08-05-02. Деление многочленов 1. Деление с остатком. Неполное частное и остаток. Для целых чисел мы изучали деление с остатком. Аналогичная операция существует для многочленов. Разделить многочлен P ( x ) на ненулевой многочлен Q ( x) с остатком — значит найти такие многочлены T ( x ) и R ( x ) , что выполняется тождественное равенство P( x) Q( x) T ( x) R( x) причем, если R ( x ) — ненулевой многочлен, то его степень меньше степени многочлена Q ( x) . В этом определении многочлен T ( x ) называют неполным частным, а многочлен R ( x ) — остатком. Если при делении с остатком многочлена P ( x ) на многочлен Q ( x) остаток R ( x ) тождественно равен нулю, то говорят, что P ( x ) делится на Q ( x) . 2. Алгоритм деления с остатком, основанный на вычитании (на примерах). Алгоритм деления с остатком одного многочлена P ( x ) на другой многочлен Q ( x) основан на последовательном выделении слагаемых, содержащих множителем многочлен Q( x) . Пример. Разделим с остатком многочлен P( x) x3 8x 2 2 x 3 на многочлен Q( x) x 2 2 x 3 . Для этого сначала найдем такой одночлен вида ax k , что старший член произведения ax k Q( x) совпадает со старшим членом многочлена P ( x ) , то есть выполняется равенство ax k x 2 x3 Отсюда a 1 , k 1 . Тогда можно записать равенства: P( x) x3 8x 2 2 x 3 x Q( x) x3 8x 2 2 x 3 x Q( x) x Q( x) x3 8x 2 2 x 3 x( x 2 2 x 3) x Q( x) (10 x 2 x 3) x Q( x) P1 ( x ) где P1 ( x) 10 x 2 x 3 . В результате такого преобразования многочлен P ( x ) представлен в виде суммы двух слагаемых, одно из которых x Q ( x) делится на Q ( x) без остатка, а степень второго слагаемого P1 ( x) меньше степени P ( x ) . После этого выполним аналогичные преобразования для многочлена P1 ( x) . Сначала из условия ax k x 2 10 x 2 найдем a 10 , k 0 . Затем запишем равенства: P1 ( x) 10 x 2 x 3 10 Q( x) (10 x 2 x 3) 10 Q( x) 10 Q( x) (10 x 2 x 3) 10( x 2 2 x 3) 10 Q( x) 19 x 27 10 Q( x) P2 ( x) где P2 ( x) 19 x 27 . Полученный многочлен P2 ( x) имеет степень меньше степени P1 ( x) . В данном случае степень многочлена P2 ( x) оказывается меньше и степени делителя Q( x) . В результате сделанных преобразований для многочлена P ( x ) получаем следующее представление: P( x) x Q( x) P1 ( x) x Q( x) 10 Q( x) P2 ( x) ( x 10) Q( x) (19 x 27) то есть x3 8x 2 2 x 3 ( x 10) ( x 2 2 x 3) (19 x 27) Так как в этом представлении степень многочлена 19 x 27 меньше степени делителя Q ( x) , то по определению деления с остатком многочлен T ( x) x 10 является неполным частным, а многочлен R( x) 19 x 27 остатком от деления P ( x ) на Q ( x) . Пример 2. Разделим с остатком многочлен P( x) x3 x 2 x 1 на многочлен Q( x) 2 x 1 . Из условия ax k 2 x x3 находим a 12 , k 2 , а поэтому 1 1 P( x) x 2 (2 x 1) ( x 2 x 1) 2 2 1 2 x Q ( x) P1 ( x) 2 Из условия ax k 2 x 12 x 2 находим a 14 , k 1 , а поэтому 1 1 3 P1 ( x) x 2 x 1 x(2 x 1) ( x 1) 2 4 4 1 x Q( x) P2 ( x) 4 Из условия ax k 2 x 34 x находим a 83 , k 0 , а поэтому 3 3 5 3 P2 ( x) ( x 1) (2 x 1) Q( x) R( x) 4 8 8 8 В результате сделанных преобразований для многочлена P ( x ) получаем следующее представление: 1 1 1 P( x) x 2 Q( x) P1 ( x) x 2 Q( x) x Q( x) 2 2 4 P2 ( x) 1 2 1 3 x Q( x) x Q( x) Q( x) R( x) 2 4 8 1 1 3 ( x 2 x ) Q( x) R( x) 2 4 8 то есть 1 1 3 5 x3 x 2 x 1 ( x 2 x ) (2 x 1) 2 4 8 8 Так как в этом представлении степень многочлена R( x) 85 меньше степени делителя Q( x) 2 x 1 , то по определению при делении P ( x ) на Q ( x) неполное частное равно T ( x) 12 x 2 14 x 83 , а остаток равен R( x) 85 . 3. Оформление деления с остатком в виде схемы «уголком». Алгоритму деления многочлена на многочлен с остатком придают удобный вид, записывая столбиком. Вернемся к примеру 2 из предыдущего пункта и оформим деление с остатком многочлена P( x) x3 x 2 x 1 на многочлен Q( x) 2 x 1 в виде следующей схемы: x3 x2 x 1 2x 1 x3 1 x2 2 1 x2 2 1 x2 2 3 x 4 3 x 4 1 2 1 3 x x 2 4 8 x 1 1 x 4 1 3 8 5 8 В этой схеме на первом шаге подбирается такой множитель 1 2 1 2 x 2 , что в произведении x 2 Q ( x) старший коэффициент совпадает со старшим коэффициентом многочлена P ( x ) . Записывая многочлен 1 2 x 2 Q( x) x 3 12 x 2 под многочленом P ( x ) и выполняя вычитание P( x) 12 x 2 Q( x) , мы приходим к многочлену P( x) 12 x 2 x 1 , который в схеме записан под верхней чертой. На втором шаге подбирается такой множитель 14 x , что в произведении 14 x Q( x) старший коэффициент совпадает со старшим коэффициентом многочлена P1 ( x) . Записывая многочлен x Q( x) x x под многочленом P1 ( x) и выполняя вычитание P1 ( x) 14 x Q( x) , мы приходим к многочлену P2 ( x) 34 x 1 , который в схеме записан под средней чертой. На третьем шаге подбирается такой множитель 83 , что в произведении 83 Q( x) старший коэффициент совпадает со старшим коэффициентом многочлена P2 ( x) . Записывая многочлен 83 Q( x) 34 x 83 под многочленом P2 ( x) и выполняя вычитание P2 ( x) 83 Q( x) , мы приходим к многочлену R( x) 85 , который в схеме записан под нижней чертой. Так как степень многочлена R ( x ) меньше степени многочлена Q ( x) , то на этом процесс деления заканчивается. В результате в схеме под делителем появляется неполное частное, а в самой нижней строке схемы — остаток. 1 4 1 2 2 1 4 4. Деление многочленов второй степени на двучлен ( x m ). Рассмотрим деление с остатком на линейные многочлены вида Q( x) x m , где m — фиксированное число. Сначала возьмем многочлен второй степени P( x) ax 2 bx c , где a 0 , и выполним деление P ( x ) на Q ( x) , столбиком. ax 2 bx c xm 2 ax amx ax (am b) (am b) x c (am b) x am 2 bm am 2 bm c В результате получаем, что при делении с остатком многочлена ax 2 bx c на x m неполное частное равно многочлену первой степени ax (am b) , а остаток равен постоянному многочлену am 2 bm c , то есть числу. Пример 3. Пусть P( x) x 2 5 x 6 и Q( x) x 2 . Тогда в приведенной схеме деления можно принять a 1 , b 5 , c 6 , m 2 , а поэтому при делении с остатком P ( x ) на Q ( x ) неполное частное равно 1 x (1 2 5) x 3 , а остаток равен 1 2 5 2 6 0 . Следовательно, P( x) x 2 5x 6 ( x 2) ( x 3) 0 ( x 2) ( x 3) . В данном случае многочлен x 2 5 x 6 разложен на два множителя ( x 2) и ( x 3) . 5. Деление многочленов третьей степени на двучлен ( x m ). Рассмотрим теперь деление с остатком многочлена третьей степени P( x) ax3 bx 2 cx d на линейный многочлен Q( x) x m . Выполняя деление столбиком, получим: ax3 ax3 bx2 amx2 (am b) x 2 (am b) x 2 cx d xm ax (amb) x(am2 bmc) 2 cx (am2 bm) x (am 2 bm c) x (am 2 bm c) x d d am bm3 cm am3 bm 2 cm d 3 Следовательно, ax3 bx 2 cx d ( x m)(ax 2 (am b) x am2 bm c) (am3 bm2 cm d ) или P( x) Q( x) T ( x) R( x) где через T ( x ) обозначен многочлен ax 2 (am b) x (am2 bm c) ,а через R ( x ) обозначено число am3 bm2 cm d , то есть, постоянный многочлен, степень которого меньше степени многочлена Q ( x) . Следовательно, при делении с остатком многочлена ax3 bx 2 cx d на x m в неполном частном получается многочлен T ( x ) второй степени, а в остатке постоянный многочлен am3 bm2 cm d . 6. Значение многочлена. Пусть P ( x ) некоторый многочлен. Подставляя вместо буквы x конкретное число m , мы получим некоторое число, которое называется значением многочлена P ( x ) при x m и обозначается P ( m ) . Пример 4. Пусть S ( x) x3 2 x 2 3x . Подставляя вместо x число 4, получим 43 2 42 3 4 44 . Следовательно, S (4) 44 . Пример 5. Пусть T ( x) 2 x 4 5x 3 . Подставляя вместо x число 2 , получим 2 ( 2) 5 2 3 2 2 3 5 2 11 5 2 4 2 Следовательно, T ( 2) 11 5 2 . 7. Теорема Безу. В пункте 4. мы показали, что при делении квадратного трехчлена P( x) ax 2 bx c на линейный многочлен Q( x) x m в остатке получается постоянный многочлен, равный числу am 2 bm c . Это число равно значению P ( x ) при x m . Таким образом, полученный в пункте 2.4. результат можно сформулировать b следующем виде. Остаток при делении квадратного трехчлена P ( x ) на x m равен P ( m ) . Аналогично, x в пункте 5 мы показали, что при делении кубического многочлена P ( x ) на линейный многочлен Q( x) x m в остатке получается число, равное P ( m ) . Отмеченные закономерности выполняются и в общем случае. Теорема Безу. Остаток при делении многочлена P ( x ) на x m равен значению многочлена P ( x ) при x m . По теореме Безу можно очень быстро находить остаток при делении многочлена P ( x ) на x m . Этот остаток равен P ( m ) . 8. ** Доказательство теоремы Безу. В этом пункте разберем доказательство теоремы Безу. Запишем результат деления с остатком многочлена P ( x ) на x m в виде P( x) ( x m) S ( x) H ( x) где через S ( x ) обозначено неполное частное, а через H ( x ) — остаток. Если остаток H ( x ) — ненулевой многочлен, то его степень должна быть меньше степени делителя. Это значит, что H ( x ) является постоянным многочленом, то есть числом. Обозначим это число через h . Тогда выполняется тождественное равенство P( x) ( x m) S ( x) h Отсюда следует, что при x m выполняется равенство P ( m) ( m m) S ( m) h или h P(m) Итак, остаток при делении многочлена P ( x ) на x m равен P ( m ) . Теорема Безу доказана. Пример 6. При делении многочлена P( x) x10 2 x 4 1 на x 1 получается остаток P(1) 110 2 14 1 0 . Это означает, что многочлен x10 2 x 4 1 делится на x 1 без остатка. Поэтому многочлен x10 2 x 4 1 можно разложить на множители. Один из способов разложения данного многочлена на два множителя — это способ деления уголком. Другой способ такой: x10 2 x 4 1 ( x10 x 4 ) ( x 4 1) x4 ( x6 1) ( x4 1) x 4 ( x 1) ( x5 x 4 x3 x 2 x 1) ( x 1) ( x3 x 2 x 1) ( x 1) ( x9 x8 x7 x6 x5 x 4 ) ( x 1) ( x3 x 2 x 1) ( x 1) ( x9 x8 x7 x6 x5 x 4 x3 x 2 x 1) Контрольные вопросы 1. Что значит выполнить деление с остатком данного многочлена P ( x ) на ненулевой многочлен Q ( x) ? 2. Когда говорят, что многочлен P ( x ) делится на ненулевой многочлен Q ( x) ? 3. Как разделить столбиком многочлен x 3 x 2 x 1 на многочлен 2x 1 ? 4. Сформулируйте теорему Безу и проиллюстрируйте ее на примере многочленов P( x) x 3 2 x 2 3 x и Q ( x ) x 1 . 5. Докажите теорему Безу. Задачи и упражнения 1. Чему равны неполное частное и остаток при делении многочлена 3x 2 x 1 на многочлен x 2 ? 2. Чему равен остаток при делении многочлена x 3 8 на многочлен x 2 2 x 4 ? 3. Найти неполное частное и остаток по схеме «деление уголком»: 1) 3x3 6 x2 9 x 1 x2 6x 3 2) x4 3) 3x 1 5x2 3 x3 8 x2 5 x 10 x 2 3x 5 4) ( x 5)( x 2 3x 10 x2 5 5) x17 1 x 1 4. Найти остаток от деления многочлена 2 x3 3x 2 x 1 на x 2 . 5. Определить неполное частное и остаток от деления многочлена x 4 x 2 2 x 3 на x 1. 6. При каком значении коэффициента a многочлена x 5 2 x 3 a делится (без остатка) на x 2 ? 7. При каком значении коэффициента a остаток при делении многочлена x 4 ax 4 на x 3 равен 10?