代数基本定理

代数基本定理（fundamental theorem of algebra）说明，任何一个一元复系数多项式方程都至少有一个复数根。也就是说，复数域是代数封闭的。
有时这个定理表述为：任何一个非零的一元n次复系数多项式，都正好有n个复数根（重根视为多个根）。这似乎是一个更强的命题，但实际上是“至少有一个根”的直接结果，因为不断把多项式除以它的线性因子，即可从有一个根推出有n个根。也就是说，任何一个n次多项式，都可以因式分解为n个复系数一次多项式的乘积。
尽管这个定理被命名为“代数基本定理”，但它还没有纯粹的代数证明，许多数学家都相信这种证明不存在。另外，它也不是最基本的代数定理；因为在那个时候，代数基本上就是关于解实系数或复系数多项式方程，所以才被命名为代数基本定理。
高斯一生总共对这个定理给出了四个证明，其中第一个是在他22岁时（1799年）的博士论文中给出的。高斯给出的证明既有几何的，也有函数的，还有积分的方法。高斯关于这一命题的证明方法是去证明其根的存在性，开创了关于研究存在性命题的新途径。
同时，高次代数方程的求解仍然是一大难题。伽罗瓦理论指出，对于一般五次以及五次以上的方程，不存在一般的代数解。

**证明**
所有的证明都包含了一些数学分析，至少是实数或复数函数的连续性概念。有些证明也用到了可微函数，甚至是解析函数。
定理的某些证明仅仅证明了任何实系数多项式都有复数根。这足以推出定理的一般形式，这是因为，给定复系数多项式p(z)，以下的多项式

就是一个实系数多项式，如果z是q(z)的根，那幺z或它的共轭复数就是p(z)的根。
许多非代数证明都用到了“增长引理”：当|z|足够大时，首系数为1的n次多项式函数p(z)的表现如同zn。一个更确切的表述是：存在某个正实数R，使得当|z| > R时，就有：


**复分析证明**

**证明一**
寻找一个中心为原点，半径为r的闭圆盘D，使得当|z| ≥ r时，就有|p(z)| > |p(0)|。因此，|p(z)|在D内的最小值（一定存在，因为D是紧致的），是在D的内部的某个点z0取得，但不能在边界上取得。于是，根据最大模原理，p(z0) = 0。也就是说，z0是p(z)的一个零点（根）。

**证明二**
由于在D之外，有|p(z)| > |p(0)|，因此在整个复平面上，|p(z)|的最小值在z0取得。如果|p(z0)| > 0，那幺1/p在整个复平面上是有界的全纯函数，这是因为对于每一个复数z，都有|1/p(z)| ≤ |1/p(z0)|。利用刘维尔定理（有界的整函数一定是常数），可知1/p是常数，因此p是常数。于是得出矛盾，所以p(z0) = 0。

**证明三**
这个证明用到了辐角原理。设R为足够大的正实数，使得p(z)的每一个根的绝对值都小于R；这个数一定存在，因为n次多项式函数最多有n个根。对于每一个r > R，考虑以下的数：

其中c(r)是中心为0，半径为r的逆时针方向的圆；于是辐角原理表明，这个数是p(z)在中心为0、半径为r的开圆盘内的零点的数目N，由于r > R，所以它也是p(z)的零点的总数目。另一方面，n/z沿着c(r)的积分除以2πi，等于n。但这两个数的差为：

被积分的有理表达式中的分子，次数最多是n − 1，而分母的次数是n + 1。因此，当r趋于+∞时，以上的数趋于0。但这个数也等于N − n，因此有N = n。

**证明四**
这个证明结合了线性代数和柯西积分定理。为了证明每一个n > 0次复系数多项式都有一个根，只需证明每一个方块矩阵都有一个复数特征值。证明用到了反证法。
设A为大小n > 0的方块矩阵，并设In为相同大小的单位矩阵。假设A没有特征值。考虑预解函数
 
它在复平面上是亚纯函数，它的值位于矩阵的向量空间内。A的特征值正好是R(z)的极点。根据假设，A没有特征值，因此函数R(z)是整函数，根据柯西积分定理可知：

另一方面，把R(z)展开为几何级数，可得：

这个公式在半径为
A
的闭圆盘的外部（A的算子范数）成立。设r > 
A
。那幺：

（仅当k = 0时，积分才不等于零）。于是得出矛盾，因此A一定有一个特征值。

**拓扑学证明**
设z0 ∈ C为使|p(z)|在z0取得最小值的数; 从用到刘维尔定理的证明中，可以看到这样一个数一定存在。我们可以把p(z)写成z − z0的多项式：存在某个自然数k和一些复数ck、ck + 1、…、cn，使得ck ≠ 0，以及：
.
可推出如果a是(p(z)-p(z0))/ck的一个k重根，且t是足够小的正数，那幺|p(z0 + ta)| 0)|，这是不可能的，因为|p(z0)|是|p|在D内的最小值。
对于另外一个用到反证法的拓扑学证明，假设p(z)没有根。选择一个足够大的正数R，使得对于|z| = R，p(z)的第一项zn大于所有其它的项的和；也就是说，|z|n > |an − 1zn −1 + ··· + a0|。当z依逆时针方向绕过方程为|z| = R的圆一次时，p(z)，像zn那样，依逆时针方向绕过零n次。在另外一个极端，|z| = 0时，“曲线” p(z)仅仅是一个（非零的）点p(0)，它的卷绕数显然是0。如果z所经过的回路在这两个极端中被连续变形，那幺p(z)的路径也连续变形。我们可以把这个变形记为，其中t大于或等于0，而小于或等于1。如果我们把变量t视为时间，那幺在时间为零时，曲线为p(z)，时间为1时，曲线为p(0)。显然在每一个点t，根据原先的假设p(z)都不能是零，因此在变形的过程中，曲线一直都没有经过零。因此曲线关于0的绕数应该不变。然而，由于绕数在一开始是n，结束时是0，因此得出矛盾。所以，p(z)至少有一个根。

**代数证明**
这个证明需要依赖实数集的如下事实：正实数在上有实平方根，以及任何奇次多项式在上有一个根（这可以用介值定理证明）。
首先。经过简单的计算可以证明在开平方运算下是封闭的, 分别是。结合。得出不存在二阶扩张。
由于，于是任何的扩张都是可分的，从而任何的代数扩张都可以被包含在一个伽罗瓦扩张内。假设、都是伽罗瓦扩张。考虑伽罗瓦群的西罗2-子群H。那幺是奇数。由本原元定理得出，KH存在本原元，它的极小多项式是奇次的。但是利用实数集的事实2，任何奇次数多项式在实数上有一个根，不存在奇数次且次数>1的不可分多项式。于是是2的幂次。
假设并且r>0，再次利用西罗定理，G存在一个阶为2r-1的子群N。这时。这和先前不存在二阶扩张矛盾。因此的任何代数扩张都是本身，代数基本定理得证。

**推论**
由于代数基本定理可以视为复数域是代数封闭的，可推出任何关于代数封闭域的定理在复数域都是适用的。这个定理有一些推论，要幺是关于实数域的，要幺是关于实数域与复数域之间的关系的：- 复数域是实数域的代数闭包。- 每一个一元实系数多项式都可以表示为常数、x + a形式的多项式（a为实数），以及x2 + ax + b形式的多项式（a和b为实数，a2 − 4b n形式的有理函数（其中n是自然数，a和b是实数），与(ax + b)/(x2 + cx + d)n形式的有理函数（其中n是自然数，a、b、c和d是实数，c2 − 4d ère partie: Analyse Algébrique|url = http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k29058v|place = Paris|publisher = Éditions Jacques Gabay|ISBN = 2-87647-053-5|accessdate = 2008-09-22|archive-date = 2019-06-10|archive-url = https://web.archive.org/web/20190610101717/https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k29058v|dead-url = no- dead-url = yes. English translation: dead-url = no- Citation|last = Gauss|first = Carl Friedrich（卡尔·弗里德里希·高斯）|author-link = 卡尔·弗里德里希·高斯|year = 1799|title = Demonstratio nova theorematis omnem functionem algebraicam rationalem integram unius variabilis in factores reales primi vel secundi gradus resolvi posse|place = 黑尔姆施泰特|publisher = C. G. Fleckeisen- 卡尔·弗里德里希·高斯, “ Another new proof of the theorem that every integral rational algebraic function of one variable can be resolved into real factors of the first or second degreedate=20170501014123 ”, 1815- dead-url = no- dead-url = no- year=1891

**现代作品**
 Citation|last = Fine|first = Benjamin|last2 = Rosenber|first2 = Gerhard|title = The Fundamental Theorem of Algebra|publisher = Springer-Verlag|place = Berlin|year = 1997|isbn = 978-0-387-94657-3|series = Undergraduate Texts in Mathematics- issn = 0002-9939- issn = 0003-9519- isbn = 2-87647-101-9- Citation|last = Remmert|first = Reinhold|author-link = Reinhold Remmert|year = 1991|chapter = The Fundamental Theorem of Algebra|editor-last = Ebbinghaus|editor-first = Heinz-Dieter|editor2-last = Hermes|editor2-first = Hans|editor3-last = Hirzebruch|editor3-first = Friedrich|title = Numbers|series = Graduate Texts in Mathematics 123|editor3-link = Friedrich Hirzebruch|place = Berlin|publisher = Springer-Verlag|isbn = 978-0-387-97497-2- Citation|last= Smith|first = David Eugene|author-link = David Eugene Smith|title = A Source Book in Mathematics|publisher = Dover|isbn = 0-486-64690-4|year = 1959- issn = 0035-9149- Citation | last = van der Waerden | first = Bartel Leendert | author-link = Bartel Leendert van der Waerden | title = Algebra | volume = I | edition = 7th | date = 2003 | publisher = Springer-Verlag | isbn = 0-387-40624-7

**外部链接**
  代数基本定理date=20201127013844 ；含有许多证明-  John H. Mathews所作的代数基本定理教程-  代数基本定理的文献目录