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8.3 有理函數、部分分式與 Vieta 公式

把有理函數分解成較簡單的分式,連繫根與係數,並用 Vieta 公式處理三角多項式問題。

為甚麼本章最後部分重要

多項式除法與 gcd 並不是孤立技巧。它們支撐兩個在後續數學中經常出現的工具: 部分分式分解,以及根與係數之間的 Vieta 公式。前者需要除法算法、因式分解與互質; 後者需要多項式在 CC 上的根分解。

有理函數與多項式部分

定義

有理函數

有理函數是

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] 且 q(x)≠0q(x)\ne0。

部分分式的第一步是先分離多項式部分。若 deg⁡p≥deg⁡q\deg p\ge\deg q,除法算法給出

p(x)=q(x)b(x)+r(x),deg⁡r<deg⁡q.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)。

分拆互質的分母因式

假設 q(x)=q1(x)q2(x)q(x)=q_1(x)q_2(x) 且 gcd⁡(q1,q2)=1\gcd(q_1,q_2)=1。Bézout 恆等式給出 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) 並除以 q1q2q_1q_2,可把 r/qr/q 分拆成分母為 q1q_1 與 q2q_2 的兩項; 再用除法算法把分子次數降到小於相應分母。這就是部分分式分解能成立的結構原因。

定理

R 上的部分分式形狀

若分母可分解為

K∏i(x−ai)mi∏j(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 上不可約,則每個有理函數可唯一寫成一個多項式加上以下形狀的項:

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

重複一次因式需要每個冪次一個常數分子:

A(x)(x−a)m=k1x−a+k2(x−a)2+⋯+km(x−a)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}.

重複不可約二次因式則需要一次分子:

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}.

例題

建立一個部分分式分解

分解

x4+2x+42x3−4x2+3x−6.\frac{x^4+2x+4}{2x^3-4x^2+3x-6}.

先做除法:

x4+2x+42x3−4x2+3x−6=12x+1+52x2+2x+10(2x2+3)(x−2).\frac{x^4+2x+4}{2x^3-4x^2+3x-6} =\frac12x+1+ \frac{\frac52x^2+2x+10}{(2x^2+3)(x-2)}.

再設

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

比較係數得

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

所以

x4+2x+42x3−4x2+3x−6=12x+1−41x+3822(2x2+3)+2411(x−2).\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(2x−1)(2x+1)(2x+3)=116(2x−1)+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 並從 k=1k=1 加到 n,中間許多項會抵消,留下

∑k=1nk(2k−1)(2k+1)(2k+3)=116(2−12n+1−32n+3).\sum_{k=1}^{n} \frac{k}{(2k-1)(2k+1)(2k+3)} =\frac1{16}\left(2-\frac1{2n+1}-\frac3{2n+3}\right).

方法上的重點是:先分解,再檢查平移後的分母能否抵消。

Vieta 公式

設

p(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0∈C[x],an≠0.p(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0\in C[x], \qquad a_n\ne0.

由代數基本定理,

p(x)=an(x−α1)(x−α2)⋯(x−αn),p(x)=a_n(x-\alpha_1)(x-\alpha_2)\cdots(x-\alpha_n),

其中根按重數計算。

定理

Vieta 公式

對 j=1,2,…,nj=1,2,\ldots,n,

∑1≤i1<⋯<ij≤nαi1αi2⋯αij=(−1)jan−jan.\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}.

對三次多項式 a3x3+a2x2+a1x+a0a_3x^3+a_2x^2+a_1x+a_0,若根為 α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3,則

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}.

例題

三次方程根的冪和

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

S2=(α1+α2+α3)2−2(α1α2+α1α3+α2α3)=a22−2a1a3a32.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+3a1a2a3−3a0a32a33.S_3= \frac{-a_2^3+3a_1a_2a_3-3a_0a_3^2}{a_3^3}.

可選:Lagrange 插值觀點

若

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

的 xix_i 兩兩不同,則存在唯一一個次數至多 n 的多項式通過這 n+1n+1 個點。 令

Li(x)=∏j≠ix−xjxi−xj.L_i(x)=\prod_{j\ne i}\frac{x-x_j}{x_i-x_j}.

則 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)

具有所需函數值。唯一性來自根數上界:兩個候選多項式的差至多 n 次,但有 n+1n+1 個根,只能是零。

證明思路

部分分式分解不是一張需要硬背的模板表。模板其實是三個較早事實的合成。第一, 除法算法先分離多項式部分;若分式不是 proper,就先寫成一個多項式加上一個餘式分式。 第二,互質分母因式可由 Bézout 恆等式分拆。若 q=q1q2q=q_1q_2 且 gcd⁡(q1,q2)=1\gcd(q_1,q_2)=1, 就有 aq1+bq2=1a q_1+b q_2=1;乘上分子並除以 q,便把分式分成分母為 q1q_1 與 q2q_2 的兩項。第三,重複冪次可用除法逐層剝開。在 (x−a)m(x-a)^m 上方,餘式是常數;在不可約 二次因式上方,餘式是一次式 rx+srx+s。

Vieta 公式的證明則來自代數基本定理。當 p(x)=an∏i=1n(x−αi)p(x)=a_n\prod_{i=1}^{n}(x-\alpha_i) 成立時,展開後每個係數都是根的基本對稱和。 比較係數便得到公式。因此 Vieta 最適合處理根的對稱式;若表達式看起來不是對稱式, 通常要先把它改寫。

例題

先讀出部分分式形狀

在 RR 上,寫出

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

的正確部分分式形狀。

x2x^2 是重複一次因式,所以貢獻

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

x2+1x^2+1 是 RR 上不可約二次因式,而且重複到二次方,所以貢獻

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

完整形狀是

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}.

這一步只是在建立形狀,尚未求 A,B,C,D,E,F。若形狀漏了某個冪次或分子次數不對, 後面的係數比較就會失去意義。

例題

在正切綜合題中使用 Vieta

Exercise 8.3 把

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

化為 x3−33x2+27x−3=0x^3-33x^2+27x-3=0 的三個根。設它們為 α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3。 Vieta 公式給出根和為 33,兩兩乘積和為 27,三根乘積為 3。因為三個正切值 都是正數,所以正切乘積是正的平方根:

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

若要求六次冪和,則把 α13+α23+α33\alpha_1^3+\alpha_2^3+\alpha_3^3 改寫成

(α1+α2+α3)3−3(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 333−3(33)(27)+3(3)=3327333^3-3(33)(27)+3(3)=33273。

常見錯誤

常見錯誤

漏掉重複分母的冪次

對 (x−2)4(x-2)^4 這種重複因式,只寫一項分母 (x−2)4(x-2)^4 不夠。必須包含從一次到四次的 所有冪次。

常見錯誤

在不可約二次因式上只放常數分子

在 RR 上,x2+1x^2+1 上方的分子次數要小於 2,所以一般分子是 Ax+BAx+B,不是只放 一個常數。

常見錯誤

把 Vieta 直接套到非對稱式

Vieta 給的是根的對稱和,不是每個根的個別值。處理冪和或三角乘積前,通常要先把 目標改寫成對稱和。

總結

本節把前兩節的多項式工具串起來。除法分離多項式部分與 proper rational part; Bézout 恆等式與互質解釋為何不同分母因式可以分拆;重複冪次決定部分分式項的數量; Vieta 公式則把複數根分解式與係數形式比較,讓我們不用逐一求根也能計算根的和與積。

練習閱讀指南

做部分分式時,先決定形狀,再求係數。這可避免兩種常見錯誤:漏掉重複冪次,或在 不可約二次因式上方只放常數分子。重複一次因式 (x−a)m(x-a)^m 需要從一次到 m 次的所有 分母冪次;重複不可約二次因式則每一層都要放一次分子。形狀正確後,才清分母並比較 係數。

比較係數時,要按 x 的冪次整理。清分母後,把右邊完全展開,分別比較最高次項、 二次項、一次項與常數項。表面上這是有理函數題,實際上求未知係數時就是一個線性方程 組。若先把每一個冪次的係數寫清楚,計算會穩定很多。

telescoping sum 要等到分式分解後才會顯現。原本的有理式通常看不出會抵消;分解成 平移的簡單分式後,寫出前幾項與後幾項,就能看到中間項如何消去,以及留下哪些邊界 項。

做 Vieta 題時,先命名根,再列出 Vieta 給出的基本對稱和。三次式中,通常是根和、 兩兩乘積和、三根乘積。若目標是冪和,就把冪和改寫成這些對稱和;若像正切題那樣牽涉 平方後再開根,則要另外判斷符號。可選的 Lagrange 插值則提醒我們:足夠多的函數值 可以唯一決定低次多項式,這正是根數上界的另一種用法。

最後,每次分解或套用 Vieta 後都要說清楚自己證明了甚麼。部分分式等式只在原分母 非零處表示同一有理函數;Vieta 關係則是關於按重數計算的根。把這些條件保留在文字中, 才能避免公式被拿到不適用的地方。

快速檢查

快速檢查

為甚麼做部分分式前要先把 p(x) 除以 q(x)?

檢查剩下分式所需的次數條件。

解答

答案

快速檢查

在 x2+1x^2+1 這種不可約二次因式上方,分子應該是甚麼形狀?

使用分子次數規則。

解答

答案

快速檢查

對 x3−33x2+27x−3x^3-33x^2+27x-3,三個根的乘積是多少?

使用三次 Vieta 公式。

解答

答案

Exercises

  1. 寫出 5/(x2+x−6)5/(x^2+x-6) 的正確部分分式形狀。
  2. 寫出 (2x2+1)/(x2(x2+1)2)(2x^2+1)/(x^2(x^2+1)^2) 的正確部分分式形狀。
  3. 將 x/((2x−1)(2x+1)(2x+3))x/((2x-1)(2x+1)(2x+3)) 分解成部分分式。
  4. 用第 3 題結果計算 ∑k=1nk/((2k−1)(2k+1)(2k+3))\sum_{k=1}^n k/((2k-1)(2k+1)(2k+3))。
  5. 若 α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3 是 x3−33x2+27x−3x^3-33x^2+27x-3 的根,計算 根的和、兩兩乘積和,以及三根乘積。
  6. 投影片 Exercise 8.3 中,若 tan⁡2(π/9)\tan^2(\pi/9)、tan⁡2(2π/9)\tan^2(2\pi/9)、tan⁡2(4π/9)\tan^2(4\pi/9) 是 x3−33x2+27x−3x^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

引導解答

本節掌握 checkpoint

要完成這一節 checkpoint,需要把每一題答對。 答對進度: 0%.

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

在 RR 上,(2x2+1)/(x2(x2+1)2)(2x^2+1)/(x^2(x^2+1)^2) 的正確部分分式形狀是哪一個?

已用嘗試次數: 0

剩餘嘗試次數: 不限嘗試次數

預覽不會消耗嘗試次數。

提交會記錄一次正式評分嘗試。

  • 把 x2x^2 分成 x 與 x2x^2;對 (x2+1)2(x^2+1)^2 放兩個一次分子。

技能點: polynomials, vieta, roots-coefficients

設 α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3 是 x3−33x2+27x−3=0x^3-33x^2+27x-3=0 的根。填上 α1α2α3=□\alpha_1\alpha_2\alpha_3=\square。

已用嘗試次數: 0

剩餘嘗試次數: 不限嘗試次數

預覽不會消耗嘗試次數。

提交會記錄一次正式評分嘗試。

輸入格式提示: 請輸入三根乘積。

  • 請輸入一個整數。

本單元重點詞彙

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