Основная теорема алгебры (стр. 2 из 4)

Соответствующая подпоследовательность комплексных чисел имеет сходящиеся последовательности вещественных и мнимых частей и, следовательно, сходятся, и ее предел равен

.

4. Доказательство основной теоремы

Прежде чем приступить к формальному доказательству, наметим его идею. Пусть

-полином, рассматриваемый как функция от комплексной переменной .Представим себе "график" функции , считая , что значения изображаются на горизонтальной плоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа, а значения откладываются вверх в направлении оси . Мы установим, что являются непрерывными функциями от на всей плоскости комплексной переменной. Функция от комплексной переменной называется непрерывной в точке , если достаточно близким к значениями соответствует сколь угодно близкие к значения .В более точных терминах - для любого найдется такое , что , как только .

Непрерывность

дает основания представлять себе график в виде непрерывной поверхности, накрывающей плоскость , и местами доходящей до этой плоскости. Собственно говоря, нам и нужно доказать, что существует такое значение , в котором , и, тем самым, , т.е. что поверхность доходит до плоскости в точке . Мы докажем, что если дана точка на поверхности ,которая расположена выше плоскости , то в ее окрестности найдется точка поверхности расположенная ниже данной точки. Тогда останется только доказать, что на поверхности существует самая низкая точка, скажем, при . Она не может находиться выше плоскости , ибо тогда она была бы самой низкой точкой. Следовательно, и , следовательно , т.е. корень полинома .

Теперь приступим к доказательству основной теоремы, разбив это доказательство на цепочку лемм.

Лемма 1. Дан полином

c нулевым свободным членом.

Тогда для любого

найдется такое , что , как только .

Доказательство: Пусть

. Тогда

Положим

Если

то

что и требовалось доказать.

Лемма 2. Полином есть непрерывная функция во всех точках плоскости комплексной переменной.

Доказательство: Пусть дан полином

и точка _. Расположим полином по степеням

,

Тогда

так что

Правая часть есть полином от

с нулевым свободным членом.

По лемме 1 для любого

найдется такое , что как только что и требовалось доказать.

Лемма 3. Модуль полинома есть непрерывная функция.

Доказательство: Из неравенства

следует, что для данного то , которое "обслуживает" , подходит и для . Действительно, при имеем

Лемма 4. (о возрастании модуля полинома). Если

-полином, отличный от константы, то для любого М>0 существует такое R>0, что M,как только .

Это означает, что любая горизонтальная плоскость

отрезает от поверхности конечный кусок, накрывающий часть круга |z|≤R.

Доказательство: Пусть

где

полином от c нулевым свободным членом.

В силу леммы 1 для

найдется такое , что при , будет . Модуль может быть сделан сколь угодно большим, именно, при будет . Возьмем Тогда при будет