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高次韦达定理是什么?如何证明?

回答
高次韦达定理:深入解析与证明

韦达定理(Vieta's formulas)是关于多项式方程根与系数之间关系的定理。我们通常所说的韦达定理是指一元二次方程的韦达定理,它揭示了一元二次方程 $ax^2 + bx + c = 0$ 的两个根 $x_1, x_2$ 与系数 $a, b, c$ 的关系:

$x_1 + x_2 = b/a$
$x_1 cdot x_2 = c/a$

然而,韦达定理的适用范围远不止一元二次方程,它可以推广到任意一元 n 次方程。这就是我们所说的高次韦达定理。

高次韦达定理的内容

考虑一个一般的一元 n 次方程:

$P(x) = a_n x^n + a_{n1} x^{n1} + a_{n2} x^{n2} + dots + a_1 x + a_0 = 0$

其中,$a_n, a_{n1}, dots, a_1, a_0$ 是方程的系数,$a_n eq 0$。根据代数基本定理,这个方程在复数域内有且仅有 n 个根(允许重根),记为 $x_1, x_2, dots, x_n$。

高次韦达定理描述了这些根与方程系数之间的关系。它指出,方程的根与系数之间的关系是基于根的对称多项式。具体来说,高次韦达定理有以下 n 条关系:

1. 根的和:
$x_1 + x_2 + dots + x_n = frac{a_{n1}}{a_n}$
(所有根的和等于负的 (n1) 次项系数除以 n 次项系数)

2. 两两乘积的和:
$sum_{1 le i < j le n} x_i x_j = x_1 x_2 + x_1 x_3 + dots + x_1 x_n + x_2 x_3 + dots + x_{n1} x_n = frac{a_{n2}}{a_n}$
(所有两两不同的根的乘积之和等于 (n2) 次项系数除以 n 次项系数)

3. 三三乘积的和:
$sum_{1 le i < j < k le n} x_i x_j x_k = frac{a_{n3}}{a_n}$
(所有三三不同的根的乘积之和等于负的 (n3) 次项系数除以 n 次项系数)

...

k. k 个根的乘积的和:
$sum_{1 le i_1 < i_2 < dots < i_k le n} x_{i_1} x_{i_2} dots x_{i_k} = (1)^k frac{a_{nk}}{a_n}$
(所有 k 个不同的根的乘积之和等于 $(1)^k$ 乘以 (nk) 次项系数除以 n 次项系数)

...

n. 所有根的乘积:
$x_1 x_2 dots x_n = (1)^n frac{a_0}{a_n}$
(所有根的乘积等于 $(1)^n$ 乘以常数项除以 n 次项系数)

总结来说,高次韦达定理就是关于方程的根的初等对称多项式与方程系数之间的关系。

高次韦达定理的证明

证明高次韦达定理的核心思想是利用多项式的因式分解性质。既然 $x_1, x_2, dots, x_n$ 是多项式 $P(x) = a_n x^n + a_{n1} x^{n1} + dots + a_0$ 的根,那么根据因式定理,我们可以将这个多项式分解为以下形式:

$P(x) = a_n (x x_1)(x x_2)dots(x x_n)$

现在,我们的目标是将右侧的因式分解形式展开,然后将展开后的系数与原始多项式的系数进行比较。

详细证明步骤:

第一步:建立因式分解与原始多项式的等价关系

我们知道,如果 $x_1, x_2, dots, x_n$ 是多项式 $P(x)$ 的根,并且 $a_n$ 是最高次项的系数,那么 $P(x)$ 必然可以表示为:

$a_n x^n + a_{n1} x^{n1} + dots + a_1 x + a_0 = a_n (x x_1)(x x_2)dots(x x_n)$

第二步:展开因式分解式

现在我们需要展开右侧的乘积 $(x x_1)(x x_2)dots(x x_n)$。为了便于理解,我们先从简单的例子开始,然后推广到一般的 n。

n=1:
$a_1 x + a_0 = a_1 (x x_1)$
展开右侧:$a_1 x a_1 x_1$
比较系数:
$a_1 = a_1$ (最高次项系数)
$a_0 = a_1 x_1 Rightarrow x_1 = a_0/a_1$
这与一元一次方程的韦达定理一致。

n=2:
$a_2 x^2 + a_1 x + a_0 = a_2 (x x_1)(x x_2)$
展开右侧:$a_2 (x^2 x_2 x x_1 x + x_1 x_2)$
$a_2 (x^2 (x_1 + x_2)x + x_1 x_2)$
$a_2 x^2 a_2 (x_1 + x_2)x + a_2 x_1 x_2$
比较系数:
$a_2 = a_2$
$a_1 = a_2 (x_1 + x_2) Rightarrow x_1 + x_2 = a_1/a_2$
$a_0 = a_2 x_1 x_2 Rightarrow x_1 x_2 = a_0/a_2$
这与一元二次方程的韦达定理一致。

n=3:
$a_3 x^3 + a_2 x^2 + a_1 x + a_0 = a_3 (x x_1)(x x_2)(x x_3)$
展开右侧:$a_3 (x^2 (x_1+x_2)x + x_1x_2)(x x_3)$
$a_3 (x^3 x_3 x^2 (x_1+x_2)x^2 + (x_1+x_2)x_3 x + x_1x_2 x x_1x_2x_3)$
$a_3 (x^3 (x_1+x_2+x_3)x^2 + (x_1x_3 + x_2x_3 + x_1x_2)x x_1x_2x_3)$
$a_3 x^3 a_3(x_1+x_2+x_3)x^2 + a_3(x_1x_2+x_1x_3+x_2x_3)x a_3x_1x_2x_3$
比较系数:
$a_3 = a_3$
$a_2 = a_3(x_1+x_2+x_3) Rightarrow x_1+x_2+x_3 = a_2/a_3$
$a_1 = a_3(x_1x_2+x_1x_3+x_2x_3) Rightarrow x_1x_2+x_1x_3+x_2x_3 = a_1/a_3$
$a_0 = a_3x_1x_2x_3 Rightarrow x_1x_2x_3 = a_0/a_3$
这对应于韦达定理的 n=3 的情况。

推广到一般 n:

我们注意到,在展开 $(x x_1)(x x_2)dots(x x_n)$ 的过程中,每一项都来自于从每个因子 $(x x_i)$ 中选择 $x$ 或 $x_i$ 相乘。

当我们将 $(x x_1)(x x_2)dots(x x_n)$ 展开时,会得到一个形式为:

$1 cdot x^n + c_{n1} x^{n1} + c_{n2} x^{n2} + dots + c_1 x + c_0$

其中,$c_k$ 是由从 n 个因子中选择 k 个 $x_i$ 相乘,然后与剩余的 $(nk)$ 个 $x$ 相乘得到的。换句话说,$c_k$ 是所有选择 $nk$ 个 $x$ 和 $k$ 个 $x_i$ 的组合乘积的和。

具体来说:

$x^n$ 的系数: 只能从每个因子中选择 $x$,所以系数是 1。
$x^{n1}$ 的系数: 需要从 n 个因子中选择一个因子 $(x_i)$,其余的都是 $x$。所以 $c_{n1} = (x_1) + (x_2) + dots + (x_n) = (x_1 + x_2 + dots + x_n)$。
$x^{n2}$ 的系数: 需要从 n 个因子中选择两个因子 $(x_i)(x_j)$,其余的都是 $x$。所以 $c_{n2} = (x_1)(x_2) + (x_1)(x_3) + dots + (x_{n1})(x_n) = x_1x_2 + x_1x_3 + dots + x_{n1}x_n$。
$x^{nk}$ 的系数: 需要从 n 个因子中选择 k 个因子 $(x_{i_1})(x_{i_2})dots(x_{i_k})$,其余的都是 $x$。所以 $c_{nk} = (1)^k sum_{1 le i_1 < i_2 < dots < i_k le n} x_{i_1} x_{i_2} dots x_{i_k}$。
常数项 ($x^0$) 的系数: 需要从 n 个因子中选择所有 $n$ 个因子 $(x_i)$ 相乘,即 $(x_1)(x_2)dots(x_n) = (1)^n x_1 x_2 dots x_n$。

第三步:比较系数

现在我们将展开的因式分解式与原始多项式进行比较:

$a_n x^n + a_{n1} x^{n1} + a_{n2} x^{n2} + dots + a_1 x + a_0 = a_n [x^n + c_{n1} x^{n1} + c_{n2} x^{n2} + dots + c_1 x + c_0]$

$a_n x^n + a_{n1} x^{n1} + a_{n2} x^{n2} + dots + a_1 x + a_0 = a_n x^n + a_n c_{n1} x^{n1} + a_n c_{n2} x^{n2} + dots + a_n c_1 x + a_n c_0$

由于两个多项式恒等,它们对应项的系数必须相等。

$a_{n1} = a_n c_{n1}$
将 $c_{n1} = (x_1 + x_2 + dots + x_n)$ 代入:
$a_{n1} = a_n [(x_1 + x_2 + dots + x_n)]$
$x_1 + x_2 + dots + x_n = frac{a_{n1}}{a_n}$ (高次韦达定理的第一条)

$a_{n2} = a_n c_{n2}$
将 $c_{n2} = x_1x_2 + x_1x_3 + dots + x_{n1}x_n$ 代入:
$a_{n2} = a_n (x_1x_2 + x_1x_3 + dots + x_{n1}x_n)$
$sum_{1 le i < j le n} x_i x_j = frac{a_{n2}}{a_n}$ (高次韦达定理的第二条)

一般地,对于 $x^{nk}$ 的系数:
$a_{nk} = a_n c_{nk}$
将 $c_{nk} = (1)^k sum_{1 le i_1 < i_2 < dots < i_k le n} x_{i_1} x_{i_2} dots x_{i_k}$ 代入:
$a_{nk} = a_n [(1)^k sum_{1 le i_1 < i_2 < dots < i_k le n} x_{i_1} x_{i_2} dots x_{i_k}]$
$sum_{1 le i_1 < i_2 < dots < i_k le n} x_{i_1} x_{i_2} dots x_{i_k} = (1)^k frac{a_{nk}}{a_n}$ (高次韦达定理的第 k 条)

对于常数项 ($k=n$):
$a_0 = a_n c_0$
将 $c_0 = (1)^n x_1 x_2 dots x_n$ 代入:
$a_0 = a_n [(1)^n x_1 x_2 dots x_n]$
$x_1 x_2 dots x_n = (1)^n frac{a_0}{a_n}$ (高次韦达定理的第 n 条)

至此,我们通过多项式的因式分解以及系数比较,成功地证明了高次韦达定理的全部内容。

高次韦达定理的重要性与应用

高次韦达定理是数学中的一个非常重要的概念,它在代数、数论、几何以及其他许多数学分支中有广泛的应用:

理解多项式的性质: 它可以帮助我们理解多项式根的性质,例如根的分布、对称性等,而无需 explicit 地求出这些根。
解决多项式问题: 许多关于多项式根的问题,例如构造一个具有特定根的多项式,或者判断多项式根的性质,都可以通过韦达定理来解决。
构建方程: 如果我们已知一些根的对称多项式的值,可以利用韦达定理来构造具有这些性质的多项式。
在高等数学中的应用: 在抽象代数、 Galois 理论、数值分析等领域,高次韦达定理是基础工具之一。例如,在 Galois 理论中,它对于研究域扩张的自同构群至关重要。
计算机代数系统: 在计算机代数系统中,求解多项式方程和分析其根的性质时,韦达定理的计算是核心部分。

示例:

考虑三元三次方程:$2x^3 6x^2 + 5x 1 = 0$
设其三个根为 $x_1, x_2, x_3$。
根据高次韦达定理:
$x_1 + x_2 + x_3 = (6)/2 = 3$
$x_1x_2 + x_1x_3 + x_2x_3 = 5/2$
$x_1x_2x_3 = (1)/2 = 1/2$

通过这些关系,我们可以对根进行一些分析,而无需直接求解。

总而言之,高次韦达定理是连接多项式方程的根与系数的桥梁,它以一种简洁而深刻的方式揭示了它们之间的内在联系,是代数学中的一个基石性定理。

网友意见

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谢邀。

韦达定理,也称根与系数的关系,在初中阶段学习过一元二次方程的韦达定理,而对于高次韦达定理:

设一元 n 次方程

有 n 个根分别记为 ,于是

与原方程相同. 我们将这个连乘式展开,写出 的系数,也就是原方程的系数 :

即每个括号 都提取出一个 来相乘;

依次类推:

… …

以上.

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