韋達定理

数学中给出多项式方程的根与系数的关系的公式

數學上,韋達定理(英語:Vieta's formulas),又稱根與系數的關係,給出了多項式方程系數的關係。該定理由法國數學家弗朗索瓦·韋達發現,並因此得名。

韋達定理常用於代數領域。它的實用之處在於,能夠不用把根直接解出來就能計算根之間的關係。

內容

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  是一個一元 n 次(或)系數多項式,首項系數  ,令 P 的 n 個根為  ,則根  和系數  之間滿足關係式

 

等價的說,對任何 k = 1, 2, ..., n,系數比   是所有任取 k 個根的乘積的和的   倍,即

 
或:
 

其中   是要讓所有的根的組合都恰好出現一次。

事實上,等號的左邊被稱作是初等對稱多項式

證明

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因為   是一元 n 次多項式   的 n 個根。於是有

 

根據乘法原理展開右式,比較等號兩邊的各項系數可得

 

上式等同於韋達定理的敘述。

特例

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  是一元二次多項式   的兩根,則由 

 

這個特殊情況除之前提到的證明方法,也可以直接用求根公式  證明:

 
 

在這個情況下,韋達定理的逆定理同樣成立:給定一個一元二次多項式  ,如果有兩個數  ,滿足   ,則  就是多項式 的兩根。

  是一元三次多項式   的三根,則

 

推廣至環

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韋達定理經常使用在討論整環 R 上多項式,換言之多項式系數都落在 R 上。此時,分數   在 R 中不見得有定義,除非   本身是可逆元素。但   在 R 的分式環 K 中有定義,而根   則在 K 的代數閉包   中有定義。特別的,如果 R 是整數環  ,則 K 是有理數體   複數體  

如果多項式 P(x) 定義在一般非整環的交換環上,則韋達定理可能在兩個地方出錯。第一,  可能不是零因子,因此不能出現在分母。第二 P(x) 可能不等於  。第一點算是顯而易見,以下給出一個第二點的例子。在環   中,多項式   有四個根 1、3、5、7,根數比多項式的次數還多。此外,如果隨便取兩根出來,例如   ,會發現  ,但是有時候如果根取的剛好,卻又可能會有   

歷史

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在 16 世紀,韋達發現了所有根都是正整數的版本,至於一般的版本 (根是實數),可能首次由法國數學家 Albert Girard英語Albert Girard 提出。Funkhouser 引用了18 世紀英國數學家查爾斯·赫頓英語Charles Hutton的話寫道[1]

...[Girard 是] 理解關於各次方項系數的和與積公式的一般性學說的第一人。他是找到關於將任意方程式的根的次方加總的規則的第一人。

參考資料

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  • Djukić, Dušan; et al, The IMO compendium: a collection of problems suggested for the International Mathematical Olympiads, 1959–2004, Springer, New York, NY, 2006, ISBN 0-387-24299-6 

參見

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