Mitään muita operaatioita symbolille ei ole määritelty! < a kaikilla kokonaisluvuilla a, + a = kaikilla kokonaisluvuilla a.

Samankaltaiset tiedostot
k=1 b kx k K-kertoimisia polynomeja, P (X)+Q(X) = (a k + b k )X k n+m a i b j X k. i+j=k k=0

TOOLS. Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO TOOLS 1 / 28

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita

H = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.

(x + I) + (y + I) = (x + y)+i. (x + I)(y + I) =xy + I. kaikille x, y R.

R 1 = Q 2 R 2 + R 3,. (2.1) R l 2 = Q l 1 R l 1 + R l,

kaikille a R. 1 (R, +) on kommutatiivinen ryhmä, 2 a(b + c) = ab + ac ja (b + c)a = ba + ca kaikilla a, b, c R, ja

on Abelin ryhmä kertolaskun suhteen. Tämän joukon alkioiden lukumäärää merkitään

MAT Algebra I (s) periodeilla IV ja V/2009. Esko Turunen

Polynomien suurin yhteinen tekijä ja kongruenssi

1 Lukujen jaollisuudesta

11. Jaollisuudesta. Lemma Oletetaan, että a, b R.

Teema 4. Homomorfismeista Ihanne ja tekijärengas. Teema 4 1 / 32

MAT Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen

rm + sn = d. Siispä Proposition 9.5(4) nojalla e d.

[a] ={b 2 A : a b}. Ekvivalenssiluokkien joukko

TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma. Jukka Vilen. Polynomirenkaista

14. Juurikunnat Määritelmä ja olemassaolo.

1 Algebralliset perusteet

a b 1 c b n c n

ja jäännösluokkien joukkoa

Todistus. Eliminoidaan Euleideen algoritmissa jakojäännökset alhaaltaylöspäin.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

renkaissa. 0 R x + x =(0 R +1 R )x =1 R x = x

2 1/ /2 ; (a) Todista, että deg P (x)q(x) = deg P (x) + deg Q(x). (b) Osoita, että jos nolla-polynomille pätisi. deg 0(x) Z, Z 10 ; Z 10 [x];

g : R R, g(a) = g i a i. Alkio g(a) R on polynomin arvo pisteessä a. Jos g(a) = 0, niin a on polynomin g(x) nollakohta.

koska 2 toteuttaa rationaalikertoimisen yhtälön x 2 2 = 0. Laajennuskunnan

x j x k Tällöin L j (x k ) = 0, kun k j, ja L j (x j ) = 1. Alkuperäiselle interpolaatio-ongelmalle saadaan nyt ratkaisu

Tehtävä 2. Osoita, että seuraavat luvut ovat algebrallisia etsimällä jokin kokonaislukukertoiminen yhtälö jonka ne toteuttavat.

Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

d Z + 17 Viimeksi muutettu

Reaalilukuvälit, leikkaus ja unioni (1/2)

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

KOMPLEKSILUVUT C. Rationaaliluvut Q. Irrationaaliluvut

ALGEBRA KEVÄT 2013 JOUNI PARKKONEN

7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi

Koodausteoria, Kesä 2014

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

(xa) = (x) (a) = (x)0 = 0

802656S ALGEBRALLISET LUVUT OSA I ALGEBRAIC NUMBERS PART I

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Algebra 1. Jouni Parkkonen Luentoja Jyväskylän yliopistossa talvella 2019

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

1 Kompleksiluvut. Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 7

4 Yleinen potenssifunktio ja polynomifunktio

2. Polynomien jakamisesta tekijöihin

Algebra I, harjoitus 5,

Algebra 2. Syksy Kerkko Luosto Informaatiotieteiden yksikkö, Tampereen yliopisto

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

Suurin yhteinen tekijä (s.y.t.) ja pienin yhteinen monikerta (p.y.m.)

LUKUTEORIA johdantoa

MAT Algebra 1(s)

R : renkaan R kääntyvien alkioiden joukko; R kertolaskulla varustettuna on

800333A Algebra I Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä

a ord 13 (a)

Tehtävä 1. Arvioi mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa. Vihje: voit aloittaa kokeilemalla sopivia lukuarvoja.

Kolmannen ja neljännen asteen yhtälöistä

Luonnollisten lukujen ja kokonaislukujen määritteleminen

Renkaat ja modulit. Tässä osassa käsiteltävät renkaat ovat vaihdannaisia, ellei toisin mainita. 6. Ideaalit

Rollen lause polynomeille

2.4 Korkeamman asteen yhtälö

Algebra II. Syksy 2004 Pentti Haukkanen

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto

Avainsanat Nyckelord Keywords Nullstellensatz, Hilbertin nollajoukkolause, algebrallinen geometria

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 (7 sivua)

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 9 (6 sivua) OT

(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.

a 2 ba = a a + ( b) a = (a + ( b))a = (a b)a, joten yhtälö pätee mielivaltaiselle renkaalle.

Kokonaislukuoptimointi

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.

{I n } < { I n,i n } < GL n (Q) < GL n (R) < GL n (C) kaikilla n 2 ja

f(x) f(y) x y f f(x) f(y) (x) = lim

Liite 2. Ryhmien ja kuntien perusteet

Esko Turunen MAT Algebra1(s)

1. Olkoon f :, Ratkaisu. Funktion f kuvaaja välillä [ 1, 3]. (b) Olkoonε>0. Valitaanδ=ε. Kun x 1 <δ, niin. = x+3 2 = x+1, 1< x<1+δ

[E : F ]=[E : K][K : F ].

Kompleksianalyysi, viikko 5

jonka laskutoimitus on matriisien kertolasku. Vastaavasti saadaan K-kertoiminen erityinen lineaarinen ryhmä

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

2 Funktion derivaatta

Lukuteorian kertausta

ja λ 2 = 2x 1r 0 x 2 + 2x 1r 0 x 2

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

5 Differentiaalilaskentaa

Funktioiden approksimointi ja interpolointi

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

Polynomifunktioiden juuret

3 Yleinen toisen asteen yhtälö ja epäyhtälö

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

3. Kirjoita seuraavat joukot luettelemalla niiden alkiot, jos mahdollista. Onko jokin joukoista tyhjä joukko?

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

Koodausteoria, Kesä 2014

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Ideaalit ja tekijärenkaat Ryhmähomomorfismin φ : G G ydin on ryhmän G normaali aliryhmä. Esko Turunen Luku 7. Ideaalit ja tekijärenkaat

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

Transkriptio:

Polynomit Tarkastelemme polynomirenkaiden teoriaa ja polynomiyhtälöiden ratkaisemista. Algebrassa on tapana pitää erillään polynomin ja polynomifunktion käsitteet.

Polynomit Tarkastelemme polynomirenkaiden teoriaa ja polynomiyhtälöiden ratkaisemista. Algebrassa on tapana pitää erillään polynomin ja polynomifunktion käsitteet. Sopimuksia: Tässä luvussa X on muodollinen symboli, jota usein kutsutaan muuttujaksi. Symbolin :n sovitaan tarkoittavan ääretöntä negatiivista lukua, jolle pätee < a kaikilla kokonaisluvuilla a, + =, ja + a = kaikilla kokonaisluvuilla a. Mitään muita operaatioita symbolille ei ole määritelty!

Määritelmä (10.1.) Olkoon R kommutatiivinen rengas, #R 2. Olkoon n N, ja olkoot a n, a n 1,..., a 1, a 0 R. Lauseke P(X ) = n a k X k = a n X n + a n 1 X n 1 + + a 1 X + a 0 k=0 on yhden muuttujan R-kertoiminen polynomi, missä a n 0 ja polynomin P(X ) aste on deg(p(x )) = n.

Määritelmä (10.1.) Olkoon R kommutatiivinen rengas, #R 2. Olkoon n N, ja olkoot a n, a n 1,..., a 1, a 0 R. Lauseke P(X ) = n a k X k = a n X n + a n 1 X n 1 + + a 1 X + a 0 k=0 on yhden muuttujan R-kertoiminen polynomi, missä a n 0 ja polynomin P(X ) aste on deg(p(x )) = n. a n X n on polynomin P(X ) johtavatermi.

Määritelmä (10.1.) Olkoon R kommutatiivinen rengas, #R 2. Olkoon n N, ja olkoot a n, a n 1,..., a 1, a 0 R. Lauseke P(X ) = n a k X k = a n X n + a n 1 X n 1 + + a 1 X + a 0 k=0 on yhden muuttujan R-kertoiminen polynomi, missä a n 0 ja polynomin P(X ) aste on deg(p(x )) = n. a n X n on polynomin P(X ) johtavatermi. Nollapolynomin P(X ) = a 0 = 0 aste on.

Määritelmä (10.1.) Olkoon R kommutatiivinen rengas, #R 2. Olkoon n N, ja olkoot a n, a n 1,..., a 1, a 0 R. Lauseke P(X ) = n a k X k = a n X n + a n 1 X n 1 + + a 1 X + a 0 k=0 on yhden muuttujan R-kertoiminen polynomi, missä a n 0 ja polynomin P(X ) aste on deg(p(x )) = n. a n X n on polynomin P(X ) johtavatermi. Nollapolynomin P(X ) = a 0 = 0 aste on. Vakiopolynomin P(X ) = a 0 0 aste = 0.

Määritelmä (10.1.) Olkoon R kommutatiivinen rengas, #R 2. Olkoon n N, ja olkoot a n, a n 1,..., a 1, a 0 R. Lauseke P(X ) = n a k X k = a n X n + a n 1 X n 1 + + a 1 X + a 0 k=0 on yhden muuttujan R-kertoiminen polynomi, missä a n 0 ja polynomin P(X ) aste on deg(p(x )) = n. a n X n on polynomin P(X ) johtavatermi. Nollapolynomin P(X ) = a 0 = 0 aste on. Vakiopolynomin P(X ) = a 0 0 aste = 0. Kaikkien R-kertoimisten polynomien joukkoa merkitään R [X ]:llä.

Määritelmä (10.1. jatkoa) Olkoot P(X ) = n k=0 a kx k ja Q = m k=0 b kx k R-kertoimisia polynomeja, n m. Olkoot b m+1 = b m+2 = = b n = 0, jos n>m. Polynomien summa ja tulo määritellään asettamalla ja P(X ) + Q(X ) = k=0 n (a k + b k )X k k=0 n+m (10) P(X )Q(X ) = ( a i b j )X k i+j=k

Määritelmä (10.1. jatkoa) Olkoot P(X ) = n k=0 a kx k ja Q = m k=0 b kx k R-kertoimisia polynomeja, n m. Olkoot b m+1 = b m+2 = = b n = 0, jos n>m. Polynomien summa ja tulo määritellään asettamalla ja P(X ) + Q(X ) = k=0 n (a k + b k )X k k=0 n+m (10) P(X )Q(X ) = ( a i b j )X k i+j=k Polynomi P(X ) = n k=0 a kx k R [X ] määrittelee polynomifunktion P : R R, X n k=0 a kx k. Merkitään polynomifunktiota P(x):llä erotuksena polynomista P(X ).

Propositio (10.2.) R [X ] on kommutatiivinen rengas. Todistus. Selvästi vakiopolynomit P(X ) = 0 ja P(X ) = 1 ovat yhteenlaskun ja kertolaskun neutraalialkiot. Muut ominaisuudet seuraavat (suoraviivainen tarkastus) siitä, että R on kommutatiivinen rengas.

HUOMAUTUKSIA: 1 Toinen, vähemmän havainnollinen tapa määritellä polynomit on korvata edellä lauseke n k=1 a kx k jonolla (a 0, a 1,..., a n, 0, 0,...), ja määritellä yhteenlasku kuten jonoille on tapana ja kertolasku kaavan (10) mukaisesti. Tällöin jono (0, 1, 0, 0, 0,...) on symbolin X vastine.

HUOMAUTUKSIA: 1 Toinen, vähemmän havainnollinen tapa määritellä polynomit on korvata edellä lauseke n k=1 a kx k jonolla (a 0, a 1,..., a n, 0, 0,...), ja määritellä yhteenlasku kuten jonoille on tapana ja kertolasku kaavan (10) mukaisesti. Tällöin jono (0, 1, 0, 0, 0,...) on symbolin X vastine. 2 Polynomien laskutoimitukset ovat siis tavanomaiset.

HUOMAUTUKSIA: 1 Toinen, vähemmän havainnollinen tapa määritellä polynomit on korvata edellä lauseke n k=1 a kx k jonolla (a 0, a 1,..., a n, 0, 0,...), ja määritellä yhteenlasku kuten jonoille on tapana ja kertolasku kaavan (10) mukaisesti. Tällöin jono (0, 1, 0, 0, 0,...) on symbolin X vastine. 2 Polynomien laskutoimitukset ovat siis tavanomaiset. 3 Polynomit voi halutessaan kirjoittaa myös kasvavien X :n potenssien mukaan, sillä R [X ]:n summaoperaatio on kommutatiivinen.

HUOMAUTUKSIA: 1 Toinen, vähemmän havainnollinen tapa määritellä polynomit on korvata edellä lauseke n k=1 a kx k jonolla (a 0, a 1,..., a n, 0, 0,...), ja määritellä yhteenlasku kuten jonoille on tapana ja kertolasku kaavan (10) mukaisesti. Tällöin jono (0, 1, 0, 0, 0,...) on symbolin X vastine. 2 Polynomien laskutoimitukset ovat siis tavanomaiset. 3 Polynomit voi halutessaan kirjoittaa myös kasvavien X :n potenssien mukaan, sillä R [X ]:n summaoperaatio on kommutatiivinen. 4 Kuvaus P(X ) (P : R R) on rengashomomorfismi polynomirenkaasta R [X ] kuvausrenkaaseen F (R, R).

Esimerkki (10.3.) Olkoot P(X ), Q(X ) Z [X ], P(X ) = 2X 2 + 2, Q(X ) = 1 + 2X. Tällöin P(X )Q(X ) = 4X 3 + 2X 2 + 4X + 2. Nyt deg(p(x )) = 2, deg(q(x )) = 1 ja deg(p(x )Q(X )) = 3.

Esimerkki (10.3.) Olkoot P(X ), Q(X ) Z [X ], P(X ) = 2X 2 + 2, Q(X ) = 1 + 2X. Tällöin P(X )Q(X ) = 4X 3 + 2X 2 + 4X + 2. Nyt deg(p(x )) = 2, deg(q(x )) = 1 ja deg(p(x )Q(X )) = 3. Lemma (10.4.) Polynomirenkaassa R [X ] on (11) deg(p(x )Q(X )) degp(x ) + degq(x ) kaikille P(X ), Q(X ) R [X ].

Esimerkki (10.3.) Olkoot P(X ), Q(X ) Z [X ], P(X ) = 2X 2 + 2, Q(X ) = 1 + 2X. Tällöin P(X )Q(X ) = 4X 3 + 2X 2 + 4X + 2. Nyt deg(p(x )) = 2, deg(q(x )) = 1 ja deg(p(x )Q(X )) = 3. Lemma (10.4.) Polynomirenkaassa R [X ] on (11) deg(p(x )Q(X )) degp(x ) + degq(x ) kaikille P(X ), Q(X ) R [X ]. Todistus. Olkoot P(X ) = n k=1 a kx k ja Q = m k=1 b kx k, a n 0, b m 0. Tulopolynomin P(X )Q(X ) korkeimman asteen termi on a n b m X n+m, jos a n b m 0, muuten aste on alempi.

Propositio (10.5.) Jos K on kokonaisalue, niin K [X ] on kokonaisalue. Tällöin deg(p(x )Q(X )) = deg(p(x )) + deg(q(x )).

Propositio (10.5.) Jos K on kokonaisalue, niin K [X ] on kokonaisalue. Tällöin deg(p(x )Q(X )) = deg(p(x )) + deg(q(x )). Todistus. Käytämme Lemman 10.4 merkintöjä. Tulopolynomin korkeimman asteen termin kerroin on a n b m 0, sillä a n, b m 0 ja K on kokonaisalue (eli siinä ei ole nollan jakajia).

Esimerkki (10.6.) 1 Kun tarkastellaan polynomirengasta Z p [X ], polynomien kertoimista jätetään yleensä ekvivalessiluokan sulut pois.

Esimerkki (10.6.) 1 Kun tarkastellaan polynomirengasta Z p [X ], polynomien kertoimista jätetään yleensä ekvivalessiluokan sulut pois. 2 Jos kerroinrengas ei ole kokonaisalue, kaavassa (11) voi olla erisuuruus: Polynomi 2X on nollan jakaja renkaassa Z 4 [X ], (2X )(2X ) = 4X 2 = 0, siis = deg((2x )(2X )) < 2 = deg(2x ) + deg(2x ).

Esimerkki (10.6.) 1 Kun tarkastellaan polynomirengasta Z p [X ], polynomien kertoimista jätetään yleensä ekvivalessiluokan sulut pois. 2 Jos kerroinrengas ei ole kokonaisalue, kaavassa (11) voi olla erisuuruus: Polynomi 2X on nollan jakaja renkaassa Z 4 [X ], (2X )(2X ) = 4X 2 = 0, siis = deg((2x )(2X )) < 2 = deg(2x ) + deg(2x ). 3 Joillakin renkailla R kaksi eri polynomia polynomirenkaassa R [X ] voi määrätä saman polynomifunktion (ks. Propositio 10.15): Olkoot Q(X ), P(X ) Z 2 [X ], Q(X ) = X 2, P(X ) = X. Tällöin P(0) = 0 = 0 2 = Q(0), ja P(1) = 1 = 1 2 = Q(1).

Esimerkki (10.6.) 1 Kun tarkastellaan polynomirengasta Z p [X ], polynomien kertoimista jätetään yleensä ekvivalessiluokan sulut pois. 2 Jos kerroinrengas ei ole kokonaisalue, kaavassa (11) voi olla erisuuruus: Polynomi 2X on nollan jakaja renkaassa Z 4 [X ], (2X )(2X ) = 4X 2 = 0, siis = deg((2x )(2X )) < 2 = deg(2x ) + deg(2x ). 3 Joillakin renkailla R kaksi eri polynomia polynomirenkaassa R [X ] voi määrätä saman polynomifunktion (ks. Propositio 10.15): Olkoot Q(X ), P(X ) Z 2 [X ], Q(X ) = X 2, P(X ) = X. Tällöin P(0) = 0 = 0 2 = Q(0), ja P(1) = 1 = 1 2 = Q(1). Siis aina, kun x Z 2 on P(x) = Q(x).

Esimerkki (10.6.) 1 Kun tarkastellaan polynomirengasta Z p [X ], polynomien kertoimista jätetään yleensä ekvivalessiluokan sulut pois. 2 Jos kerroinrengas ei ole kokonaisalue, kaavassa (11) voi olla erisuuruus: Polynomi 2X on nollan jakaja renkaassa Z 4 [X ], (2X )(2X ) = 4X 2 = 0, siis = deg((2x )(2X )) < 2 = deg(2x ) + deg(2x ). 3 Joillakin renkailla R kaksi eri polynomia polynomirenkaassa R [X ] voi määrätä saman polynomifunktion (ks. Propositio 10.15): Olkoot Q(X ), P(X ) Z 2 [X ], Q(X ) = X 2, P(X ) = X. Tällöin P(0) = 0 = 0 2 = Q(0), ja P(1) = 1 = 1 2 = Q(1). Siis aina, kun x Z 2 on P(x) = Q(x). Kuitenkin polynomeina P(X ) Q(X ).

HUOMAA: Jos R on kokonaisalue, niin Proposition 10.5 mukaan ainoat R [X ]:n polynomit P(X ), joilla voi olla käänteisalkio kertolaskun suhteen (siis sellainen R [X ]:n polynomi Q(X ), että P(X )Q(X ) on vakiopolynomi 1), ovat nollasta poikkeavia vakiopolynomeja; nimittäin kokonaisalueessa kahden ei-vakiopolynomin tulon aste on > vakiopolynomin V (X ) = 1 aste, joka = 0.

HUOMAA: Jos R on kokonaisalue, niin Proposition 10.5 mukaan ainoat R [X ]:n polynomit P(X ), joilla voi olla käänteisalkio kertolaskun suhteen (siis sellainen R [X ]:n polynomi Q(X ), että P(X )Q(X ) on vakiopolynomi 1), ovat nollasta poikkeavia vakiopolynomeja; nimittäin kokonaisalueessa kahden ei-vakiopolynomin tulon aste on > vakiopolynomin V (X ) = 1 aste, joka = 0. Jos kerroinrengas R ei ole kokonaisalue, muillakin polynomeilla voi olla käänteisalkioita: Esimerkiksi renkaassa Z 4 [X ] pätee (2X + 1)(2X + 1) = 4X 2 + 4X + 1 = 1.

HUOMAA: Jos R on kokonaisalue, niin Proposition 10.5 mukaan ainoat R [X ]:n polynomit P(X ), joilla voi olla käänteisalkio kertolaskun suhteen (siis sellainen R [X ]:n polynomi Q(X ), että P(X )Q(X ) on vakiopolynomi 1), ovat nollasta poikkeavia vakiopolynomeja; nimittäin kokonaisalueessa kahden ei-vakiopolynomin tulon aste on > vakiopolynomin V (X ) = 1 aste, joka = 0. Jos kerroinrengas R ei ole kokonaisalue, muillakin polynomeilla voi olla käänteisalkioita: Esimerkiksi renkaassa Z 4 [X ] pätee (2X + 1)(2X + 1) = 4X 2 + 4X + 1 = 1. Nyt kuitenkaan kaikilla nollasta poikkeavilla vakiopolynomeilla ei ole käänteisalkiota; esimerkiksi P(X ) = 2 on tällainen Z 4 [X ]:n vakiopolynomi.

HUOMAA: Jos R on kokonaisalue, niin Proposition 10.5 mukaan ainoat R [X ]:n polynomit P(X ), joilla voi olla käänteisalkio kertolaskun suhteen (siis sellainen R [X ]:n polynomi Q(X ), että P(X )Q(X ) on vakiopolynomi 1), ovat nollasta poikkeavia vakiopolynomeja; nimittäin kokonaisalueessa kahden ei-vakiopolynomin tulon aste on > vakiopolynomin V (X ) = 1 aste, joka = 0. Jos kerroinrengas R ei ole kokonaisalue, muillakin polynomeilla voi olla käänteisalkioita: Esimerkiksi renkaassa Z 4 [X ] pätee (2X + 1)(2X + 1) = 4X 2 + 4X + 1 = 1. Nyt kuitenkaan kaikilla nollasta poikkeavilla vakiopolynomeilla ei ole käänteisalkiota; esimerkiksi P(X ) = 2 on tällainen Z 4 [X ]:n vakiopolynomi. Johtopäätös: Polynomirengas R [X ] ei ole koskaan kunta

Esimerkki (10.7.) Polynomirenkaassa R [X ] määritellään jaollisuus luonnollisella tavalla: P(X ) Q(X ) jos on sellainen R [X ]:n polynomi S(X ), että Q(X ) = P(X )S(X ).

Esimerkki (10.7.) Polynomirenkaassa R [X ] määritellään jaollisuus luonnollisella tavalla: P(X ) Q(X ) jos on sellainen R [X ]:n polynomi S(X ), että Q(X ) = P(X )S(X ). Samalla lausekkeella annettujen polynomien jaollisuus riippuu kuitenkin tarkasteltavasta polynomirenkaasta:

Esimerkki (10.7.) Polynomirenkaassa R [X ] määritellään jaollisuus luonnollisella tavalla: P(X ) Q(X ) jos on sellainen R [X ]:n polynomi S(X ), että Q(X ) = P(X )S(X ). Samalla lausekkeella annettujen polynomien jaollisuus riippuu kuitenkin tarkasteltavasta polynomirenkaasta: (1) (X 1) (X 2 1) ja (X + 1) (X 2 1) kaikissa polynomirenkaissa R [X ], sillä (X 1)(X + 1) = X 2 + (1 1)X 1 = X 2 1.

Esimerkki (10.7.) Polynomirenkaassa R [X ] määritellään jaollisuus luonnollisella tavalla: P(X ) Q(X ) jos on sellainen R [X ]:n polynomi S(X ), että Q(X ) = P(X )S(X ). Samalla lausekkeella annettujen polynomien jaollisuus riippuu kuitenkin tarkasteltavasta polynomirenkaasta: (1) (X 1) (X 2 1) ja (X + 1) (X 2 1) kaikissa polynomirenkaissa R [X ], sillä (X 1)(X + 1) = X 2 + (1 1)X 1 = X 2 1. (2) (X + 1) (X 2 + 1) renkaassa Z 2 [X ], nim. 1 = 1 renkaassa Z 2, joten (X 1)(X + 1) = X 2 1 = X 2 + 1 renkaassa Z 2.

Esimerkki (10.7.) Polynomirenkaassa R [X ] määritellään jaollisuus luonnollisella tavalla: P(X ) Q(X ) jos on sellainen R [X ]:n polynomi S(X ), että Q(X ) = P(X )S(X ). Samalla lausekkeella annettujen polynomien jaollisuus riippuu kuitenkin tarkasteltavasta polynomirenkaasta: (1) (X 1) (X 2 1) ja (X + 1) (X 2 1) kaikissa polynomirenkaissa R [X ], sillä (X 1)(X + 1) = X 2 + (1 1)X 1 = X 2 1. (2) (X + 1) (X 2 + 1) renkaassa Z 2 [X ], nim. 1 = 1 renkaassa Z 2, joten (X 1)(X + 1) = X 2 1 = X 2 + 1 renkaassa Z 2. Kaikissa polynomirenkaissa näin ei kuitenkaan ole.

Esimerkki (10.7. jatkoa) Oletetaan kompleksilukujen C lukualue tunnetuksi. On helppoa näyttää, että C on kommutatiivinen rengas, joten voidaan puhua polynomirenkaasta C [X ].

Esimerkki (10.7. jatkoa) Oletetaan kompleksilukujen C lukualue tunnetuksi. On helppoa näyttää, että C on kommutatiivinen rengas, joten voidaan puhua polynomirenkaasta C [X ]. (3) (X + 1) (X 2 + 1) renkaassa C [X ]: Jos olisi niin, että (X + 1) (X 2 + 1), niin silloin olisi C [X ]:n polynomi AX + B siten, että (X + 1)(AX + B) = X 2 + 1

Esimerkki (10.7. jatkoa) Oletetaan kompleksilukujen C lukualue tunnetuksi. On helppoa näyttää, että C on kommutatiivinen rengas, joten voidaan puhua polynomirenkaasta C [X ]. (3) (X + 1) (X 2 + 1) renkaassa C [X ]: Jos olisi niin, että (X + 1) (X 2 + 1), niin silloin olisi C [X ]:n polynomi AX + B siten, että (X + 1)(AX + B) = X 2 + 1 Siten AX 2 + (A + B)X + B = X 2 + 1. Pitäisi olla A = B = 1 ja A + B = 0, mikä on mahdotonta.

Jos kokonaisluvut a, b jakavat toisensa, a b ja b a, niin a = ±b. Polynomeille ei voi päätellä näin. (Harjoitustehtävässä 103 nähdään, mitä voidaan päätellä).

Jos kokonaisluvut a, b jakavat toisensa, a b ja b a, niin a = ±b. Polynomeille ei voi päätellä näin. (Harjoitustehtävässä 103 nähdään, mitä voidaan päätellä). Olemme käyttäneet tällä kurssilla muutamia kertoja kokonaislukujen jakoyhtälöä: Olkoot a, b Z ja b 0. Tällöin on yksikäsitteiset q, r Z, joille a = qb + r ja 0 r < b. Kaikissa polynomirenkaissa tämä ei ole voimassa, mutta joissakin kyllä, niistä käytetään nimeä UFD (unique factorization domain) Todistamme vastaavan tuloksen polynomeille kolmena hieman erikoisena versiona:

Propositio (10.9. Polynomien jakoyhtälö) Olkoon R [X ] polynomirengas. Olkoot A(X ), B(X ) R [X ] siten, että B(X ) 0 ja 1 B(X ):n korkeimman asteen termin kerroin on 1, tai 2 B(X ):n korkeimman asteen termin kerroin on yksikkö, tai 3 R on kunta. Tällöin on yksikäsitteiset Q(X ), J(X ) R [X ], joille A(X ) = Q(X )B(X ) + J(X ) ja deg J(X ) < deg B(X ). Jakoyhtälö on siis käytössä.

Todistus. (1) Jos B(X ) jakaa polynomin A(X ), ei ole mitään todistettavaa.

Todistus. (1) Jos B(X ) jakaa polynomin A(X ), ei ole mitään todistettavaa. Muuten merkitään S = A(X ) D(X )B(X ) : D(X ) R [X ] }{{}. =P(X ) Selvästi S. Olkoon T = deg S = {degp(x ) : P(X ) S} N { }. Koska B(X ) A(X ), niin 0 / S, joten t = mint 0 (ja jollekin polynomille P(X ) S on degp(x ) = t; tämä saadaan Peano aksiominen seurauksena!)

Olkoon Q(X ) R [X ] jokin sellainen polynomi, että deg(a(x ) Q(X )B(X )) = degj(x ) = t. Tarkastellaan polynomia J(X ) = a t X t + + a 0. Osoitamme, että t < d = degb(x ).

Olkoon Q(X ) R [X ] jokin sellainen polynomi, että deg(a(x ) Q(X )B(X )) = degj(x ) = t. Tarkastellaan polynomia J(X ) = a t X t + + a 0. Osoitamme, että t < d = degb(x ). Jos olisi t d ja koska B(X ):n korkeimman asteen termi =1, niin olisi myös J(X ) a t X t d B(X ) = A(X ) Q(X )B(X ) a t X t d B(X ) = A(X ) (Q(X ) + a t X t d )B(X ) S, jolloin deg(j(x ) a t X t d B(X )) < t (ekat termit supistuvat!),

Olkoon Q(X ) R [X ] jokin sellainen polynomi, että deg(a(x ) Q(X )B(X )) = degj(x ) = t. Tarkastellaan polynomia J(X ) = a t X t + + a 0. Osoitamme, että t < d = degb(x ). Jos olisi t d ja koska B(X ):n korkeimman asteen termi =1, niin olisi myös J(X ) a t X t d B(X ) = A(X ) Q(X )B(X ) a t X t d B(X ) = A(X ) (Q(X ) + a t X t d )B(X ) S, jolloin deg(j(x ) a t X t d B(X )) < t (ekat termit supistuvat!), mutta tämä on mahdotonta, koska polynomin J(X ) aste on minimaalinen.

Olkoon Q(X ) R [X ] jokin sellainen polynomi, että deg(a(x ) Q(X )B(X )) = degj(x ) = t. Tarkastellaan polynomia J(X ) = a t X t + + a 0. Osoitamme, että t < d = degb(x ). Jos olisi t d ja koska B(X ):n korkeimman asteen termi =1, niin olisi myös J(X ) a t X t d B(X ) = A(X ) Q(X )B(X ) a t X t d B(X ) = A(X ) (Q(X ) + a t X t d )B(X ) S, jolloin deg(j(x ) a t X t d B(X )) < t (ekat termit supistuvat!), mutta tämä on mahdotonta, koska polynomin J(X ) aste on minimaalinen. Johtopäätös: väitetyt polynomit Q(X ) ja J(X ) ovat olemassa. Todistus niiden olemassaololle on kuitenkin epäkonstruktiivinen.

Q(X ):n ja J(X ):n yksikäsitteisyys:

Q(X ):n ja J(X ):n yksikäsitteisyys: Jos Q(X ) ja J(X ) ovat polynomeja, joilla on samat ominaisuudet kuin polynomeilla Q(X ) jaj(x ), niin J(X ) = A(X ) Q(X )B(X ), joten J(X ) = A(X ) Q(X )B(X ), (Q(X ) Q(X ))B(X ) = J(X ) J(X ).

Q(X ):n ja J(X ):n yksikäsitteisyys: Jos Q(X ) ja J(X ) ovat polynomeja, joilla on samat ominaisuudet kuin polynomeilla Q(X ) jaj(x ), niin J(X ) = A(X ) Q(X )B(X ), joten J(X ) = A(X ) Q(X )B(X ), (Q(X ) Q(X ))B(X ) = J(X ) J(X ). Jos Q(X ) Q(X ), niin vasemmalla puolen aste on vähintään d, kuitenkin deg( J(X ) J(X )) t < d. Siis Q(X ) = Q(X ) ja J(X ) = J(X ).

Q(X ):n ja J(X ):n yksikäsitteisyys: Jos Q(X ) ja J(X ) ovat polynomeja, joilla on samat ominaisuudet kuin polynomeilla Q(X ) jaj(x ), niin J(X ) = A(X ) Q(X )B(X ), joten J(X ) = A(X ) Q(X )B(X ), (Q(X ) Q(X ))B(X ) = J(X ) J(X ). Jos Q(X ) Q(X ), niin vasemmalla puolen aste on vähintään d, kuitenkin deg( J(X ) J(X )) t < d. Siis Q(X ) = Q(X ) ja J(X ) = J(X ). (2) Harjoitustehtävä 104. (3) Seuraa kohdasta (2), koska kaikki nollasta poikkeavat kunnan alkiot ovat yksiköitä.

Esimerkki (10.10.) Jakoyhtälö voidaan toteuttaa algoritmisesti jakokulman avulla kuten kokonaisluvuillekin. Tämä on konstruktiivinen menetelmä!

Esimerkki (10.10.) Jakoyhtälö voidaan toteuttaa algoritmisesti jakokulman avulla kuten kokonaisluvuillekin. Tämä on konstruktiivinen menetelmä! Tällöin esimerkiksi polynomeille A(X ) = 2X 3 + X 2 X 1 ja B(X ) = X 2 2 renkaassa Z [X ] pätee 2X 3 + X 2 X 1 = (2X + 1)(X 2 2) + 3X + 1, joten Q(X ) = 2X + 1 ja J(X ) = 3X + 1.

Esimerkki (10.10.) Jakoyhtälö voidaan toteuttaa algoritmisesti jakokulman avulla kuten kokonaisluvuillekin. Tämä on konstruktiivinen menetelmä! Tällöin esimerkiksi polynomeille A(X ) = 2X 3 + X 2 X 1 ja B(X ) = X 2 2 renkaassa Z [X ] pätee 2X 3 + X 2 X 1 = (2X + 1)(X 2 2) + 3X + 1, joten Q(X ) = 2X + 1 ja J(X ) = 3X + 1. Renkaassa Z 3 [X ] samoilla polynomeilla A(X ) ja B(X ) (12) 2X 3 +X 2 X 1 = (2X +1)(X 2 2)+1 = (2X +1)(X 2 +1)+1.

Esimerkki (10.10. jatkoa) Toisaalta, jos A(X ) = 2X 3 + X 2 X 1 ja B(X ) = 2X + 1, niin jakoyhtälö ei toimi renkaassa Z [X ]: jakokulmassa päädytään ongelmalliseen tilanteeseen 2X 3 + X 2 X 1 = X 2 (2X + 1) X 1, josta ei voi jatkaa (totea!)

Esimerkki (10.10. jatkoa) Toisaalta, jos A(X ) = 2X 3 + X 2 X 1 ja B(X ) = 2X + 1, niin jakoyhtälö ei toimi renkaassa Z [X ]: jakokulmassa päädytään ongelmalliseen tilanteeseen 2X 3 + X 2 X 1 = X 2 (2X + 1) X 1, josta ei voi jatkaa (totea!) Sen sijaan renkaassa Z 3 [X ] voidaan jatkaa, koska Z 3 on kunta. Nyt X 1 = 2X + 2 = (2X + 1) + 1 ja päädytään yhtälöön (12) (totea tämäkin!)

Esimerkki (10.10. jatkoa) Toisaalta, jos A(X ) = 2X 3 + X 2 X 1 ja B(X ) = 2X + 1, niin jakoyhtälö ei toimi renkaassa Z [X ]: jakokulmassa päädytään ongelmalliseen tilanteeseen 2X 3 + X 2 X 1 = X 2 (2X + 1) X 1, josta ei voi jatkaa (totea!) Sen sijaan renkaassa Z 3 [X ] voidaan jatkaa, koska Z 3 on kunta. Nyt X 1 = 2X + 2 = (2X + 1) + 1 ja päädytään yhtälöön (12) (totea tämäkin!) Renkaassa Q [X ] jakoa voi myös jatkaa, ja saadaan 2X 3 + X 2 X 1 = (X 2 1 2 )(2X + 1) 1 2.

Tarkastelemme nyt yhden muuttujan polynomiyhtälöitä. Tämä kanssa on yhtäpitävää tarkastella polynomien (tai niitä vastaavien polynomifunktioiden) nollakohtia. Määritelmä (10.11.) Olkoon R kommutatiivinen rengas, ja olkoon P(X ) R [X ]. Alkio c R on polynomin P(X ) juuri eli nollakohta, jos P(c) = 0.

Tarkastelemme nyt yhden muuttujan polynomiyhtälöitä. Tämä kanssa on yhtäpitävää tarkastella polynomien (tai niitä vastaavien polynomifunktioiden) nollakohtia. Määritelmä (10.11.) Olkoon R kommutatiivinen rengas, ja olkoon P(X ) R [X ]. Alkio c R on polynomin P(X ) juuri eli nollakohta, jos P(c) = 0. Jakoyhtälö antaa seuraavan perustuloksen: Propositio (10.12.) Olkoon R kommutatiivinen rengas, jossa on voimassa yksikäsitteinen jakoyhtälö (esim Q). Olkoon P(X ) R [X ], ja c R. Tällöin P(c) = 0 täsmälleen silloin, kun (X c) P(X ).

Todistus. Jos P(c) = 0, niin jakamalla P(X ) polynomilla (X c) saadaan jakoyhtälön mukaan yksikäsitteiset polynomit Q(X ), J(X ), joille degj(x ) < 1 = deg(x c) ja P(X ) = Q(X )(X c) + J(X ).

Todistus. Jos P(c) = 0, niin jakamalla P(X ) polynomilla (X c) saadaan jakoyhtälön mukaan yksikäsitteiset polynomit Q(X ), J(X ), joille degj(x ) < 1 = deg(x c) ja P(X ) = Q(X )(X c) + J(X ). Siis J(X ) on vakiopolynomi b R, jolle J(a) = b kaikilla a R. Erityisesti 0 = P(c) = Q(c)(c c) + J(c) = b, joten b = 0. Siis X c jakaa polynomin P(X ).

Todistus. Jos P(c) = 0, niin jakamalla P(X ) polynomilla (X c) saadaan jakoyhtälön mukaan yksikäsitteiset polynomit Q(X ), J(X ), joille degj(x ) < 1 = deg(x c) ja P(X ) = Q(X )(X c) + J(X ). Siis J(X ) on vakiopolynomi b R, jolle J(a) = b kaikilla a R. Erityisesti 0 = P(c) = Q(c)(c c) + J(c) = b, joten b = 0. Siis X c jakaa polynomin P(X ). Jos kääntäen P(X ) = (X c)q(x ) jollain polynomilla Q(X ) R [X ], niin erityisesti P(c) = (c c)q(c) = 0 eli c R on polynomin P(X ) juuri.

Propositio (10.13.) Olkoon K kunta. Olkoon P(X ) K [X ] polynomi, ja olkoot c 1, c 2,..., c k K polynomin P(X ) k eri juurta. Tällöin on olemassa polynomi Q(X ) K [X ], jolle P(X ) = (X c 1 )(X c 2 ) (X c k )Q(X ). Todistus. Harjoitustehtävä 105.

Lause (10.14.) Olkoon K kunta, ja olkoon n N. Jos P(X ) K [X ] ja degp(x ) = n, niin polynomilla P(X ) on korkeintaan n juurta.

Lause (10.14.) Olkoon K kunta, ja olkoon n N. Jos P(X ) K [X ] ja degp(x ) = n, niin polynomilla P(X ) on korkeintaan n juurta. Todistus. Propositioiden 10.13 ja 10.5 mukaan, jos polynomilla P(X ) on k juurta, niin deg(p(x )) k.

Lause (10.14.) Olkoon K kunta, ja olkoon n N. Jos P(X ) K [X ] ja degp(x ) = n, niin polynomilla P(X ) on korkeintaan n juurta. Todistus. Propositioiden 10.13 ja 10.5 mukaan, jos polynomilla P(X ) on k juurta, niin deg(p(x )) k. Propositio (10.15.) Olkoon K ääretön kokonaisalue (ts. ei nollan jakajia). Tällöin jokaista kokonaisalueen K polynomifunktiota vastaa yksikäsitteinen polynomi renkaassa K [X ].

Lause (10.14.) Olkoon K kunta, ja olkoon n N. Jos P(X ) K [X ] ja degp(x ) = n, niin polynomilla P(X ) on korkeintaan n juurta. Todistus. Propositioiden 10.13 ja 10.5 mukaan, jos polynomilla P(X ) on k juurta, niin deg(p(x )) k. Propositio (10.15.) Olkoon K ääretön kokonaisalue (ts. ei nollan jakajia). Tällöin jokaista kokonaisalueen K polynomifunktiota vastaa yksikäsitteinen polynomi renkaassa K [X ]. Todistus. Olkoot P(X ), Q(X ) K [X ] siten, että P(c) = Q(c) kaikilla c K. Tällöin polynomilla P(X ) Q(X ) on äärettömän monta juurta. Ainoa tällainen polynomi on 0. Siis P(X ) = Q(X ).

Usein polynomeilla R [X ] on vähemmän nollakohtia R kuin niiden asteesta tuleva maksimimäärä. Esimerkiksi reaalilukukertoimisella polynomilla X 3 + X R [X ] on täsmälleen yksi nollakohta R ja polynomilla X 2 + 1 R [X ] ei ole nollakohtia R lainkaan.

Usein polynomeilla R [X ] on vähemmän nollakohtia R kuin niiden asteesta tuleva maksimimäärä. Esimerkiksi reaalilukukertoimisella polynomilla X 3 + X R [X ] on täsmälleen yksi nollakohta R ja polynomilla X 2 + 1 R [X ] ei ole nollakohtia R lainkaan. Sen sijaan polynomilla X 2 + 1 C [X ] on kaksi nollakohtaa: (X + i)(x i) = (X 2 + 1).

Usein polynomeilla R [X ] on vähemmän nollakohtia R kuin niiden asteesta tuleva maksimimäärä. Esimerkiksi reaalilukukertoimisella polynomilla X 3 + X R [X ] on täsmälleen yksi nollakohta R ja polynomilla X 2 + 1 R [X ] ei ole nollakohtia R lainkaan. Sen sijaan polynomilla X 2 + 1 C [X ] on kaksi nollakohtaa: (X + i)(x i) = (X 2 + 1). Jos (X c) k jakaa polynomin P(X ) renkaassa R [X ] on c P(X ):n k-kertainen juuri. Yleensä, kun lasketaan polynomin juuria, k-kertaiset juuret huomioidaan laskussa k kertaa. Esimerkiksi 0 on polynomin X 2 kaksinkertainen nollakohta, ja kertaluku huomioiden polynomilla X 2 on siis kaksi nollakohtaa.

Kunta K on algebrallisesti suljettu, jos jokaisella polynomilla P(X ) K [X ], joka ei ole vakiopolynomi, on juuri K. Edellä esitettyjen tulosten mukaan algebrallisesti suljetussa kunnassa on n:n asteen polynomilla (kertaluvun huomioiden) n juurta. Lause (10.16. Algebran peruslause) Kompleksilukujen kunta on algebrallisesti suljettu. Todistus. Tässä todistuksessa tarvitsemme tietoja Euklidisten avaruuksien jatkuvuudesta ja kompakteista joukoista. Sivuutetaan.

Kunta K on algebrallisesti suljettu, jos jokaisella polynomilla P(X ) K [X ], joka ei ole vakiopolynomi, on juuri K. Edellä esitettyjen tulosten mukaan algebrallisesti suljetussa kunnassa on n:n asteen polynomilla (kertaluvun huomioiden) n juurta. Lause (10.16. Algebran peruslause) Kompleksilukujen kunta on algebrallisesti suljettu. Todistus. Tässä todistuksessa tarvitsemme tietoja Euklidisten avaruuksien jatkuvuudesta ja kompakteista joukoista. Sivuutetaan. Lauseen seurauksena saadaan astetta n olevalle polynomille P(X ) P(X ) = a n (X X 1 )(X X 2 ) (X X n ). Reaali- tai kompleksiluvut X 1, X 2,, X n ovat polynomin nollakohdat, ts. polynomiyhtälön P(X ) = 0 juuret. Astetta n olevalla polynomilla on siis aina n juurta, mutta jotkut näistä voivat olla yhtä suuria.