Θεώρημα ρητής ρίζας

Στην άλγεβρα, τo θεώρημα ρητής ρίζας (ή τεστ ρητής ριζας , θεώρημα ρητου μηδενικού ,τεστ ρητού μηδενικού ή θεώρημα p/q ) δηλώνει έναν περιορισμό στις ρητές λύσεις μιας πολυωνυμικής εξίσωσης a n x n + a n − 1 x n − 1 + ⋯ + a 0 = 0 {\displaystyle a_{n}x^{n}+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots +a_{0}=0} με ακέραιους συντελεστές. Λύσεις της εξίσωσης είναι οι ρίζες (ισοδυναμα, μηδενικά του πολυωνύμου στην αριστερή πλευρά της εξίσωσης. Αν α0 και αn είναι μη μηδενικοί, τοτε, κάθε ρητή λύση x, όταν γραφτεί ως αναγωγο κλάσμα x = p/q (δηλαδή ο μέγιστος κοινός διαιρέτης των p και q είναι 1), ικανοποιεί τις : p είναι ένας ακέραιος παράγοντας(διαιρέτης) του σταθερού όρου a0, και το q είναι ένας ακέραιος παράγοντας(διαιρέτης) του συντελεστή του μεγιστοβαθμιου όρου an.Τo θεώρημα ρητής ρίζας είναι μια ειδική περίπτωση (για ένα γραμμικό παράγοντα ) του πορίσματος του Gauss (Gauss's lemma) για την παραγοντοποίηση πολυωνύμων. Η Τo θεώρημα ακέραιας ρίζας είναι μια ειδική περίπτωση τoυ θεωρήματος ρητής ρίζας αν ο συντελεστής του μεγιστοβάθμιου όρου an = 1.

 Το θεώρημα χρησιμοποιείται για να προσδιοριστεί εαν ένα πολυώνυμο έχει ρητές ρίζες, και αν ναι για την εύρεση τους. Αφου το θεώρημα δίνει περιορισμούς σχετικά με τον αριθμητή και τον παρονομαστή των ανάγωγων ρητών ριζών ως διαιρέτες ορισμένων αριθμών, όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί των διαιρετών τους μπορούν να ελεγχθούν και είτε να βρεθούν οι ρητές ρίζες ή να διαπιστωθεί ότι δεν υπάρχουν. Εάν βρεθούν μια ή περισσότερες τότε μπορεί να γίνει η διαίρεση με τους πρωτοβάθμιους παράγοντες ,δηλαδή να παραγοντοποιηθεί το πολυώνυμο, με αποτέλεσμα ένα πολυώνυμο χαμηλότερου βαθμού, του οποίου οι ρίζες είναι επίσης ρίζες του αρχικού πολυωνύμου. Η γενική κυβική εξίσωση a x 3 + b x 2 + c x + d = 0 {\displaystyle ax^{3}+bx^{2}+cx+d=0} με ακέραιους συντελεστές έχει τρεις λύσεις στο μιγαδικό επίπεδο. Εάν διαπιστωθεί από την δοκιμή ρητής ρίζας ότι δεν υπάρχουν ρητές λύσεις, τότε ο μόνος τρόπος για να εκφράστουν οι λύσεις αλγεβρικά είναι να χρησιμοποιήθουν κύβικες ρίζες. Αλλά αν η δοκιμή βρει τρεις ρητές λύσεις, τότε οι κύβικες ρίζες αποφεύγονται. Και αν βρεθεί να υπάρχει ακριβώς μία ρητή λύση r, , τότε το (x – r) μπορεί να διαιρεθεί από το κυβικό πολυώνυμο χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο πολυώνυμικης διαίρεσης, αφήνοντας ένα τετραγωνικό πολυώνυμο , του οποίου οι δύο ρίζες είναι οι υπόλοιπες δύο ρίζες του κυβικού, και αυτές μπορούν να βρεθούν χρησιμοποιώντας τον τετραγωνικό τύπο, και πάλι αποφεύγοντας τη χρήση των κυβικών, ρίζες. Ας P(x) = αnxn + an-1xn-1 + ... + α1x + α0 για κάποιο α0, ..., an ∈ Z, και ας υποθέσουμε ότι P(p/q) = 0 για κάποιους σχετικά πρώτους p, q ∈ Z: P ( p q ) = a n ( p q ) n + a n − 1 ( p q ) n − 1 + ⋯ + a 1 ( p q ) + a 0 = 0. {\displaystyle P\left({\tfrac {p}{q}}\right)=a_{n}\left({\tfrac {p}{q}}\right)^{n}+a_{n-1}\left({\tfrac {p}{q}}\right)^{n-1}+\cdots +a_{1}\left({\tfrac {p}{q}}\right)+a_{0}=0.} Αν πολλαπλασιάσουμε τις δύο πλευρές με qn, μετακινήσουμε το σταθερό όρο στην δεξιά πλευρά, και τον παράγοντα p στην αριστερή πλευρά, έχουμε p ( a n p n − 1 + a n − 1 q p n − 2 + ⋯ + a 1 q n − 1 ) = − a 0 q n . {\displaystyle \qquad p(a_{n}p^{n-1}+a_{n-1}qp^{n-2}+\cdots +a_{1}q^{n-1})=-a_{0}q^{n}.} Βλέπουμε ότι p φορές την ακέραια ποσότητα στην παρένθεση ισούται με −α0qn, άρα ο p διαιρεί τον α0qn. Αλλά ο p είναι σχετικά πρώτος με τον q και, επομένως,και με τον qn, οπότε από την (γενικευμένη μορφή) του λήμματος του Ευκλείδη πρέπει να διαιρεί τον υπόλοιπο παράγοντα α0 του γινομένου ΅Εαν εναλλακτικά μετακινήσουμε το μεγιστοβάθμιο όρο στη δεξιά πλευρά και τον παράγοντα q στην αριστερή πλευρά, έχουμε q ( a n − 1 p n − 1 + a n − 2 q p n − 2 + ⋯ + a 0 q n − 1 ) = − a n p n . {\displaystyle \qquad q(a_{n-1}p^{n-1}+a_{n-2}qp^{n-2}+\cdots +a_{0}q^{n-1})=-a_{n}p^{n}.} Και για παρόμοιους λόγους, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το q διαιρεί τον αν. Εαν υπάρχει ένας μη τετριμμένος παράγοντας που διαιρεί όλους τους συντελεστές του πολυωνύμου, τότε μπορούμε να διαιρέσουμε με το μέγιστο κοινό διαιρέτη των συντελεστών, έτσι ώστε να αποκτήσουμε ενα ανάγωγο πολυώνυμο κατά την έννοια του του λήμματος του Gauss. Αυτό δεν αλλάζει το σύνολο των ρητών ριζών και ενισχύει μόνο τις συνθηκες διαιρετότητας. Αυτό το λήμμα λέει ότι, αν το πολυώνυμο παραγοντοποιείται ως ℚ[X] τότε, επίσης, παραγοντοποιείται ως ℤ[X] σαν γινόμενο ανάγωγων πολυώνυμων. Τώρα κάθε ρητή ρίζα του, p/q αντιστοιχεί σε ένα παράγοντα βαθμού 1 του ℚ[X] των πολυωνύμων, το ανάγωγο εκπρόσωπος qx − p, αν υποθέσουμε ότι p και q είναι σχετικά πρώτοι. Αλλά κάθε πολλαπλάσιο του qx − p στο ℤ[X] έχει μεγιστοβάθμιο όρο που διαιρείται με το q και σταθερό ορο που διαιρείται από το p, το οποίο αποδεικνύει τη ζητούμενο. Αυτό το επιχείρημα δείχνει ότι, γενικότερα, κάθε ανάγωγος παράγοντας του P μπορεί να υποτεθεί ότι έχει ακέραιους συντελεστές, και συντελεστές μεγιστοβάθμιου και σταθερού όρου που διαιρούν τους αντίστοιχους συντελεστές του P. Το πολυώνυμο 2 x 3 + x − 1 , {\displaystyle 2x^{3}+x-1,} κάθε ρητή ρίζα πλήρως μειωμένη θα πρέπει να έχει αριθμητή που διαιρεί το 1 και παρονομαστή που διαιρεί το 2. Ως εκ τούτου, οι μόνες δυνατές ρητές ρίζες είναι ±1/2 και ±1, και δεδομένου ότι καμία από αυτές δεν δινει στο πολυώνυμο την τιμη μηδέν, δεν υπάρχει καμία ρητή ρίζα. Το πολυώνυμο x 3 − 7 x + 6 {\displaystyle x^{3}-7x+6} οι μόνες δυνατές ρητές ρίζες θα έχουν αριθμητή που διαιρεί το 6 και παρανομαστή που διαιρεί το 1, περιορίζοντας τις δυνατότητες ±1, ±2, ±3, ±6. Από αυτά, 1, 2, -3 εξισώνουν το πολυώνυμο με το μηδέν, και ως εκ τούτου είναι ρητές ρίζες. (Στην πραγματικότητα, αυτές είναι οι μοναδικες ρίζες αφου ένα κυβικό έχει μόνο τρεις ρίζες, εν γένει, ένα πολυώνυμο θα μπορούσαν να έχουν κάποιες ρητές και κάποιες Άρρητες ρίζες.) Κάθε ρητή ρίζα του πολυωνύμου 3 x 3 − 5 x 2 + 5 x − 2 {\displaystyle 3x^{3}-5x^{2}+5x-2} πρέπει να είναι μεταξύ των αριθμών που συμβολικά σημειώνονται ως ± 1 , 2 1 , 3 , {\displaystyle \pm {\frac {1,2}{1,3}}\,,} η οποία δίνει τη λίστα με τις 8 πιθανές απαντήσεις: ± { 1 , 2 , 1 3 , 2 3 } . {\displaystyle \pm \left\{1,2,{\frac {1}{3}},{\frac {2}{3}}\right\}.} Αυτες οι υποψήφιες ρίζες μπορούν να εξεταστούν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Horner (για παράδειγμα). Στη συγκεκριμένη περίπτωση, υπάρχει ακριβώς μία ρητή ρίζα. Αν μια υποψήφια ρίζα δεν προκαλεί το πολυώνυμο να ισούται με μηδέν, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελαττώσει τη λίστα των υπόλοιπων υποψηφίων. Για παράδειγμα, το x = 1 δεν λειτουργεί,μια και το πολυώνυμο τότε ισούται με 1. Αυτό σημαίνει ότι η αντικατάσταση x = 1 + t παράγει ένα πολυώνυμο t με σταθερό όρο 1, ενώ ο συντελεστής t3 παραμένει ο ίδιος με το συντελεστή του x3. Εφαρμόζοντας θεώρημα ρητής ρίζας έτσι παίρνουμε τις ακόλουθες πιθανές ρίζες για: t = ± 1 1 , 3 . {\displaystyle t=\pm {\frac {1}{1,3}}.} Ως εκ τούτου, x = 1 + t = 2 , 0 , 4 3 , 2 3 . {\displaystyle x=1+t=2,0,{\frac {4}{3}},{\frac {2}{3}}.} υποψήφιες ρίζες που δεν υπάρχουν και στις δύο λίστες έχουν αποκλειστεί. Η λίστα με τις υποψήφιες ρίζες πρέπει, συνεπώς, να συρρικνωθεί στο x = 2 και x = 2/3. Αν κ ρητές ρίζες βρεθούν (k ≥ 1), η μέθοδος Horner επίσης θα αποδώσει ένα πολυώνυμο βαθμού n − k του οποίου οι ρίζες, μαζί με τις ρητές ρίζες, είναι ακριβώς οι ρίζες του αρχικού πολυωνύμου. Μπορεί επίσης να συμβεί η περίπτωση που κανένας από τους υποψήφιους δεν είναι μια λύση, σε αυτήν την περίπτωση η εξίσωση του πολυωνύμου ίσου με το 0 δεν έχει καμία ρητή λύση. Αν απ'ο την εξίσωση λείπει ο σταθερός όρος α0, τότε το 0 είναι μία από τις ρητές λύσεις της εξίσωσης. Integrally closed domain Descartes' rule of signs Gauss–Lucas theorem Properties of polynomial roots Content (algebra) Eisenstein's criterion Ο Charles D. Miller, Margaret L. Lial, David I. Σνάιντερ: Fundamentals of College Algebra. Scott & Foresman/Little & Brown Higher Education, 3rd edition 19900, (ISBN 0-673-38638-4), pp. 216-221 Phillip S. Jones, Jack D. Bedient: The historical roots of elementary mathematics. Dover Courier Publications 1998, (ISBN 0-486-25563-8), pp. 116-117 (online copy, σ. 116, στα Google Books) Ron Larson: Calculus: An Applied Approach. Cengage Learning 2007, (ISBN 978-0-618-95825-2), pp. 23-24 (online copy, σ. 23, στα Google Books) Weisstein, Eric W. "Rational Zero Theorem". MathWorld. RationalRootTheorem Αρχειοθετήθηκε 2011-06-28 στο Wayback Machine. at PlanetMath Another proof that nth roots of integers are irrational, except for perfect nth powers by Scott E. Brodie The Rational Roots Test at purplemath.com