Z – K[x]

Các bạn học sinh chắc rất quen thuộc với cuốn từ điển ANH – VIỆT đúng không? Hôm nay tôi sẽ giới thiệu vài trang trong cuốn từ điển SỐ NGUYÊN – ĐA THỨC. Để theo bài cho dễ dàng các bạn nên đọc lướt qua các bài sau:

Mục đích của bài này là giới thiệu một số kết quả về đa thức tương tự với các kết quả trong số học sơ cấp (xem [2] và [3]), chẳng hạn như thuật toán chia, thuật toán Euclid, và định lí cơ bản của số học. Bởi vì chúng thực sự rất tương tự nên một số chứng minh sẽ bị bỏ qua, hoặc viết vắn tắt. Các em học sinh nên viết lại cẩn thận tất cả các chứng minh để hiểu thêm về đa thức.

Trong bài $K$ là $\mathbb{C},\mathbb{R},\mathbb{Q},$ hay $\mathbb{F}_p$ .

Định lí 1 (Thuật toán chia). Cho $f$ và $g$ là các phần tử của $K[x]$ với $g\neq 0$ . Khi đó tồn tại duy nhất cặp phần tử $(q,r)$ của $K[x]$ thỏa mãn $f=q g+r,$ và $\deg (r)<\deg(g)$ hoặc $r=0$ .

Chứng minh. Khẳng định là đúng một cách hiển nhiên nếu $f=0$ hoặc bậc của $f$ bé hơn bậc của $g.$ Bây giờ ta xét trường hợp còn lại và chứng minh nó bằng quy nạp theo bậc của $f$ .

Nếu bậc của $f$ bằng $0$ thì bậc của $g$ bằng $0$ và khẳng định là đúng. Giả sử khẳng định đúng với mọi đa thức $f$ có bậc bé hơn $m$ . Xét một đa thức $f$ có bậc $m$ và một đa thức $g$ khác không có bậc $n\leq m$ . Viết $f(x)=a_m x^m+\ldots+a_1 x+a_0$ và $g(x)=b_n x^n+\ldots+b_0.$

Xét đa thức $f_1(x)=f(x)-a_m b_n^{-1} x^{m-n} g(x).$ Ta có $f_1$ có bậc bé hơn $m$ hoặc $f_1=0$ nên theo giả thiết quy nạp, ta có thể viết $f_1=q_1 g+r,$ trong đó bậc của $r$ bé hơn $n$ hoặc $r=0$ . Từ đây ta có $f(x)=\left(q_1(x)+a_m b_n^{-1} x^{m-n}\right) g(x)+r(x).$ Bây giờ ta đi chứng minh phần còn lại, thương và dư là duy nhất. Giả sử $f=q_1 g+r_1$ và $f=q_2 g+r_2.$ Khi đó $\left(q_1-q_2\right) g=r_2-r_1.$ Nếu $q_2-q_1 \neq 0$ thì bậc của $\left(q_2-q_1)\right) g$ không bé hơn bậc của $g$ , trong khi bậc của $r_2-r_1$ bé hơn bậc của $g$ , vô lý. Vậy $q_1=q_2$ , và đương nhiên $r_1=r_2$ . $\Box$

Định nghĩa 1. Cho hai đa thức không đồng thời bằng không $f$ và $g$ với hệ số trong $K$ . Một đa thức monic $d$ với hệ số trong $K$ được gọi là ước chung lớn nhất của $f$ và $g$ nếu

(1) $d$ là một ước của $f$ và $g$ , và

(2) mỗi ước của $f$ và $g$ cũng là một ước của $d$ .

Ước chung lớn nhất của $f$ và $g$ được ký hiệu bởi $(f, g)$ . Nếu $(f, g)=1$ thì ta nói $f$ và $g$ nguyên tố cùng nhau.

Ước chung lớn nhất nếu có sẽ là duy nhất. Thật vậy, giả sử $d$ và $d_1$ cùng là ước chung lớn nhất của $f$ và $g$ . Khi đó $d \mid d_1$ và $d_1 \mid d$ , suy ra $d=a d_1$ và $d_1=b d$ , do đó $d=a b d.$ Từ đây ta có $ab=1$ , suy ra $a$ và $b$ đều có bậc không. Do đó $d_1$ bằng $d$ nhân với một đa thức hằng, nhưng chúng cùng monic nên $d=d_1$ . Định lí sau chứng tỏ ước chung lớn nhất tồn tại.

Định lí 2. Với các đa thức không đồng thời bằng không $f, g \in K[x]$ , ước chung lớn nhất tồn tại và có thể biểu diễn dưới dạng $(f, g)=a f+b g,$ với $a,b \in K[x]$ .

Chứng minh. Xét tập hợp $I=\{a f+b g \mid a, b \in K[x]\}.$ Tập hợp $I$ chứa ít nhất một đa thức khác không nên tồn tại đa thức monic $d$ thuộc $I$ mà có bậc nhỏ nhất. Dễ chứng minh được $d=(f, g)$ . $\Box$

Thuật toán Euclid. Cho $f, g \in K[x]$ là hai đa thức khác không. Dùng thuật toán chia ta có $f=q g+r,$ trong đó $\deg(r)<\deg(g)$ hoặc $r=0$ . Nếu $r=0$ thì $g$ chia hết $f$ , do đó $(f, g)=c g$ với $c\in K$ . Nếu không, ta có tập các ước chung của $f$ và $g$ bằng tập các ước chung của $g$ và $r$ , do đó $(f,g)=(g,r)$ . Quy trình này làm giảm bậc của đa thức nên nó phải kết thức sau hữu hạn bước, lúc đó ta tìm được $(f,g)$ . Tương tự như với số nguyên, dùng thuật toán này ta có thể tìm được các đa thức $a$ và $b$ sao cho $(f, g)=a f+b g.$

Định lí 3. Cho $f, g,h \in K[x]$ với $(h, f)=1$ và $h\mid fg$ . Khi đó $h\mid g$ .

Chứng minh. Bạn đọc tự chứng minh xem như bài tập. $\Box$

Định nghĩa 2. Một đa thức khác hằng với hệ số trong $K$ được gọi là bất khả quy trên $K$ nếu nó không thể phân tích trong $K[x]$ thành tích của hai đa thức có bậc nhỏ hơn. Nó được gọi là khả quy trên $K$ nếu có phân tích như vậy.

Ví dụ. Đa thức $x^2-x+1$ bất khả quy trên $\mathbb{R}$ nhưng khả quy trên $\mathbb{C}$ .

Tất cả những đa thức bậc $1$ là bất khả quy trên $K$ . Mỗi đa thức có bậc lớn hơn $1$ có nghiệm trong $K$ sẽ khả quy trên $K$ . Ngược lại không đúng, một đa thức khả quy vẫn có thể không có nghiệm trong $K$ . Tuy nhiên, với các đa thức bậc $2$ hay $3$ ta có kết quả sau:

Định lí 4. Một đa thức có bậc $2$ hay $3$ bất khả quy trên $K$ khi và chỉ khi nó không có nghiệm trong $K$ .

Tương tự như với số nguyên ta có các định lí sau. Bạn đọc tự chứng minh chúng xem như bài tập.

Định lí 5. Đa thức khác hằng $p \in K[x]$ bất khả quy trên $K$ khi và chỉ khi với mỗi $f,g \in K[x],$ $p\mid fg$ kéo theo $p \mid f$ hoặc $p \mid g$ .

Định lí 6. Mỗi đa thức khác hằng với hệ số trong $K$ có thể viết như là một phần tử của $K$ nhân với tích của các đa thức monic bất khả quy trên $K$ . Nếu không kể đến thứ tự của các nhân tử thì biểu diễn này là duy nhất.

Continue reading →

Least upper bound property

Một tập $\displaystyle A \subset\mathbb{R}$ được gọi là bị chặn trên nếu tồn tại $\displaystyle b \in \mathbb{R}$ sao cho $\displaystyle a \leq b$ với mọi $\displaystyle a \in A$ . Số $\displaystyle b$ được gọi là một cận trên của $\displaystyle A$ . Tương tự, tập $\displaystyle A$ bị chặn dưới nếu tồn tại một cận dưới $\displaystyle l \in \mathbb{R}$ thỏa mãn $\displaystyle l \leq a$ với mọi $\displaystyle a \in A.$ Tập $\displaystyle A$ được gọi là bị chặn nếu nó bị chặn trên và bị chặn dưới.

Bài tập 1. Tìm một tập hợp $\displaystyle A$ các số thực sao cho:

(1) $\displaystyle A$ bị chặn trên.

(2) $\displaystyle A$ bị chặn dưới.

(3) $\displaystyle A$ không bị chặn trên và không bị chặn dưới. $\Box$

Định nghĩa 1. Một số thực $\displaystyle s$ được gọi là cận trên đúng của $\displaystyle A \subset \mathbb{R}$ nếu nó thỏa mãn đồng thời hai điều kiện:

(1) $\displaystyle s$ là một cận trên của $\displaystyle A$ .

(2) nếu $\displaystyle b$ là một cận trên của $\displaystyle A$ thì $\displaystyle s \leq b.$

Cận trên đúng cũng thường được gọi là supremum của tập $\displaystyle A$ , ký hiệu $\displaystyle \sup A$ . Cận dưới đúng hay infimum của $\displaystyle A$ được định nghĩa theo cách tương tự và được ký hiệu bởi $\displaystyle \inf A$ . Mặc dù một tập có thể có vô hạn cận trên, nhưng nó chỉ có tối đa một cận trên đúng.

Ví dụ 1. Cho tập hợp $\displaystyle A=\left\{\frac{1}{n}: n \in \mathbb{N}^*\right\}=\left\{1, \frac{1}{2}, \frac{1}{3}, \ldots\right\}.$

Tập $A$ bị chặn trên và dưới. Ta thấy $\sup A=1$ và $\inf A=0$ . $\Box$

Một bài học quan trọng rút ra từ ví dụ trên là $\displaystyle \sup A$ và $\displaystyle \inf A$ có thể thuộc hoặc không thuộc tập $\displaystyle A$ . Đây là điểm khác nhau cốt yếu giữa phần tử lớn nhất và cận trên đúng (hoặc phần tử nhỏ nhất và cận dưới đúng) của một tập số thực.

Định nghĩa 2. Một số thực $\displaystyle a_{0}$ được gọi là phần tử lớn nhất của tập $\displaystyle A$ , ký hiệu $\displaystyle \max A$ , nếu $\displaystyle a_{0}$ là một phần tử của $\displaystyle A$ và $\displaystyle a_{0} \geq a$ với mọi $\displaystyle a \in A$ . Tương tự, số $\displaystyle a_{1}$ là phần tử nhỏ nhất của $\displaystyle A$ , ký hiệu $\displaystyle \min A$ , nếu $\displaystyle a_{1} \in A$ và $\displaystyle a_{1} \leq a$ với mọi $\displaystyle a \in A.$

Ví dụ 2. Hai tập $\displaystyle [0;2]$ và $\displaystyle (0;2)$ bị chặn, có cùng cận trên đúng $\displaystyle 2$ , nhưng chỉ $\displaystyle [0;2]$ có phần tử lớn nhất. Như vậy, cận trên đúng có thể tồn tại và không phải là phần tử lớn nhất, nhưng khi phần tử lớn nhất tồn tại, nó cũng là cận trên đúng. $\Box$

Mặc dù ta có thể thấy rằng không phải mọi tập hợp khác rỗng bị chặn trên nào đều có phần tử lớn nhất, nhưng tiên đề về tính đầy đủ khẳng định rằng mọi tập hợp như vậy đều có một cận trên đúng. Ta sẽ không chứng minh điều này. Tiên đề trong toán học là một giả định được chấp nhận, được sử dụng mà không cần chứng minh.

Tiên đề về tính đầy đủ. Mọi tập các số thực khác rỗng và bị chặn trên đều có cận trên đúng.

Từ tiên đề trên ta có thể chứng minh mọi tập số thực khác rỗng và bị chặn dưới đều có cận dưới đúng. Tiên đề không đúng với tập các số hữu tỷ.

Ví dụ 3. Tập $\{r\in\mathbb{Q}\mid r^2<2\}$ bị chặn trên và khác rỗng nhưng không có cận trên đúng thuộc $\mathbb{Q}$ . $\Box$

Hai định lý sau cho một định nghĩa tương đương của cận trên đúng và cận dưới đúng.

Continue reading →

An inequality with n variables

Bài toán. Cho số nguyên $n>2$ và $n$ số thực $a_1,a_2,\ldots,a_n$ có tổng bằng không. Chứng minh rằng

$\displaystyle \sum_{i=1}^na_i^2\leq \frac{n^2}{16}\sum_{i=1}^n(a_i-a_{i+1})^2.\quad (*)$

Lời giải. Vì $\displaystyle \sum a_i=0$ nên

$\displaystyle n\sum a_i^2=n\sum a_i^2-(\sum a_i)^2=\sum_{i<j}(a_i-a_j)^2.$

Với mỗi $\displaystyle i$ , đặt $\displaystyle d_i=a_i-a_{i+1}$ . Ta có

$\displaystyle 2n\sum_{i=1}^na_i^2 = \sum_{i\not=j}(a_i-a_j)^2$ $\displaystyle =\sum_{k=1}^{n-1}\sum_{i=1}^n(a_i-a_{i+k})^2= \sum_{k=1}^{n-1}\sum_{i=1}^n\left(d_i+d_{i+1}+\cdots+d_{i+k-1}\right)^2.$

Từ đây, để ý $\displaystyle \sum_{i=1}^n d_i=0$ và dùng bất đẳng thức Cauchy ta có

$\displaystyle 2n\sum_{i=1}^n a_i^2\leq \sum_{i=1}^n(1^2+2^2+\cdots+2^2+1^2)d_i^2.$

Trong đó $\displaystyle T_n=1^2+2^2+\cdots+2^2+1^2$ là tổng của $\displaystyle n-1$ số. Đến đây, chia hai trường hợp $\displaystyle n$ chẵn và $\displaystyle n$ lẻ ta dễ tính được $\displaystyle T_n$ và từ đó có $\displaystyle (*)$ . $\Box$

Stern–Brocot tree

Có một dãy tương tự như dãy Farey (xem [1] và [2]), tên chúng là dãy Stern-Brocot. Dãy này được tìm ra một cách độc lập bởi Moritz Stern (1858) và Achille Brocot (1861). Stern là một nhà Toán học Đức còn Brocot là một nhà thiết kế đồng hồ người Pháp.

Trong định nghĩa sau, $\displaystyle \dfrac{1}{0}$ là số hữu tỷ hình thức, ta xem như nó lớn hơn mọi số hữu tỷ. Dãy Stern-Brocot thứ $\displaystyle n\, (n\in\mathbb{N})$ , ký hiệu $\displaystyle SB_n$ , được xác định như sau: $\displaystyle SB_0$ là dãy $\displaystyle \frac{0}{1},\frac{1}{0}$ và với mỗi số nguyên dương $\displaystyle n$ , $\displaystyle SB_n$ được tạo ra bằng cách chép lại toàn bộ (giữ nguyên thứ tự) các số hạng của $\displaystyle SB_{n-1}$ và chèn vào giữa hai số hạng liên tiếp phân số trung gian ở dạng tối giản của chúng.

Một số dãy Stern-Brocot:

$\displaystyle SB_0:\frac{0}{1},\frac{1}{0}$ .

$\displaystyle SB_1:\frac{0}{1},\frac{1}{1},\frac{1}{0}$ .

$\displaystyle SB_2:\frac{0}{1},\frac{1}{2},\frac{1}{1},\frac{2}{1},\frac{1}{0}$ .

Dễ thấy rằng với mỗi số tự nhiên $\displaystyle n$ , $\displaystyle SB_n$ là một dãy tăng gồm $\displaystyle 2^n+1$ số hữu tỷ không âm, và hai số cách đều số ở giữa là nghịch đảo của nhau.

Ta có thể nhúng các dãy Stern-Brocot vào một cây như hình , gọi là cây Stern-Brocot. Ta thấy mỗi số hữu tỷ không âm có mặt đúng một lần trong cây. Thật vậy, vì mỗi dãy Stern-Brocot là một dãy tăng nên mọi số hữu tỷ không âm xuất hiện nhiều nhất một lần trong cây, bây giờ ta chứng minh mọi số hữu tỷ không âm đều xuất hiện trong cây. Xét một số hữu tỷ không âm ở dạng tối giản $\displaystyle \dfrac{m}{n}$ . Tồn tại số tự nhiên $\displaystyle p$ và hai số hạng $\displaystyle \dfrac{a}{b},\dfrac{a'}{b'}$ của $\displaystyle SB_p$ sao cho $\displaystyle \dfrac{a}{b}<\dfrac{m}{n}<\dfrac{a'}{b'}$ . Nếu $\displaystyle \dfrac{m}{n}$ là phân số trung gian của $\displaystyle \dfrac{a}{b},\dfrac{a'}{b'}$ thì tất nhiên nó xuất hiện trong cây, nếu không sẽ xảy ra một trong hai trường hợp: $\displaystyle \dfrac{a}{b}<\dfrac{m}{n}<\dfrac{a+a'}{b+b'}$ , ta thay phân số $\displaystyle \dfrac{a'}{b'}$ bởi $\displaystyle \dfrac{a+a'}{b+b'}$ ; $\displaystyle \dfrac{a+a'}{b+b'}<\dfrac{m}{n}<\dfrac{a'}{b'}$ , ta thay phân số $\displaystyle \dfrac{a}{b}$ bởi $\displaystyle \dfrac{a+a'}{b+b'}$ . Quá trình này không thể tiếp tục mãi vì với dãy dạng $\displaystyle \dfrac{a}{b}<\dfrac{m}{n}<\dfrac{a'}{b'}$ ta luôn có $\displaystyle m+n\geq a+a'+b+b'$ , suy ra $\displaystyle \dfrac{m}{n}$ xuất hiện trong cây.

Khi thay $\displaystyle \dfrac{0}{1}<\dfrac{1}{0}$ bởi hai số hữu tỷ không âm $\displaystyle \dfrac{a}{b}<\dfrac{c}{d}$ với $\displaystyle bc-ad=1$ ta sẽ được các dãy mới, gọi là các dãy Stern-Brocot suy rộng. Có thể chứng minh được rằng mọi số hữu tỷ nằm giữa $\displaystyle \dfrac{a}{b}$ và $\displaystyle \dfrac{c}{d}$ đều xuất hiện trong một dãy Stern-Brocot suy rộng nào đó.