь}, если ее можно представить в
виде
$\psi=\frac{f}{p^m}$, где $f,p\in k[x]$, $p$~--- неприводимый
многочлен, $m\geq 1$~--- натуральное число, и $\deg(f)<\deg(p)$.
\end{definition}
Наша цель~--- доказать, что любая правильная рациональная функция
представляется (в некотором смысле единственным образом) в виде суммы
простейших.
\begin{lemma}\label{prop_coprime_denominators}
Пусть $\frac{f}{gh}\in k(x)$~--- правильная рациональная функция, и
многочлены $g,h\in k[x]$ взаимно просты: $\gcd(g,h)=1$.. Тогда
$\frac{f}{gh}$ можно представить в виде
$\frac{f}{gh}=\frac{a}{g}+\frac{b}{h}$, где
$\frac{a}{g},\frac{b}{h}\in k(x)$~--- правильные рациональные
функции.
\end{lemma}
\begin{proof}
Запишем $ug+vh=1$. Тогда
$\frac{f}{gh}=f\cdot\frac{1}{gh}=f\cdot\frac{ug+vh}{gh}=f\cdot(\frac{ug}{gh}+\frac{vh}{gh})=f\cdot(\frac{u}{h}+\frac{v}{g})=\frac{fv}{g}+\frac{uf}{h}$. В
силу предложения~\ref{prop_sum_poly_and_proper} можно записать дроби
$\frac{fv}{g}$ и $\frac{uf}{h}$ как суммы многочленов и правильных
дробей с теми же знаменателями. Соединяя многочлены вместе, получаем
$\frac{f}{gh}=c+\frac{a}{g}+\frac{b}{h}$, где $a,b,c\in
k[x]$. Наконец, из этого равенство видно, что $c$ является суммой
правильных дробей, то есть, по лемме~\ref{lem_sum_of_proper},
правильной дробью, и из единственности в
предложении~\ref{prop_sum_poly_and_proper}, $c=0$.
\end{proof}
\begin{lemma}\label{lem_proper_irreducible}
Правильную дробь вида $\frac{f}{p^m}$ (здесь $f,p\in k[x]$, $m>1$)
можно записать в виде суммы
$\frac{a_1}{p}+\frac{a_2}{p^2}+\dots+\frac{a_m}{p^m}$, где $a_i\in
k[x]$, $\deg{a_i}<\deg{p}$.
\end{lemma}
\begin{proof}
Индукция по $m$. База $m=1$ очевидна. Переход: пусть $m>1$. Поделим $f$
на $p$ с остатком: $f=pq+r$, $\deg(r)<\deg(p)$. Теперь можно записать
$\frac{f}{p^m}=\frac{pq+r}{p^m}=\frac{pq}{p^m}+\frac{r}{p^m}=\frac{q}{p^{m-1}}+\frac{r}{p^m}$
и по предположению индукции первую дробь можно записать как сумму
дробей, в которых присутствуют знаменатели $p, p^2,\dots,p^{m-1}$, а
числители имеют степень, меньшую степени $p$. Приписывая слагаемое
$\frac{r}{p^m}$, получаем то, что требовалось.
\end{proof}
% 03.12.2014
Наконец, все готово для доказательства главной теоремы.
\begin{theorem}\label{thm_sum_of_simplest}
Пусть $\frac{f}{g}\in k(x)$~--- правильная дробь, $g=p_1^{m_1}\dots
p_s^{m_s}$~--- каноническое разложение $g$ на неприводимые
множители. Тогда $\frac{f}{g}$ можно представить в виде суммы
простейших дробей, в знаменателях которых стоят
$p_1,p_1^2,\dots,p_1^{m_1}$, $p_2,p_2^2,\dots,p_2^{m_2}$,\dots,
$p_s,p_s^2,\dots,p_s^{m_s}$. Кроме того, такое представление
единственно с точностью до порядка, в котором записаны слагаемые.
\end{theorem}
\begin{proof}
По предложению~\ref{prop_coprime_denominators} можно расщепить
знаменатель правильной дроби на два взаимно простых сомножителя;
применяя ее несколько раз, получаем, что
$\frac{f}{g}=\frac{f_1}{p_1^{m_1}}+\dots+\frac{f_s}{p_s^{m_s}}$. Далее,
по лемме~\ref{lem_proper_irreducible}, каждое слагаемое вида
$\frac{f_i}{p_i^{m_i}}$ представляется в виде суммы простейших.
Для доказательства единственности предположим, что сумма простейших
дробей указанного вида равна другой сумме простейших дробей того же
вида. Докажем, что все числители соответствующих дробей в обеих частях
этого равенства совпадают. Предположим противное~--- нашлись
различные числители в дробях с одинаковыми знаменателями в левой и
правой частях. Без ограничения общности (с точности до нумерации
многочленов $p_1,\dots,p_s$) можно считать, что знаменатели этих
дробей~--- степени многочлена $p_1$. Посмотрим на
все дроби в левой и правой части, знаменатели которых~--- степени
$p_1$: пусть в левой части стоит
$\frac{a_1}{p_1}+\frac{a_2}{p_1^2}+\dots+\frac{a_{m_1}}{p_1^{m_1}}$, а
в правой части~---
$\frac{b_1}{p_1}+\frac{b_2}{p_1^2}+\dots+\frac{b_{m_1}}{p_1^{m_1}}$. По
нашему предположению, $a_n\neq b_n$ для некоторого $n$. Рассмотрим
максимальное такое $n$. Тогда
$a_{n+1}=b_{n+1},\dots,a_{m_1}=b_{m_1}$, поэтому дроби
$\frac{a_{n+1}}{p_1^{n+1}},\dots,\frac{a_{n+1}}{p_1^{n+1}}$ в левой
части равны соответственно дробям
$\frac{b_{n+1}}{p_1^{n+1}},\dots,\frac{b_{n+1}}{p_1^{n+1}}$ в правой
части. Вычеркивая эти дроби, получаем равенство вида
$$
\frac{a_1}{p_1}+\frac{a_2}{p_1^2}+\dots+\frac{a_n}{p_1^n}+A=
\frac{b_1}{p_1}+\frac{b_2}{p_1^2}+\dots+\frac{b_n}{p_1^n}+B,
$$
где $A$ и $B$~--- суммы дробей, в знаменателях которых стоит
степени $p_2,\dots,p_s$. При этом, по предположению, $a_n\neq b_n$.
Домножим указанное равенство на $p_1^np_2^{m_2}\dots p_s^{m_s}$:
\begin{align*}
&(a_1p_1^{n-1}+a_2p_1^{n-2}+\dots+a_n)p_2^{m_2}\dots p_s^{m_s} +
Ap_1^np_2^{m_2}\dots p_s^{m_s} =\\
&(b_1p_1^{n-1}+b_2p_1^{n-2}+\dots+b_n)p_2^{m_2}\dots p_s^{m_s} +
Bp_1^np_2^{m_2}\dots p_s^{m_s}.
\end{align*}
Это уже равенство многочленов (мы избавились от всех знаменателей).
Раскроем скобки и заметим, что в левой части лишь одно слагаемое не
содержит множитель $p_1$, а именно, $a_np_2^{m_2}\dots
p_s^{m_s}$. Действительно, по предположению, $A$ не содержит
степени $p_1$ в знаменателях, и остальные слагаемые слева (если они
вообще есть) также делятся на $p_1$. Аналогично, в правой части лишь
слагаемое $b_np_2^{m_2}\dots p_s^{m_s}$ не содержит множитель
$p_1$. Поэтому наше равенство принимает вид
$$
a_np_2^{m_2}\dots p_s^{m_s}+(\dots)\cdot p_1 =
b_np_2^{m_2}\dots p_s^{m_s}+(\dots)\cdot p_1.
$$
Значит, разность $a_np_2^{m_2}\dots p_s^{m_s}-b_np_2^{m_2}\dots
p_s^{m_s}=(a_n-b_n)p_2^{m_2}\dots p_s^{m_s}$ делится на $p_1$; однако,
$p_2,\dots,p_s$ взаимно просты с $p_1$, поэтому $a_n-b_n$ делится на
$p_1$. Но мы начинали с суммы простейших дробей, то есть,
$\deg(a_n)<\deg(p_1)$ и $\deg(b_n)<\deg(p_1)$, откуда
$\deg(a_n-b_n)<\deg(p_1)$ и, стало быть, $a_n=b_n$~--- противоречие.
\end{proof}
\begin{corollary}
\begin{enumerate}
\item Любая правильная дробь из $\mb C(x)$ представляется в виде суммы
дробей вида $\frac{a}{(x-c)^m}$, где $a,c\in\mb C$, $m\geq
1$.
\item Любая правильная дробь из $\mb R(x)$ представляется в виде суммы
дробей вида $\frac{a}{(x-c)^m}$, где $a,c\in\mb R$, $m\geq 1$, и
дробей вида
$\frac{cx+d}{(x^2+ax+b)^m}$, где $a,b,c,d\in\mb R$, $a^2-4b<0$, $m\geq
1$.
\end{enumerate}
\end{corollary}
\begin{proof}
Напрямую следует из теоремы~\ref{thm_sum_of_simplest} и теорем
\ref{thm_irreducible_complex}, \ref{thm_irreducible_real}.
\end{proof}
Теорема~\ref{thm_sum_of_simplest} не указывает явного алгоритма
нахождения разложения правильной дроби в сумму простейших. Этот
алгоритм можно извлечь из доказательства
предложения~\ref{prop_coprime_denominators} и
леммы~\ref{lem_proper_irreducible}, но он несколько замысловат:
например, в доказательстве~\ref{prop_coprime_denominators} требуется
умение находить коэффициенты в линейном представлении наибольшего
общего делителя. На практике для нахождения разложения в сумму
простейших хорошо работает метод неопределенных коэффициентов. Кроме
того, можно выписать и явные формулы (конечно, если известно
разложение знаменателя дроби на неприводимые многочлены). Приведем
формулы для простейшего случая: рациональной функции над комплексными
числами, знаменатель которой не имеет кратных корней.
\begin{proposition}
Пусть $\frac{f}{g}\in\mb C(x)$~--- правильная дробь, и $g=(x-c_1)\dots
(x-c_n)$, где $c_1,\dots,c_n\in\mb C$~--- попарно различные числа.
Тогда $\frac{f}{g}=\frac{a_1}{x-c_1}+\dots+\frac{a_n}{x-c_n}$, где
$a_i=f(c_i)/g'(c_i)$.
\end{proposition}
\begin{proof}
По теореме~\ref{thm_sum_of_simplest} существует разложение вида
$\frac{f}{g}=\sum_{i=1}^n\frac{a_i}{x-c_i}$; осталось
найти коэффициенты $a_j$ для всех $j$.
Домножим это равенство на $g$:
$$
f=\sum_{i=1}^n a_i(x-c_1)\dots\widehat{(x-c_i)}\dots(x-c_n)
$$
(напомним, что крышечка над множителем означает, что его нужно
пропустить в произведении).
Подставим $c_j$; все слагаемые справа, кроме $j$-го, содержат
множитель $(x-c_j)$, поэтому обращаются в нуль. Значит,
$$
f(c_j)=a_j(c_j-c_1)\dots\widehat{(c_j-c_j)}\dots(c_j-c_n).
$$
Посмотрим теперь на производную многочлена
$g=(x-c_1)\dots(x-c_n)$:
\begin{align*}
g'&=((x-c_j)(x-c_1)\dots\widehat{(x-c_j)}\dots(x-c_n))'\\
&=(x-c_j)'(x-c_1)\dots\widehat{(x-c_j)}\dots(x-c_n)+
(x-c_j)((x-c_1)\dots\widehat{(x-c_j)}\dots(x-c_n))'.\\
&=(x-c_1)\dots\widehat{(x-c_j)}\dots(x-c_n)+
(x-c_j)((x-c_1)\dots\widehat{(x-c_j)}\dots(x-c_n))'.
\end{align*}
Наконец, подставим $c_j$, и второе слагаемое обратится в $0$:
$g'(c_j)=(c_j-c_1)\dots\widehat{(c_j-c_j)}\dots(c_j-c_n)$.
Сравнивая с полученным выше выражением для $f(c_j)$, получаем, что
$f(c_j)=a_jg'(c_j)$, откуда $a_j=f(c_j)/g'(c_j)$, что и требовалось.
\end{proof}