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8.3预计阅读时间: 14 分钟

8.3 有理函数、部分分式与 Vieta 公式

把有理函数分解成较简单的分式,联系根与系数,并用 Vieta 公式处理三角多项式问题。

为什么本章最后部分重要

多项式除法与 gcd 并不是孤立技巧。它们支撑两个在后续数学中经常出现的工具: 部分分式分解,以及根与系数之间的 Vieta 公式。前者需要除法算法、因式分解与互质; 后者需要多项式在 CC 上的根分解。

有理函数与多项式部分

定义

有理函数

有理函数是

p(x)q(x)\frac{p(x)}{q(x)}

的形式,其中 p(x),q(x)R[x]p(x),q(x)\in R[x]q(x)0q(x)\ne0

部分分式的第一步是先分离多项式部分。若 degpdegq\deg p\ge\deg q,除法算法给出

p(x)=q(x)b(x)+r(x),degr<degq.p(x)=q(x)b(x)+r(x),\qquad \deg r\lt\deg q.

因此

p(x)q(x)=b(x)+r(x)q(x).\frac{p(x)}{q(x)}=b(x)+\frac{r(x)}{q(x)}.

真正需要分解的是 proper rational function r(x)/q(x)r(x)/q(x)

分拆互质的分母因式

假设 q(x)=q1(x)q2(x)q(x)=q_1(x)q_2(x)gcd(q1,q2)=1\gcd(q_1,q_2)=1。Bézout 恒等式给出 a(x),b(x) 使

a(x)q1(x)+b(x)q2(x)=1.a(x)q_1(x)+b(x)q_2(x)=1.

乘以 r(x) 并除以 q1q2q_1q_2,可把 r/qr/q 分拆成分母为 q1q_1q2q_2 的两项; 再用除法算法把分子次数降到小于相应分母。这就是部分分式分解能成立的结构原因。

定理

R 上的部分分式形状

若分母可分解为

Ki(xai)mij(x2+bjx+cj)nj,K\prod_i(x-a_i)^{m_i}\prod_j(x^2+b_jx+c_j)^{n_j},

其中二次因式在 RR 上不可约,则每个有理函数可唯一写成一个多项式加上以下形状的项:

k(xa)m,rx+s(x2+bx+c)n.\frac{k}{(x-a)^m}, \qquad \frac{rx+s}{(x^2+bx+c)^n}.

重复一次因式需要每个幂次一个常数分子:

A(x)(xa)m=k1xa+k2(xa)2++km(xa)m.\frac{A(x)}{(x-a)^m} =\frac{k_1}{x-a}+\frac{k_2}{(x-a)^2}+\cdots+\frac{k_m}{(x-a)^m}.

重复不可约二次因式则需要一次分子:

B(x)(x2+bx+c)n=j=1nrjx+sj(x2+bx+c)j.\frac{B(x)}{(x^2+bx+c)^n} =\sum_{j=1}^n\frac{r_jx+s_j}{(x^2+bx+c)^j}.

例题

建立一个部分分式分解

分解

x4+2x+42x34x2+3x6.\frac{x^4+2x+4}{2x^3-4x^2+3x-6}.

先做除法:

x4+2x+42x34x2+3x6=12x+1+52x2+2x+10(2x2+3)(x2).\frac{x^4+2x+4}{2x^3-4x^2+3x-6} =\frac12x+1+ \frac{\frac52x^2+2x+10}{(2x^2+3)(x-2)}.

再设

52x2+2x+10(2x2+3)(x2)=Ax+B2x2+3+Cx2.\frac{\frac52x^2+2x+10}{(2x^2+3)(x-2)} =\frac{Ax+B}{2x^2+3}+\frac{C}{x-2}.

比较系数得

A=4122,B=1911,C=2411.A=-\frac{41}{22},\qquad B=-\frac{19}{11},\qquad C=\frac{24}{11}.

所以

x4+2x+42x34x2+3x6=12x+141x+3822(2x2+3)+2411(x2).\frac{x^4+2x+4}{2x^3-4x^2+3x-6} =\frac12x+1-\frac{41x+38}{22(2x^2+3)} +\frac{24}{11(x-2)}.

由部分分式得到 telescoping sum

投影片使用

x(2x1)(2x+1)(2x+3)=116(2x1)+18(2x+1)316(2x+3).\frac{x}{(2x-1)(2x+1)(2x+3)} =\frac{1}{16(2x-1)}+\frac{1}{8(2x+1)} -\frac{3}{16(2x+3)}.

代入 x=kx=k 并从 k=1k=1 加到 n,中间许多项会抵消,留下

k=1nk(2k1)(2k+1)(2k+3)=116(212n+132n+3).\sum_{k=1}^{n} \frac{k}{(2k-1)(2k+1)(2k+3)} =\frac1{16}\left(2-\frac1{2n+1}-\frac3{2n+3}\right).

方法上的重点是:先分解,再检查平移后的分母能否抵消。

Vieta 公式

p(x)=anxn+an1xn1++a1x+a0C[x],an0.p(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0\in C[x], \qquad a_n\ne0.

由代数基本定理,

p(x)=an(xα1)(xα2)(xαn),p(x)=a_n(x-\alpha_1)(x-\alpha_2)\cdots(x-\alpha_n),

其中根按重数计算。

定理

Vieta 公式

j=1,2,,nj=1,2,\ldots,n

1i1<<ijnαi1αi2αij=(1)janjan.\sum_{1\le i_1\lt\cdots<i_j\le n} \alpha_{i_1}\alpha_{i_2}\cdots\alpha_{i_j} =(-1)^j\frac{a_{n-j}}{a_n}.

对三次多项式 a3x3+a2x2+a1x+a0a_3x^3+a_2x^2+a_1x+a_0,若根为 α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3,则

α1+α2+α3=a2a3,\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3=-\frac{a_2}{a_3}, α1α2+α1α3+α2α3=a1a3,\alpha_1\alpha_2+\alpha_1\alpha_3+\alpha_2\alpha_3=\frac{a_1}{a_3}, α1α2α3=a0a3.\alpha_1\alpha_2\alpha_3=-\frac{a_0}{a_3}.

例题

三次方程根的幂和

a0+a1x+a2x2+a3x3=0a_0+a_1x+a_2x^2+a_3x^3=0 的根为 α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3,并记 Sr=α1r+α2r+α3rS_r=\alpha_1^r+\alpha_2^r+\alpha_3^r。则

S2=(α1+α2+α3)22(α1α2+α1α3+α2α3)=a222a1a3a32.S_2=(\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3)^2 -2(\alpha_1\alpha_2+\alpha_1\alpha_3+\alpha_2\alpha_3) =\frac{a_2^2-2a_1a_3}{a_3^2}.

同理可得

S3=a23+3a1a2a33a0a32a33.S_3= \frac{-a_2^3+3a_1a_2a_3-3a_0a_3^2}{a_3^3}.

可选:Lagrange 插值观点

(x1,y1),,(xn+1,yn+1)(x_1,y_1),\ldots,(x_{n+1},y_{n+1})

xix_i 两两不同,则存在唯一一个次数至多 n 的多项式通过这 n+1n+1 个点。 令

Li(x)=jixxjxixj.L_i(x)=\prod_{j\ne i}\frac{x-x_j}{x_i-x_j}.

Li(xj)=δijL_i(x_j)=\delta_{ij},所以

f(x)=i=1n+1yiLi(x)f(x)=\sum_{i=1}^{n+1}y_iL_i(x)

具有所需函数值。唯一性来自根数上界:两个候选多项式的差至多 n 次,但有 n+1n+1 个根,只能是零。

证明思路

部分分式分解不是一张需要硬背的模板表。模板其实是三个较早事实的合成。第一, 除法算法先分离多项式部分;若分式不是 proper,就先写成一个多项式加上一个余式分式。 第二,互质分母因式可由 Bézout 恒等式分拆。若 q=q1q2q=q_1q_2gcd(q1,q2)=1\gcd(q_1,q_2)=1, 就有 aq1+bq2=1a q_1+b q_2=1;乘上分子并除以 q,便把分式分成分母为 q1q_1q2q_2 的两项。第三,重复幂次可用除法逐层剥开。在 (xa)m(x-a)^m 上方,余式是常数;在不可约 二次因式上方,余式是一次式 rx+srx+s

Vieta 公式的证明则来自代数基本定理。当 p(x)=ani=1n(xαi)p(x)=a_n\prod_{i=1}^{n}(x-\alpha_i) 成立时,展开后每个系数都是根的基本对称和。 比较系数便得到公式。因此 Vieta 最适合处理根的对称式;若表达式看起来不是对称式, 通常要先把它改写。

例题

先读出部分分式形状

RR 上,写出

2x2+1x2(x2+1)2\frac{2x^2+1}{x^2(x^2+1)^2}

的正确部分分式形状。

x2x^2 是重复一次因式,所以贡献

Ax+Bx2.\frac{A}{x}+\frac{B}{x^2}.

x2+1x^2+1RR 上不可约二次因式,而且重复到二次方,所以贡献

Cx+Dx2+1+Ex+F(x2+1)2.\frac{Cx+D}{x^2+1}+\frac{Ex+F}{(x^2+1)^2}.

完整形状是

Ax+Bx2+Cx+Dx2+1+Ex+F(x2+1)2.\frac{A}{x}+\frac{B}{x^2} +\frac{Cx+D}{x^2+1} +\frac{Ex+F}{(x^2+1)^2}.

这一步只是在建立形状,尚未求 A,B,C,D,E,F。若形状漏了某个幂次或分子次数不对, 后面的系数比较就会失去意义。

例题

在正切综合题中使用 Vieta

Exercise 8.3 把

tan2(π/9),tan2(2π/9),tan2(4π/9)\tan^2(\pi/9),\quad \tan^2(2\pi/9),\quad \tan^2(4\pi/9)

化为 x333x2+27x3=0x^3-33x^2+27x-3=0 的三个根。设它们为 α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3。 Vieta 公式给出根和为 33,两两乘积和为 27,三根乘积为 3。因为三个正切值 都是正数,所以正切乘积是正的平方根:

tan(π/9)tan(2π/9)tan(4π/9)=3.\tan(\pi/9)\tan(2\pi/9)\tan(4\pi/9)=\sqrt3.

若要求六次幂和,则把 α13+α23+α33\alpha_1^3+\alpha_2^3+\alpha_3^3 改写成

(α1+α2+α3)33(α1+α2+α3)(α1α2+α1α3+α2α3)+3α1α2α3.(\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3)^3 -3(\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3)(\alpha_1\alpha_2+\alpha_1\alpha_3+\alpha_2\alpha_3) +3\alpha_1\alpha_2\alpha_3.

代入得 3333(33)(27)+3(3)=3327333^3-3(33)(27)+3(3)=33273

常见错误

常见错误

漏掉重复分母的幂次

(x2)4(x-2)^4 这种重复因式,只写一项分母 (x2)4(x-2)^4 不够。必须包含从一次到四次的 所有幂次。

常见错误

在不可约二次因式上只放常数分子

RR 上,x2+1x^2+1 上方的分子次数要小于 2,所以一般分子是 Ax+BAx+B,不是只放 一个常数。

常见错误

把 Vieta 直接套到非对称式

Vieta 给的是根的对称和,不是每个根的个别值。处理幂和或三角乘积前,通常要先把 目标改写成对称和。

总结

本节把前两节的多项式工具串起来。除法分离多项式部分与 proper rational part; Bézout 恒等式与互质解释为何不同分母因式可以分拆;重复幂次决定部分分式项的数量; Vieta 公式则把复数根分解式与系数形式比较,让我们不用逐一求根也能计算根的和与积。

练习阅读指南

做部分分式时,先决定形状,再求系数。这可避免两种常见错误:漏掉重复幂次,或在 不可约二次因式上方只放常数分子。重复一次因式 (xa)m(x-a)^m 需要从一次到 m 次的所有 分母幂次;重复不可约二次因式则每一层都要放一次分子。形状正确后,才清分母并比较 系数。

比较系数时,要按 x 的幂次整理。清分母后,把右边完全展开,分别比较最高次项、 二次项、一次项与常数项。表面上这是有理函数题,实际上求未知系数时就是一个线性方程 组。若先把每一个幂次的系数写清楚,计算会稳定很多。

telescoping sum 要等到分式分解后才会显现。原本的有理式通常看不出会抵消;分解成 平移的简单分式后,写出前几项与后几项,就能看到中间项如何消去,以及留下哪些边界 项。

做 Vieta 题时,先命名根,再列出 Vieta 给出的基本对称和。三次式中,通常是根和、 两两乘积和、三根乘积。若目标是幂和,就把幂和改写成这些对称和;若像正切题那样牵涉 平方后再开根,则要另外判断符号。可选的 Lagrange 插值则提醒我们:足够多的函数值 可以唯一决定低次多项式,这正是根数上界的另一种用法。

最后,每次分解或套用 Vieta 后都要说清楚自己证明了什么。部分分式等式只在原分母 非零处表示同一有理函数;Vieta 关系则是关于按重数计算的根。把这些条件保留在文字中, 才能避免公式被拿到不适用的地方。

快速检查

快速检查

为什么做部分分式前要先把 p(x) 除以 q(x)

检查剩下分式所需的次数条件。

解答

答案

快速检查

x2+1x^2+1 这种不可约二次因式上方,分子应该是什么形状?

使用分子次数规则。

解答

答案

快速检查

x333x2+27x3x^3-33x^2+27x-3,三个根的乘积是多少?

使用三次 Vieta 公式。

解答

答案

Exercises

  1. 写出 5/(x2+x6)5/(x^2+x-6) 的正确部分分式形状。
  2. 写出 (2x2+1)/(x2(x2+1)2)(2x^2+1)/(x^2(x^2+1)^2) 的正确部分分式形状。
  3. x/((2x1)(2x+1)(2x+3))x/((2x-1)(2x+1)(2x+3)) 分解成部分分式。
  4. 用第 3 题结果计算 k=1nk/((2k1)(2k+1)(2k+3))\sum_{k=1}^n k/((2k-1)(2k+1)(2k+3))
  5. α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3x333x2+27x3x^3-33x^2+27x-3 的根,计算 根的和、两两乘积和,以及三根乘积。
  6. 投影片 Exercise 8.3 中,若 tan2(π/9)\tan^2(\pi/9)tan2(2π/9)\tan^2(2\pi/9)tan2(4π/9)\tan^2(4\pi/9)x333x2+27x3x^3-33x^2+27x-3 的根,求 tan(π/9)tan(2π/9)tan(4π/9)\tan(\pi/9)\tan(2\pi/9)\tan(4\pi/9)

解答

引导解答

本节掌握 checkpoint

要完成这一节 checkpoint,需要把每一题答对。 答对进度: 0%.

技能点: polynomials, rational-functions, partial-fractions

RR 上,(2x2+1)/(x2(x2+1)2)(2x^2+1)/(x^2(x^2+1)^2) 的正确部分分式形状是哪一个?

已用尝试次数: 0

剩余尝试次数: 不限尝试次数

预览不会消耗尝试次数。

提交会记录一次正式评分尝试。

  • x2x^2 分成 xx2x^2;对 (x2+1)2(x^2+1)^2 放两个一次分子。

技能点: polynomials, vieta, roots-coefficients

α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3x333x2+27x3=0x^3-33x^2+27x-3=0 的根。填上 α1α2α3=\alpha_1\alpha_2\alpha_3=\square

已用尝试次数: 0

剩余尝试次数: 不限尝试次数

预览不会消耗尝试次数。

提交会记录一次正式评分尝试。

输入格式提示: 请输入三根乘积。

  • 请输入一个整数。

本单元重点词汇

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