Алгебраические числа (стр. 2 из 3)

Теорема 1: Если f(x) минимальный многочлен алгебраического числа z и f(x) многочлен с рациональными коэффициентами, такой, что F(z)=0, то f(x) делитель F(x), т.е. F(x)=f(x)g(x), где g(x) также многочлен с рациональными коэффициентами.

Доказательство: Согласно известной теореме алгебры F(x) можно представить в виде:

F(x)=f(x)g(x)+r(x)

где g(x) и к(ч) – многочлены с рациональными коэффициентами, причем степень r(x) меньше степени f(x). Поскольку F(x)=0 и f(z)=0, то придавая x значение z, получаем r(z)=0; z – корень многочлена r(x) с рациональными коэффициентами степени, меньшей чем у минимального для z многочлена, т.е. меньшей чем степень z. Это может быть только если r(x) тождественно равен нулю, а значит F(x)=f(x)g(x). Теорема доказана.

Теорема 2: Для любого алгебраического числа z минимальный многочлен неприводим над полем рациональных чисел.

Доказательство:

Пусть f(x) – минимальный многочлен для z. Предположим, что f(x) приводим над полем рациональных чисел, т.е., что f(x)=w(x)j(x), w(x)j(x) – многочлены с рациональными коэффициентами, степени меньшей, чем n.

Из равенства w(x)j(x)=f(x)=0 следует, что из двух чисел w(x) и j(x), по крайней мере одно равно нулю. Пусть например w(x)=0, тогда z – корень тождественно не равного нулю многочлена w(x) с рациональными коэффициентами, степени меньшей, чем n, т.е. меньшей чем у f(x). А это противоречит тому, что f(x) – минимальный многочлен для z. Предположение, что f(x) приводим над полем рациональных чисел, оказалось неверным, т.е. f(x) неприводим над этим полем. Теорема доказана.

Теорема 3: Если z корень неприводимого над полем рациональных чисел многочлена F(x) с рациональными коэффициентами степени n, то z – алгебраическое число степени n.

Доказательство:

Обозначим минимальный многочлен для z через f(x). Согласно теоремы 1: F(x)=f(x)g(x); где g(x) – многочлен с рациональными коэффициентами. Поскольку F(x) неприводим над полем рациональных чисел и f(x) отлично от постоянного, то g(x)=c, где c – рационально. F(x)=cf(x), т.е. z – алгебраическое число n-й степени. Теорема доказана.

Пример:

Пусть p – простое число.

при любом простом целом a (a>1), не равном p-ой степени другого целого, представляет собой алгебраическое число степени p. Действительно это число есть корень неприводимого над полем рациональных чисел многочлена.

xp-a=0

Если z – алгебраическое число степени n и f(x) – минимальный многочлен для z, то все корни z1, z2, … zn уравнения f(x)=0, отличные от z, называют сопряженным с z.

Один из корней совпадает с z, будем ставить его на первое место, т.е. z=z1.

2.3. Поле алгебраических чисел

Теорема 4: Множество всех действительных алгебраических чисел представляет собой поле, т.е. сумма, разность, произведение и частное двух алгебраических чисел a и b (для частного при b¹0) являются алгебраическими числами.

Доказательство:

Пусть a - корень многочлена f(x) степени n с целыми коэффициентами, корни которого a1, a2, … ,an, a и b - корень многочлена j(x) степени m с целыми коэффициентами, корни которого b1, b2, … bm (b=b1). Рассмотрим многочлен:

F(x)=

(x-(ai+bi))=

= (x-a1-b1) (x-a1-b2) … (x-a1-bm)

(x-a2-b1) (x-a2-b2) … (x-a2-bm)

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

(x-an-b1) (x-an-b2) … (x-an-bm) (2)

Если в этом произведении сделать какую угодно подстановку величин a1, a2, … ,an, то некоторые строки переставляется местами, но произведение в целом не изменится. Это значит, что F(x) – симметрический многочлен по отношению b1, b2, … bm. В целом F(x) – симметрический многочлен от двух систем аргументов: a1, a2, … ,an и b1, b2, … bm.

Согласно известным теоремам о симметрических многочленах, коэффициенты многочлена F(x) могут быть выражены рационально через элементарные симметрические функции от a1, a2, … ,an и b1, b2, … bm, т.е. через целые коэффициенты, f(x) и j(x). Это значит, что коэффициенты F(x) рациональны, и, следовательно, число a+b=a1+b1, являющегося, как это непосредственно видно из формулы (2), корнем F(x), есть алгебраическое число.

Для доказательства того, что произведение двух алгебраических чисел a и b есть алгебраическое число, достаточно, аналогично тому, как это было только что сделано для многочлена (2), рассмотреть многочлен:

F(x)=

(x-aibi) (3)

Этот многочлен имеет в качестве одного из своих корней a1b1=ab.

Пусть b - корень многочлена j(x)=b0xn+ b1xn-1+ … bn, (bi – целые числа). Тогда -b является корнем многочлена с целыми коэффициентами.

j(-x)=(-1)nb0xn+(-1)n-1b1xn-1+ … bn, а при b¹0 корень многочлена xnj(

)=b0+b1x+ … bnxn. Таким образом, вместе с b алгебраическими числами являются -b и .

Разность может быть представлена в виде a+(-b), т.е. в виде суммы двух алгебраических чисел. При b¹0 частное

, являясь произведением двух алгебраических чисел, представляет собой так же алгебраическое число.

Если степени алгебраических чисел a и b равны m и n, то, взяв в качестве f(x) и j(x) соответствующие минимальные многочлены будем в (2) и (3) иметь многочлены степени mn, и ab алгебраические числа степени, не большей, чем mn. Многочлены j(x), j(-x), и xn

одинаковой степени, а, следовательно, b, -b, - алгебраические числа одной и той же степени, откуда следует, что и a-b и имеют степени не больше, чем mn. Теорема доказана.

Пример:

1)

и алгебраические числа 2-й степени, а - алгебраическое число 4 степени. Действительно, если a= , то a2=5+ , 24-10a2+1=0, т.е. a корень многочлена f(x)=x4-10x2+1 с целыми коэффициентами, и f(x)=(x- )(x- )(x+ )(x+ ) (4)

Из теоремы единственности над полем рациональных чисел множители f(x) должны являться произведением каких-то множителей правой части равенства (4). Легко видеть, что из этих множителей нельзя составить многочлен с рациональными коэффициентами степени меньшей, чем 4, т.е. f(x) – неприводимый над полем рациональных чисел многочлен, а, следовательно, согласно теореме 3,

- алгебраическое число 4-й степени.

2) a=

и b= , как легко видеть, это алгебраические числа 6-й степени, а произведение ab= - алгебраическое число 3-й степени.

III. Рациональные приближения алгебраических чисел.

3.1. Теорема Лиувилля.

Алгебраические числа не могут иметь слишком хороших рациональных приближений: погрешность при замене алгебраического числа рациональной дробью не может быть достаточно мала по порядку в сравнении с величиной, обратной знаменателю рациональной дроби.

Для алгебраического числа 1-й степени существует постоянная c>0, такая, что для любой рациональной дроби

, отличной от a, будет выполняться неравенство:

(5)

Для алгебраического числа 2-й степени можно подобрать c>0, такое, что для любой рациональной дроби, будет иметь место неравенство:

(6)

В 1844 г., французским математиком Лиувиллем, впервые была доказана общая теорема:

Теорема 5: Для любого действительного алгебраического числа a степени n можно подобрать положительноеc, зависящее только от a, такое, что для всех рациональных чисел

( ¹a) будет иметь место неравенство:

(7)

Доказательство:

Пусть f(x)=A0xn+ A1xn-1+An неприводимый многочлен с целыми коэффициентами, корнем которого является a. В качестве f(x) можно, например, взять многочлен, получающийся из минимального для a многочлена после умножения всех коэффициентов на наименьшее кратное их знаменателей.

Согласно теореме Безу, имеем:

f(x)=(x-a)g(x), (8)

где g(x) – многочлен с действительными коэффициентами.

Возьмем произвольное d>0. |g(x)| - непрерывная, а следовательно, ограниченная функция от x в сегменте [a-d; a+d], т.е. существует положительное число M, такое, что |g(x)|£M, для всех x из этого сегмента. Обозначим через c=min

, так, что и .