Mở đầu về đa thức


Trong bài này \mathbb{K} sẽ được hiểu là \mathbb{C},\mathbb{R},\mathbb{Q} hay \mathbb{Z}.

1. Hệ số và bậc

Định nghĩa 1. Một tổng hình thức a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0, ở đây n\in\mathbb{N}, a_i\in \mathbb{K}\,\forall i được gọi là một đa thức với hệ số trong \mathbb{K}.

Như vậy mỗi phần tử của \mathbb{K} là một đa thức với hệ số trong \mathbb{K}, chúng được gọi là các đa thức hằng. Số 0\in\mathbb{K} ứng với đa thức không và cũng được ký hiệu bởi 0.

Tập các đa thức với hệ số trong \mathbb{K} được ký hiệu là \mathbb{K}[x].

Định nghĩa 2. Với đa thức f(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0\,\,(a_n\not =0), ta sẽ gọi các a_i là các hệ số của f(x), a_n là hệ số cao nhất, a_0 là hệ số tự do. f(x) được gọi là monic nếu a_n=1. Số n được gọi là bậc của f(x), ký hiệu \deg f(x)=n.

Quy ước. Bậc của đa thức 0 bằng -\infty.

Định nghĩa 3. Hai đa thức f(x),g(x)\in\mathbb{K}[x] được gọi là bằng nhau, ký hiệu f(x)=g(x) hay f(x)\equiv g(x), nếu chúng cùng là đa thức 0 hoặc cả hai khác 0 đồng thời \deg f(x)=\deg g(x) và các hệ số tương ứng bằng nhau.

Ví dụ 1. Tìm bậc, hệ số hằng và hệ số cao nhất của các đa thức sau

a) 3x^4-3x^2+1;

b) 6x^2.

Ví dụ 2. Tìm

a) Một đa thức monic có bậc 12;

b) Một đa thức có bậc 5 nhưng không phải là monic;

c) Một đa thức có bậc 0.

2. Các phép toán

Định nghĩa 4. Xét hai đa thức f(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0g(x)=b_mx^m+b_{m-1}x^{m-1}+\cdots+b_0, ở đây a_i,b_j là các phần tử của \mathbb{K}a_n,b_m không cần phải khác 0 (sau này nếu không quan tâm đến bậc của đa thức thì ta cũng dùng biểu diễn này cho tiện).

Tổng của hai đa thức trên, ký hiệu f(x)+g(x), là đa thức xác định bởi

f(x)+g(x)=(a_0+b_0)+(a_1+b_1)x+(a_2+b_2)x^2+\cdots

Tích của f(x)g(x), ký hiệu f(x)g(x), là đa thức xác định bởi

f(x)g(x)=a_0b_0+(a_0b_1+a_1b_0)x+(a_0b_2+a_1b_1+a_2b_0)x^2+\cdots

Ta dễ dàng chứng minh được các kết quả sau:

Định lí 1.

1) f(x)+(g(x)+h(x))=(f(x)+g(x))+h(x)\,\,\forall f(x),g(x),h(x)\in\mathbb{K}[x].

2) f(x)+g(x)=g(x)+f(x)\,\,\forall f(x),g(x)\in\mathbb{K}[x].

3) f(x)+0=0+f(x)=f(x)\,\,\forall f(x)\in\mathbb{K}[x].

4) Với mỗi f(x)\in\mathbb{K}[x] có duy nhất g(x)\in\mathbb{K}[x] thỏa mãn f(x)+g(x)=g(x)+f(x)=0.

Đa thức g(x) sẽ được kí hiệu bởi -f(x) và được gọi là đa thức đối của đa thức f(x). Từ đây với mỗi f(x),g(x)\in\mathbb{K}[x] ta có thể định nghĩa hiệu của f(x)g(x), kí hiệu f(x)-g(x), bởi f(x)+(-g(x)).

Định lí 2.

1) f(x)(g(x)h(x))=(f(x)g(x))h(x)\,\,\forall f(x),g(x),h(x)\in\mathbb{K}[x].

Với đa thức f(x) và số nguyên dương n, đa thức f(x)f(x)\cdots f(x) (n chữ f) sẽ được ký hiệu bởi f^n(x) hoặc (f(x))^n.

2) f(x)g(x)=g(x)f(x)\,\,\forall f,g\in\mathbb{K}[x].

3) f(x)1=1f(x)=f(x)\,\,\forall f(x)\in\mathbb{K}[x].

4) f(x)(g(x)+h(x))=f(x)g(x)+f(x)h(x)\,\,\forall f(x),g(x),h(x)\in\mathbb{K}[x].

Xét hai đa thức f(x)g(x) với f(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0, khi đó đa thức

a_n(g(x))^n+a_{n-1}(g(x))^{n-1}+\cdots+a_1g(x)+a_0 sẽ được ký hiệu bởi f(g(x)).

Ví dụ 3. Cho hai đa thức P(x)=x^2-2x+11Q(x)=2x^2-3x+5. Tìm các đa thức P(x)+Q(x),P(x)-Q(x),P(x)Q(x),P(Q(x))Q(P(x)).

Định lí 3. Cho P(x),Q(x) là các đa thức khác hằng. Khi đó

1) \deg (P(x)+Q(x))\leq\max (\deg P(x),\deg Q(x)).

2) \deg (P(x)Q(x))=\deg P(x)+\deg Q(x).

3) \deg (P(Q(x))=\deg (Q(P(x))=\deg P\deg Q.

3. Bài tập

Bài 1.  Tìm tất cả các số thực a,b sao cho đa thức x^4+4x^3+ax^2+bx+1 là bình phương của một đa thức với hệ số thực.

Bài 2. Cho P là một đa thức với hệ số thực thỏa mãn P^2 là đa thức của x^2. Chứng minh rằng P hoặc P/x cũng là đa thức của x^2.

Bài 3. Cho số nguyên dương n và đa thức f(x)=\sum a_ix^i có bậc n. Lập đa thức (x-b)f(x)=\sum c_ix^i với b là số thực nào đấy. Chứng minh rằng A\leq (n+1)C, ở đây A=\max |a_i|C=\max |c_i|.

Bài 4. Cho PQ là các đa thức monic với hệ số thực thỏa mãn P(P(x))=Q(Q(x)). Chứng minh rằng P=Q.

Continue reading “Mở đầu về đa thức”