问题

对任意多项式P_m(x),是否一定存在Qn(x),使P_m(x)Q_n(x)=Ax^(m+n)+B?

回答
要回答这个问题,我们需要仔细分析多项式乘法的性质。

问题的核心:

我们给定的条件是:
$P_m(x)$ 是一个任意的 $m$ 次多项式。
$Q_n(x)$ 是一个 $n$ 次多项式。
我们希望找到一个这样的 $Q_n(x)$,使得 $P_m(x)Q_n(x) = Ax^{m+n} + B$。

这里的关键在于:

1. 乘积的形式: $P_m(x)Q_n(x)$ 的乘积是 $A x^{m+n} + B$。这是一个非常特殊形式的多项式,它只有两项:一个最高次项 $Ax^{m+n}$ 和一个常数项 $B$。
2. 任意性: $P_m(x)$ 是任意多项式,这意味着它的系数可以是任意的。

让我们来分析多项式乘法的性质:

一个 $m$ 次多项式 $P_m(x)$ 可以表示为:
$P_m(x) = a_m x^m + a_{m1} x^{m1} + dots + a_1 x + a_0$
其中 $a_m eq 0$ 且 $a_i$ 是系数。

一个 $n$ 次多项式 $Q_n(x)$ 可以表示为:
$Q_n(x) = b_n x^n + b_{n1} x^{n1} + dots + b_1 x + b_0$
其中 $b_n eq 0$ 且 $b_i$ 是系数。

当我们将 $P_m(x)$ 和 $Q_n(x)$ 相乘时,我们会得到一个次数为 $m+n$ 的多项式。这个乘积的最高次项是由 $a_m x^m$ 和 $b_n x^n$ 相乘得到的:
$P_m(x)Q_n(x) = (a_m x^m + dots)(b_n x^n + dots) = a_m b_n x^{m+n} + ( ext{低次项})$

现在,我们来看目标等式:$P_m(x)Q_n(x) = Ax^{m+n} + B$

这个等式要求乘积 $P_m(x)Q_n(x)$ 中 除了最高次项 $Ax^{m+n}$ 和常数项 $B$ 之外,所有次数介于 $1$ 到 $m+n1$ 之间的项的系数都必须为零。

分析是否存在这样的 $Q_n(x)$:

让我们考虑 $P_m(x)Q_n(x)$ 的展开。根据多项式乘法的性质,乘积的系数是由两个多项式系数的卷积决定的。

$P_m(x)Q_n(x) = (sum_{i=0}^m a_i x^i)(sum_{j=0}^n b_j x^j) = sum_{k=0}^{m+n} c_k x^k$

其中,$c_k = sum_{i+j=k} a_i b_j$。

目标是:
$c_{m+n} = A$
$c_0 = B$
$c_k = 0$ for $1 le k le m+n1$

特殊情况分析:

1. 如果 $P_m(x)$ 是一个常数多项式(即 $m=0$)
如果 $P_0(x) = a_0$(其中 $a_0 eq 0$),那么我们需要 $a_0 Q_n(x) = Ax^{n} + B$。
这要求 $Q_n(x) = frac{A}{a_0} x^n + frac{B}{a_0}$。
如果 $A eq 0$ 或 $B eq 0$,那么我们确实可以找到这样一个 $Q_n(x)$,它就是一个 $n$ 次或更低次的多项式(如果 $A=0$)。
但是,题目问的是“任意多项式 $P_m(x)$”。 如果 $P_m(x)$ 包含不止一个非零项,情况就会变得复杂。

2. 如果 $P_m(x)$ 不是常数多项式(即 $m ge 1$)

我们知道 $P_m(x)Q_n(x)$ 的乘积的最高次项是 $a_m b_n x^{m+n}$。所以,$A = a_m b_n$。

现在我们来看常数项:$P_m(x)Q_n(x)$ 的常数项是 $a_0 b_0$。所以,$B = a_0 b_0$。

最关键的问题在于 中间项的系数必须全部为零。
考虑 $P_m(x)$ 的形式:$P_m(x) = a_m x^m + a_{m1} x^{m1} + dots + a_1 x + a_0$。
考虑 $Q_n(x)$ 的形式:$Q_n(x) = b_n x^n + b_{n1} x^{n1} + dots + b_1 x + b_0$。

当 $P_m(x)$ 包含多个非零项时,计算 $P_m(x)Q_n(x)$ 的系数 $c_k$ ($1 le k le m+n1$) 会涉及多个 $a_i$ 和 $b_j$ 的组合。
为了使所有的中间项系数 $c_k$ 都为零,我们需要满足:
$sum_{i+j=k} a_i b_j = 0$ for $1 le k le m+n1$

举例说明:

令 $m=1$,$P_1(x) = x+1$ ($a_1=1, a_0=1$)。
我们希望找到 $Q_n(x) = b_n x^n + dots + b_0$ 使得 $P_1(x)Q_n(x) = Ax^{1+n} + B$。
即 $(x+1)(b_n x^n + b_{n1} x^{n1} + dots + b_1 x + b_0) = Ax^{n+1} + B$。

展开左边:
$x(b_n x^n + dots + b_0) + 1(b_n x^n + dots + b_0)$
$= b_n x^{n+1} + b_{n1} x^n + dots + b_1 x^2 + b_0 x$
$+ b_n x^n + b_{n1} x^{n1} + dots + b_1 x + b_0$

整理按次数分组:
$b_n x^{n+1} + (b_{n1}+b_n) x^n + (b_{n2}+b_{n1}) x^{n1} + dots + (b_0+b_1) x + b_0$

为了使这个结果等于 $Ax^{n+1} + B$,我们需要:
最高次项系数:$b_n = A$
常数项:$b_0 = B$
所有中间项系数为零:
$x^n$ 项系数:$b_{n1} + b_n = 0 implies b_{n1} = b_n = A$
$x^{n1}$ 项系数:$b_{n2} + b_{n1} = 0 implies b_{n2} = b_{n1} = (A) = A$
$x^{n2}$ 项系数:$b_{n3} + b_{n2} = 0 implies b_{n3} = b_{n2} = A$
以此类推,直到 $x^1$ 项系数:$b_0 + b_1 = 0 implies b_1 = b_0 = B$

所以,$Q_n(x)$ 的系数应该是:
$b_n = A$
$b_{n1} = A$
$b_{n2} = A$
$b_{n3} = A$
...
$b_1 = B$
$b_0 = B$

这是一个交替出现的 $A$ 和 $A$ 的形式,直到 $b_1$ 和 $b_0$。
例如,如果 $n=2$, $P_1(x) = x+1$。
我们需要 $Q_2(x) = b_2 x^2 + b_1 x + b_0$ 使得 $(x+1)(b_2 x^2 + b_1 x + b_0) = Ax^3 + B$。
展开:$b_2 x^3 + b_1 x^2 + b_0 x + b_2 x^2 + b_1 x + b_0 = b_2 x^3 + (b_1+b_2) x^2 + (b_0+b_1) x + b_0$
为了等于 $Ax^3 + B$,我们需要:
$b_2 = A$
$b_1+b_2 = 0 implies b_1 = A$
$b_0+b_1 = 0 implies b_0 = b_1 = A$
$b_0 = B$

这就出现了矛盾!我们推导出的 $b_0 = A$,但同时又必须等于 $B$。
所以,如果 $P_1(x) = x+1$,那么要使 $(x+1)Q_n(x) = Ax^{n+1} + B$ 成立,必须要求 $A=B$。
并且,如果 $n=2$, $Q_2(x) = Ax^2 Ax + A$。
$(x+1)(Ax^2 Ax + A) = Ax^3 Ax^2 + Ax + Ax^2 Ax + A = Ax^3 + A$.
这里的 $B$ 必须等于 $A$ 才能存在这样的 $Q_2(x)$。

关键点: 当 $P_m(x)$ 的常数项 $a_0$ 不为零,并且其系数中存在多个非零项时,要使得乘积的中间项系数全部为零,通常需要对 $P_m(x)$ 和 $Q_n(x)$ 的系数施加非常严格的限制。而题目要求 $P_m(x)$ 是“任意多项式”,这意味着 $P_m(x)$ 的系数可以自由选择,无法保证这些限制一定被满足。

3. 考虑 $P_m(x)$ 的常数项 $a_0 = 0$ 的情况:
如果 $P_m(x)$ 的常数项为零,即 $a_0 = 0$。那么 $P_m(x)Q_n(x)$ 的常数项 $B = a_0 b_0 = 0 cdot b_0 = 0$。
在这种情况下,我们的目标变成了 $P_m(x)Q_n(x) = Ax^{m+n}$。
这意味着除了最高次项 $Ax^{m+n}$ 之外,所有较低次项的系数也必须为零。

如果 $P_m(x) = x$ ($m=1, a_1=1, a_0=0$)。
我们需要 $x Q_n(x) = Ax^{n+1}$。
那么 $Q_n(x) = Ax^n$。这确实可以找到一个 $Q_n(x)$。

如果 $P_m(x) = x^2$ ($m=2, a_2=1, a_0=0$)。
我们需要 $x^2 Q_n(x) = Ax^{n+2}$。
那么 $Q_n(x) = Ax^n$。这也可以找到。

如果 $P_m(x) = x^m$ ($m ge 1, a_m=1, a_i=0$ for $i 我们需要 $x^m Q_n(x) = Ax^{m+n}$。
那么 $Q_n(x) = Ax^n$。

但是,如果 $P_m(x)$ 具有非零的常数项,并且包含不止一个非零项,会发生什么?

设 $P_m(x) = a_m x^m + dots + a_1 x + a_0$,其中 $a_0 eq 0$ 且至少有另一个 $a_i eq 0$($i>0$)。
设 $Q_n(x) = b_n x^n + dots + b_1 x + b_0$,其中 $b_n eq 0$。

乘积为:
$P_m(x)Q_n(x) = (a_m x^m + dots + a_1 x + a_0)(b_n x^n + dots + b_1 x + b_0)$

我们要求:
1. $a_m b_n = A$
2. $a_0 b_0 = B$
3. $sum_{i+j=k} a_i b_j = 0$ for $1 le k le m+n1$

考虑 $k=1$ 的系数:
$c_1 = sum_{i+j=1} a_i b_j = a_1 b_0 + a_0 b_1$
我们需要 $a_1 b_0 + a_0 b_1 = 0$。

考虑 $k=m+n1$ 的系数:
$c_{m+n1} = sum_{i+j=m+n1} a_i b_j = a_m b_{n1} + a_{m1} b_n$
我们需要 $a_m b_{n1} + a_{m1} b_n = 0$。

是否存在一个 $Q_n(x)$ 使得所有这些条件同时成立?

如果 $P_m(x)$ 的系数结构很复杂,比如 $P_2(x) = x^2 + x + 1$ ($m=2, a_2=1, a_1=1, a_0=1$)。
我们需要 $Q_n(x)$ 使得 $(x^2+x+1)Q_n(x) = Ax^{n+2} + B$。
令 $Q_n(x) = b_n x^n + b_{n1} x^{n1} + dots + b_1 x + b_0$。

最高次项:$b_n = A$
常数项:$b_0 = B$

中间项系数:
$c_1 = a_1 b_0 + a_0 b_1 = 1 cdot B + 1 cdot b_1 = B+b_1 = 0 implies b_1 = B$
$c_2 = a_2 b_0 + a_1 b_1 + a_0 b_2 = 1 cdot B + 1 cdot (B) + 1 cdot b_2 = B B + b_2 = b_2 = 0$
$c_3 = a_2 b_1 + a_1 b_2 + a_0 b_3 = 1 cdot (B) + 1 cdot 0 + 1 cdot b_3 = B + b_3 = 0 implies b_3 = B$
$c_4 = a_2 b_2 + a_1 b_3 + a_0 b_4 = 1 cdot 0 + 1 cdot B + 1 cdot b_4 = B + b_4 = 0 implies b_4 = B$

注意到,对于 $k ge 2$,如果 $Q_n(x)$ 的次数是 $n$,那么系数 $c_k = a_k b_0 + a_{k1} b_1 + dots + a_0 b_k$ (如果 $a_i$ 和 $b_j$ 都定义了)。
在这个例子中:
$c_k = b_{k2} + b_{k1} + b_k$ (当 $k le n$ 并且 $k le m$)
$c_k = b_{k2} + b_{k1}$ (当 $k > n$ 且 $k le m+n$)

我们要求的 $c_k=0$ for $1 le k le m+n1$.
对于 $P_2(x) = x^2 + x + 1$ 且 $Q_n(x) = b_n x^n + b_{n1} x^{n1} + dots + b_0$:
$c_1 = b_0 + b_1 = 0 implies b_1 = b_0$
$c_2 = b_0 + b_1 + b_2 = 0 implies b_0 + (b_0) + b_2 = 0 implies b_2 = 0$
$c_3 = b_1 + b_2 + b_3 = 0 implies b_0 + 0 + b_3 = 0 implies b_3 = b_0$
$c_4 = b_2 + b_3 + b_4 = 0 implies 0 + b_0 + b_4 = 0 implies b_4 = b_0$
$c_5 = b_3 + b_4 + b_5 = 0 implies b_0 + (b_0) + b_5 = 0 implies b_5 = 0$
$c_6 = b_4 + b_5 + b_6 = 0 implies b_0 + 0 + b_6 = 0 implies b_6 = b_0$

我们发现 $b_k$ 的系数序列是:$b_0, b_0, 0, b_0, b_0, 0, b_0, b_0, 0, dots$
这个序列是周期性的。
但是,我们还必须满足 $b_n$ 必须是非零的(如果 $Q_n(x)$ 是一个 $n$ 次多项式)。
如果 $b_0 eq 0$,那么这个序列将不会以零结束,除非 $n$ 的某个特定值,使得 $b_n eq 0$ 而 $b_{n+1}, b_{n+2}, dots$ 都为零。
更关键的是,我们的目标是 $P_m(x)Q_n(x) = Ax^{m+n} + B$。这意味着在 $x^{m+n}$ 以下的所有项都必须为零。
所以 $c_1 = 0, c_2 = 0, dots, c_{m+n1} = 0$.
如果 $P_m(x)$ 的系数中存在多个非零项,那么 $Q_n(x)$ 的系数将会受到一系列线性方程组的约束。

一个反例:

考虑 $P_2(x) = x^2+1$ ($m=2, a_2=1, a_1=0, a_0=1$)。
我们希望找到 $Q_n(x) = b_n x^n + b_{n1} x^{n1} + dots + b_1 x + b_0$ 使得 $(x^2+1)Q_n(x) = Ax^{n+2} + B$。

展开左边:
$x^2 Q_n(x) + Q_n(x) = (b_n x^{n+2} + b_{n1} x^{n+1} + dots + b_1 x^3 + b_0 x^2) + (b_n x^n + dots + b_1 x + b_0)$

我们希望这个结果是 $Ax^{n+2} + B$。
这意味着:
$x^{n+2}$ 项:$b_n = A$
$x^{n+1}$ 项:$b_{n1} = 0$
$x^n$ 项:$b_{n2} = 0$ (从 $x^2 cdot b_{n2}x^{n2}$ 来的)
...
$x^3$ 项:$b_1 = 0$ (从 $x^2 cdot b_1 x$ 来的)
$x^2$ 项:$b_0 = 0$ (从 $x^2 cdot b_0$ 来的)
$x^1$ 项:$b_0 = 0$ (从 $1 cdot b_1 x$ 来的, 但是 $b_1=0$ 已经强制了)
常数项:$b_0 = B$

这样就得到了:
$b_n = A$
$b_{n1} = 0, b_{n2} = 0, dots, b_1 = 0, b_0 = 0$
并且 $b_0 = B$.
这就意味着 $B$ 必须等于零。

如果 $P_m(x)$ 的常数项 $a_0 eq 0$ 并且 $P_m(x)$ 包含不止一个非零项,则 $Q_n(x)$ 的系数会受到多个方程的约束。
特别是,当 $P_m(x)$ 的某个系数 $a_i eq 0$ 时,它会影响 $Q_n(x)$ 的多个系数。
如果 $a_0 eq 0$,那么 $Q_n(x)$ 的系数 $b_0$ 是 $B$,而 $P_m(x)$ 的其他非零系数 $a_i$ ($i>0$)会使得 $Q_n(x)$ 的一些低次项系数(例如 $b_1, b_2, dots$)必须为零,以抵消 $P_m(x)$ 的中间项。但同时,这些低次项系数又会受到 $P_m(x)$ 的高次项和 $Q_n(x)$ 的高次项乘积的影响,产生新的中间项。

结论:

不一定存在。

详细解释原因:

多项式乘积的系数是其系数的卷积。为了使 $P_m(x)Q_n(x) = Ax^{m+n} + B$ 成立,我们要求乘积多项式除了最高次项 $Ax^{m+n}$ 和常数项 $B$ 之外,所有中间项的系数都为零。

1. 最高次项和常数项的确定:
设 $P_m(x) = a_m x^m + dots + a_0$ ($a_m eq 0$) 且 $Q_n(x) = b_n x^n + dots + b_0$ ($b_n eq 0$)。
乘积的最高次项是 $(a_m x^m)(b_n x^n) = a_m b_n x^{m+n}$。所以,我们必须有 $A = a_m b_n$。
乘积的常数项是 $a_0 b_0$。所以,我们必须有 $B = a_0 b_0$。

2. 中间项系数为零的约束:
对于 $1 le k le m+n1$,乘积的 $x^k$ 项的系数 $c_k = sum_{i+j=k} a_i b_j$ 必须为零。
这是一个由 $a_i$ 和 $b_j$ 构成的线性方程组。

3. 为什么不一定存在?
如果 $P_m(x)$ 是常数多项式 ($m=0$):$P_0(x) = a_0$ ($a_0 eq 0$)。那么我们需要 $a_0 Q_n(x) = Ax^n + B$。如果 $A eq 0$ 或 $B eq 0$,则 $Q_n(x) = frac{A}{a_0} x^n + frac{B}{a_0}$。此时,只要 $a_0 eq 0$,我们就总能找到这样的 $Q_n(x)$。但是题目说 $P_m(x)$ 是任意多项式, $m$ 可以是任意非负整数。

如果 $P_m(x)$ 包含多个非零项 ($m ge 1$) 且常数项 $a_0 eq 0$:
这时,为了满足 $c_k = 0$ ($1 le k le m+n1$),我们需要对 $Q_n(x)$ 的系数 $b_j$ ($j=0, 1, dots, n$)施加一系列线性约束。
如果 $P_m(x)$ 的系数结构使得这些约束导致矛盾,或者要求 $Q_n(x)$ 必须是零多项式(当 $A=0, B=0$ 且 $P_m(x)$ 的系数限制了 $Q_n(x)$ 的所有系数都为零时),那么就不存在这样的 $Q_n(x)$。
例如,我们已经看到了,如果 $P_2(x) = x^2+1$ ($a_2=1, a_1=0, a_0=1$),为了使乘积的中间项($x^1, x^2, dots, x^{n+1}$)系数为零,我们会推导出 $b_0=0$ 和 $b_1=0, b_2=0, dots, b_{n1}=0$。但同时常数项要求 $b_0=B$。这意味着如果 $B eq 0$,就无法找到这样的 $Q_n(x)$。而 $P_m(x)$ 是任意多项式,我们可以选择 $P_2(x) = x^2+1$ 和 $B=1$,此时就不存在 $Q_n(x)$。

如果 $P_m(x)$ 的常数项 $a_0=0$:
那么乘积的常数项 $B = a_0 b_0 = 0$。
所以,如果 $B eq 0$,则不一定存在。
即使 $B=0$,例如 $P_m(x) = x^2+x$ ($m=2, a_2=1, a_1=1, a_0=0$)。我们需要 $(x^2+x)Q_n(x) = Ax^{n+2}$。
$x(x+1)Q_n(x) = Ax^{n+2}$。
$(x+1)Q_n(x) = Ax^{n+1}$.
我们已经分析过这种情况了,如果 $n=2$, $Q_2(x) = Ax^2 Ax + A$.
$(x+1)(Ax^2Ax+A) = Ax^3+A$.
这里的常数项是 $A$。所以如果我们的目标是 $Ax^{n+2} + B$,且 $a_0=0$,那么 $B$ 必须为 $0$。
如果 $P_m(x) = x+1$ ($m=1, a_1=1, a_0=1$) 且我们要 $P_m(x)Q_n(x) = Ax^{n+1} + B$。我们发现必须有 $A=B$。如果 $P_m(x)$ 的系数结构使得 $A eq B$ 的情况出现,则不存在。例如,令 $P_1(x)=x+1$ 且令目标是 $3x^3 + 5$. 那么 $A=3, B=5$.
但是,根据我们的推导,对于 $P_1(x) = x+1$,要使 $(x+1)Q_n(x) = Ax^{n+1} + B$ 成立,需要 $b_0=B$ 和 $b_0+b_1=0$ ($1$次项系数)。这就要求 $b_1=B$.
然后 $b_{n1}+b_n=0$ ($n$次项系数)。
如果 $P_1(x)=x+1$ ($a_1=1, a_0=1$),那么 $Q_n(x) = b_n x^n + dots + b_1 x + b_0$ 的乘积 $(x+1)Q_n(x)$ 的系数为:
$c_{n+1} = b_n = A$
$c_n = b_{n1} + b_n = 0 implies b_{n1} = A$
$c_{n1} = b_{n2} + b_{n1} = 0 implies b_{n2} = b_{n1} = A$
...
$c_1 = b_0 + b_1 = 0 implies b_1 = b_0$
$c_0 = b_0 = B$
所以我们有 $b_0 = B$. 并且 $b_1 = b_0 = B$.
同时,对于 $n=1$, $P_1(x)Q_1(x) = (x+1)(b_1 x + b_0) = b_1 x^2 + (b_0+b_1) x + b_0$.
要等于 $Ax^2 + B$, 我们需要:
$b_1 = A$
$b_0+b_1 = 0$
$b_0 = B$
从 $b_0=B$ 和 $b_0+b_1=0$ 可得 $b_1 = B$.
所以我们必须有 $A = b_1 = B$. 也就是说 $A = B$.
因此,对于 $P_1(x)=x+1$,只有当 $A=B$ 时,才存在 $Q_1(x) = Ax B$ (这里 $n=1$) 使得 $P_1(x)Q_1(x) = Ax^2 + B$.
例如,如果我们要 $(x+1)Q_1(x) = 3x^2 + 5$,这是不可能的,因为 $A=3, B=5$, $A eq B$.

总结:

由于 $P_m(x)$ 可以是任意多项式,它的系数可以任意选取。当 $P_m(x)$ 的系数结构不满足特定条件时,通过乘法产生的中间项系数很难全部归零,从而使得乘积的形式为 $Ax^{m+n}+B$。特别是,当 $P_m(x)$ 具有非零常数项并且包含多个非零项时,对 $Q_n(x)$ 系数产生的限制往往是难以满足的。

因此,对任意多项式 $P_m(x)$,不一定存在 $Q_n(x)$ 使得 $P_m(x)Q_n(x)=Ax^{m+n}+B$。

网友意见

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若 ,则有 ,在此特殊情况才能满足题意.

若 ,则题目等价为

推出

但是当 且 时,上式不恒成立.

反例

若存在 满足题意,代入原式得

然而最后一个等号左边没有常数项,矛盾.

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