问题

为什么多项式的根是系数的连续函数?

回答
要理解为什么多项式的根是系数的连续函数,我们得从几个核心概念入手:微积分里的连续性、代数基本定理以及隐函数定理。这三者结合,就能勾勒出这个性质的来龙去脉。

一、 首先,什么是“连续函数”?

在数学里,一个函数 $f(x)$ 在某一点 $x_0$ 处是连续的,意味着如果 $x$ 非常接近 $x_0$,那么 $f(x)$ 的值也会非常接近 $f(x_0)$。更严谨地说,对于任何一个小的正数 $epsilon$,总能找到一个正数 $delta$,使得只要 $|x x_0| < delta$,就有 $|f(x) f(x_0)| < epsilon$。

对于多项式的根来说,我们关注的不是函数值 $f(x)$ 的连续性,而是根本身作为系数的函数时的连续性。也就是说,如果我们考虑一个多项式 $P(z) = a_n z^n + a_{n1} z^{n1} + dots + a_1 z + a_0$,它的根是 $z_1, z_2, dots, z_n$。我们想知道的是,如果系数 $a_0, a_1, dots, a_n$ 发生一点微小的变化,那么这些根 $z_i$ 会如何变化。我们期望的是,系数的微小变化只会导致根发生微小的变化,而不是“跳跃式”的变化。

二、 代数基本定理与根的存在性

为什么多项式总是有根的?这正是代数基本定理告诉我们的。它指出,任何一个次数大于等于1的复系数多项式在复数域内至少有一个根。更进一步,一个 $n$ 次多项式恰好有 $n$ 个复根(计入重根)。

这个定理保证了我们有根可言。但它并没有直接说明根和系数之间的“连续性”。

三、 隐函数定理:连接方程与函数

现在,让我们引入一个关键的工具:隐函数定理。这个定理是多变量微积分里的一个强大工具,它能帮助我们处理由方程隐式定义的关系。

想象一下,我们有一个方程组,它定义了变量之间的关系。例如,考虑一个方程 $F(x, y) = 0$。如果我们知道在 $(x_0, y_0)$ 这一点满足方程,并且在这一点上,$frac{partial F}{partial y} eq 0$,那么隐函数定理告诉我们,在 $x_0$ 的一个邻域内,存在一个唯一的函数 $y = g(x)$,使得 $F(x, g(x)) = 0$ 恒成立,并且这个函数 $g(x)$ 是连续可微的。

我们怎么把多项式的根和这个联系起来呢?

考虑一个 $n$ 次多项式:
$P(z; a_0, a_1, dots, a_n) = a_n z^n + a_{n1} z^{n1} + dots + a_1 z + a_0 = 0$

这里,我们将多项式的系数 $a_0, dots, a_n$ 看作是独立的变量。多项式的根 $z$ 就是满足这个方程的解。

我们可以将这个问题看作是一个隐函数问题。假设我们有一个特定的多项式 $P_0(z) = a_{n,0} z^n + dots + a_{0,0}$,它有一个根 $z_0$(假设是单根,这一点很重要)。这意味着 $P_0(z_0) = 0$。

现在,如果我们稍微改变多项式的系数,比如变成 $P_1(z) = (a_{n,0}+Delta a_n) z^n + dots + (a_{0,0} + Delta a_0)$。我们想知道,这会导致根 $z_0$ 变成什么新的根 $z_0 + Delta z$?

我们可以定义一个更广泛的函数:
$F(z; a_0, a_1, dots, a_n) = a_n z^n + a_{n1} z^{n1} + dots + a_1 z + a_0$

我们关心的方程是 $F(z; a_0, dots, a_n) = 0$。这里的变量是 $z$ 和系数 $a_0, dots, a_n$。

根据隐函数定理的推广(可以处理多个参数),如果我们在一个特定系数组合 $(a_0^, dots, a_n^)$ 和一个根 $z^$ 处,$P(z^) = 0$,并且偏导数 $frac{partial P}{partial z}$ 在 $(z^, a_0^, dots, a_n^)$ 处非零,那么根 $z^$ 就是系数 $a_0, dots, a_n$ 的一个连续函数。

关键在于 $frac{partial P}{partial z}$ 在根处的非零性。

$frac{partial P}{partial z} = n a_n z^{n1} + (n1) a_{n1} z^{n2} + dots + a_1$

如果某个根 $z^$ 是一个单根,这意味着 $P(z^) = 0$ 并且 $P'(z^) eq 0$(其中 $P'(z) = frac{partial P}{partial z}$)。在单根的情况下,隐函数定理的条件得到满足。系数的微小变化 $Delta a_i$ 会导致根的微小变化 $Delta z$,并且 $Delta z$ 可以表示为系数变化的线性组合,这正是连续性的体现。

四、 重根是问题所在

那么,如果多项式有重根呢?

如果一个根 $z^$ 是多项式 $P(z)$ 的 $k$ 重根,那么 $P(z^) = 0$, $P'(z^) = 0, dots, P^{(k1)}(z^) = 0$, 但 $P^{(k)}(z^) eq 0$。

在重根处,$P'(z) = frac{partial P}{partial z} = 0$。这恰恰是隐函数定理应用时所要求的偏导数非零条件的失败。

当系数发生微小变化时,一个原来是重根的根可能会“分裂”成多个不同的根。这就像一个本来是完美的球体,在表面上受到轻微的扰动,可能会出现小的凹凸不平。

举个例子:
考虑多项式 $P(z) = z^2$。它在 $z=0$ 处有一个二重根。系数是 $a_2=1, a_1=0, a_0=0$。
如果我们将其变成 $P(z) = z^2 epsilon$(令 $a_0 = epsilon$),那么根是 $z = pm sqrt{epsilon}$。
当 $epsilon o 0$ 时,这两个根都趋向于 0。看起来似乎是连续的。

但问题在于,如果我们将多项式写成 $P(z) = (zr_1)(zr_2) dots (zr_n)$,其中 $r_i$ 是根。
展开后,$P(z) = z^n (r_1+dots+r_n)z^{n1} + dots + (1)^n r_1 r_2 dots r_n$。
系数与根之间存在着明确的代数关系(韦达定理)。

考虑一个 $n$ 次多项式。我们可以将其系数看作一个向量 $(a_n, dots, a_0)$。这是一个 $n+1$ 维空间中的一个点。这个点唯一地决定了多项式。多项式的根是这个点的一个“函数”。

我们不能简单地认为,一个 $n$ 次多项式“总是有” $n$ 个根,并且这些根会随着系数的变化而连续地移动。这是因为根的“身份”会随着系数的变化而改变,特别是在重根附近。

五、 如何严谨地表述?——根的“连续性”的复杂性

通常我们说多项式的根是系数的连续函数,是在排除重根的特定情况下,或者是在一个特定的根的“分支”上谈论连续性。

更准确地说,我们可以考虑系数空间的一个区域,在这个区域内,所有的多项式都恰好有 $n$ 个不同的根。在这个区域内,我们可以为每一个根指定一个“连续的”路径,使其依赖于系数。

想象一下,我们将系数从 $(a_n^0, dots, a_0^0)$ 沿着一条路径 $(a_n(t), dots, a_0(t))$ 变化,其中 $t$ 是参数。如果在这个过程中,多项式始终保持 $n$ 个互不相同的根,那么我们可以找到 $n$ 个连续的函数 $z_1(t), dots, z_n(t)$,使得 $P(z_i(t); a_0(t), dots, a_n(t)) = 0$。

这个“分支”的概念来自于复变函数理论。可以证明,在系数空间中,重根处是“奇点”。当系数绕过这些奇点时,根的标记可能会发生交换。

一个更直观的比喻:
想象一个地图,地图上的每个点代表一个多项式(由其系数决定)。地图上的“标签”是这个多项式的根。在大多数地方(系数远离导致重根的奇点),标签(根)会随着地图点的微小移动而平滑地移动。但是,在某些特殊的地方(系数导致重根),标签可能会发生突然的重组,一个根可能分成两个,或者两个根合并成一个。

总结一下:

1. 隐函数定理是关键理论基础: 它说明了在满足特定条件(特别是导数非零)下,方程的解(即根)是方程参数(即系数)的连续函数。
2. 单根是连续性的保证: 对于多项式的单根,其导数在该根处非零,因此隐函数定理保证了该根是系数的连续函数。
3. 重根是潜在的“不连续点”: 在重根处,导数为零,隐函数定理的条件不满足。系数的微小变化可能导致根的分裂或合并,使得根的“标识”发生剧烈变化,从这个意义上说,根不是所有系数的全局连续函数。
4. “根的连续性”通常指的是在特定的“分支”上,或者在不包含重根的系数区域内。 更严谨的说法是,多项式的根是系数的解析函数(在复系数域内),这意味着它们在非重根处是无限可微的,并且可以用泰勒级数展开。解析性比连续性要强得多。

所以,更准确的说法是:在远离产生重根的系数配置时,多项式的根可以被看作是系数的连续函数。在重根处,根的行为会变得复杂,它们会分裂成新的根,或者合并,使得连续性显得不那么明显,或者需要重新定义根的“顺序”和“标识”。

网友意见

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首先需要指出的是多项式的系数到根的映射并不是定义良好的,因为它可能是多值的。 具体地说,代数基本定理告诉我们 次多项式 在复数域 上有 个根 。用 表示多项式的系数到根的映射。如果直接将 定义成多项式的系数映射到根的序列,那么比如说 的值可能是 或 或 任一排列。这里的原因是没有一个简单的顺序来排列多项式的根(还保持连续性),当然你可以强行定义一个顺序,但这样不一定能保证 是连续的。事实上,不能可能存在连续的映射 将多项式的根映到系数。比如考虑多项式 , 是复数,当 单位圆上变化时,我们看到这个多项式的两个根(即使允许排列)也不可能连续变化,感谢评论@王筝指出。但我们可以模掉排列这个等价关系,将多项式的系数到根的映射看成 到 的映射,即定义

这里 表示 元对称群。这样定义的 可以是连续映射。

下面我们来证明映射 是连续的。首先可以验证 上的商拓扑可以由下面度量诱导

这里 是 上的标准范数。将这个度量下函数 的连续性翻译成 语言就是对于给定的 ,存在 ,对于多项式

满足 ,存在排列 使得 ,这里 和 分别是 和 的零点。

映射 的连续性可以使用Rouche定理,回忆一下复分析中Rouche定理说的是

(Rouche 定理) 如果复函数 和 在一个闭曲线 内部及边界全纯,满足

那么 和 在 内部零点个数相同,这里零点按重数计算

现在考虑多项式

设 是它的一个零点 ,要说明 是连续的,我们需要证明对于 ,存在 ,对于多项式

满足 ,在以 为圆心半径为 的圆 内, 和 的零点个数相同。

我们可以假设 小于 到 其他零点的距离,这样使得 在 上没有零点。因为 是紧的,因此 在上面存在最小值 。

另一方面,令 ,那么在 上,我们有

如果选择 ,那么在上, 。因此根据Rouche定理 和 在中零点个数相同,这样就完成了证明。

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