Кіріспе
Математикалық өрнектің түрі, пәннің элементарлық емес аспектілері. Математикада көпмүше – бұл анықталмағандар (немесе айнымалылар) және коэффициенттерден тұратын математикалық өрнек, ол тек қосу, алу, көбейту және айнымалылардың оң бүтін дәрежелерін қамтиды. Бір айнымалы x-тің көпмүшесіне мысал: x^(2) − 4x + 7. Үш айнымалысы бар мысал: x^(3) + 2xyz^(2) − yz + 1. Көпмүшелер математика мен ғылымның көптеген салаларында кездеседі. Мысалы, олар элементарлық есептерден бастап күрделі ғылыми мәселелерге дейінгі кең ауқымдағы мәселелерді сипаттайтын көпмүшелік теңдеулер құру үшін қолданылады; олар химия мен физиканың негізгі салаларынан экономика мен әлеуметтік ғылымдарға дейінгі жағдайларда қолданылатын көпмүшелік функцияларды анықтау үшін қолданылады; сондай-ақ, олар басқа функцияларды жуықтау үшін есептеу және сандық талдауда қолданылады. Жоғары математикада көпмүшелер көпмүшелік сақиналар мен алгебралық сорттарды құру үшін қолданылады, олар алгебра мен алгебралық геометрияның негізгі ұғымдары болып табылады.
less elementary aspects of the subject
In mathematics, a polynomial is a mathematical expression consisting of indeterminates (also called variables) and coefficients, that involves only the operations of addition, subtraction, multiplication, and positive integer powers of variables. An example of a polynomial of a single indeterminate x is x^(2) − 4x + 7. An example with three indeterminates is x^(3) + 2xyz^(2) − yz + 1. Polynomials appear in many areas of mathematics and science. For example, they are used to form polynomial equations, which encode a wide range of problems, from elementary word problems to complicated scientific problems; they are used to define polynomial functions, which appear in settings ranging from basic chemistry and physics to economics and social science; and they are used in calculus and numerical analysis to approximate other functions. In advanced mathematics, polynomials are used to construct polynomial rings and algebraic varieties, which are central concepts in algebra and algebraic geometry.
Этимология
Көптамалық сөзі екі әртүрлі түбірден құралған: грек тіліндегі "поли" – "көп" деген мағынаны білдіреді, ал латын тіліндегі "номен" – "атау". Бұл сөз биномдық терминінен алынған, онда латын түбірі "би" грек тіліндегі "поли" түбірімен ауыстырылған. Яғни, көптамалық – көптеген мүшелердің (көптеген мономдардың) қосындысы. Көптамалық сөзі алғаш рет 17 ғасырда қолданылған.
Жазу және терминология
Көптамада кездесетін x әдетте өзгермелі немесе белгісіз деп аталады. Көптаманы өрнек ретінде қарастырғанда, x – мәні жоқ (оның мәні «белгісіз») тұрақты символ. Алайда, көптама арқылы анықталған функцияны қарастырғанда, x функцияның аргументін білдіреді, сондықтан оны «өзгермелі» деп атайды. Көптеген авторлар бұл екі сөзді мағынасы бірдей қолданады. Белгісіз x-тегі көпмүше P әдетте P немесе P(x деп белгіленеді. Формальды түрде, көпмүшенің атауы P, ал емес P(x), бірақ P(x) функционалдық жазбасы көпмүше мен оған байланысты функция арасындағы айырмашылықтың анық емес болған кезеңнен бастау алады. Сонымен қатар, функционалдық жазба көбінесе бір сөйлемде көпмүшені және оның белгісізін анықтауға ыңғайлы. Мысалы, «P(x) көпмүше болсын» дегені «P белгісіз x-тегі көпмүше болсын» дегеннің қысқартылған түрі. Екінші жағынан, белгісіздің атын атап көрсету қажет болмағанда, көптеген формулалар, егер белгісіздің атауы(лары) көпмүшенің әр кездесуінде көрсетілмесе, түсініктірек және оңай оқылады. Бір математикалық объектіні белгілеу үшін екі түрлі жазбаның болуының күмәнділігін функциялық жазбаның көпмүшелер үшін жалпы мағынасын қарастыру арқылы формальды түрде шешуге болады. Егер a санды, өзгермеліні, басқа көпмүшені немесе, жалпы алғанда, кез келген өрнекті білдірсе, онда P(a) P-дегі x-ті a-мен алмастыру нәтижесін білдіреді. Осылайша, көпмүше P функцияны анықтайды, ол P-ге байланысты полиномиалдық функция. Көбінесе, осы жазбаны қолданғанда, a сан деп есептеледі. Алайда, оны қосу және көбейту анықталған кез келген доменде қолдануға болады (яғни, кез келген сақинада). Атап айтқанда, егер a көпмүше болса, онда P(a) да көпмүше болады. Нақтырақ айтқанда, егер a белгісіз x болса, онда осы функция бойынша x-тің бейнесі – өзінің P көпмүшесі (x-ті x-пен алмастыру ештеңені өзгерте алмайды). Басқаша айтқанда, бұл бір көпмүше үшін екі жазбаның болуын формальды түрде негіздейді.
which is the polynomial function associated to P.
Frequently, when using this notation, one supposes that a is a number. However, one may use it over any domain where addition and multiplication are defined (that is, any ring). In particular, if a is a polynomial then P(a) is also a polynomial. More specifically, when a is the indeterminate x, then the image of x by this function is the polynomial P itself (substituting x for x does not change anything). In other words,
which justifies formally the existence of two notations for the same polynomial.
Теңдеулерді шешу
Нөлден өзге біркелкі көптіктің түбірі — x-тің a мәні, яғни P түбірі — көптік теңдеудің шешімі немесе P арқылы анықталатын көптік функцияның нөлі. Нөлдік көптік жағдайында кез келген сан тиісті функцияның нөлі болып табылады, ал түбір ұғымы сирек қарастырылады. A саны, егер және тек егер сызықтық көпмүше x − a, P-ді бөлетін болса, яғни P = (x − a)Q сияқты басқа Q көпмүшесі болса, онда P көпмүшесінің түбірі болып табылады. Осы жағдайда a — P-нің бірнеше түбірі, ал басқа жағдайда a — P-нің қарапайым түбірі. Егер P нөлден өзге көпмүше болса, онда ең жоғары m дәрежесі бар, сондықтан (x − a)^m, P-ді бөледі, және бұл a-ның көбейткіштік дәрежесі деп аталады. Нөлден өзге көпмүше P-нің түбірлері, олардың көбейткіштік дәрежелерімен есептелгенде, P-нің дәрежесінен аспайды және барлық кешенді түбірлер ескерілгенде, дәрежесіне тең болады (бұл алгебраның негізгі теоремасының салдары). Көпмүшенің коэффициенттері мен оның түбірлері Виет формулаларымен байланысты. Кейбір көпмүшелер, мысалы x^(2) + 1, нақты сандар арасында түбірлері жоқ. Алайда, егер қабылданған шешімдер жиынтығы кешенді сандарға кеңейтілсе, онда әрбір тұрақты емес көпмүшенің кем дегенде бір түбірі болады; бұл алгебраның негізгі теоремасы. x − a көбейткіштерін бірізді түрде бөлу арқылы, кез келген кешенді коэффициенттері бар көпмүше санды тұрақты (оның жетекші коэффициенті) еселі 1-дәрежелі көпмүшелердің көбейтіндісі ретінде жазуға болады; нәтижесінде, олардың көбейткіштік дәрежелерімен есептелген түбірлердің саны көпмүшенің дәрежесіне тең. "Теңдеуді шешу" деген сөздің бірнеше мағынасы болуы мүмкін. Шешімдерді нақты сандар ретінде көрсеткісі келуі мүмкін; мысалы, 2x − 1 = 0 теңдеуінің бірегей шешімі 1/2 болып табылады. Бұл, әдетте, бірден жоғары дәрежелі теңдеулер үшін мүмкін емес, және ежелгі заманнан бері математиктер шешімдерді алгебралық өрнектер ретінде көрсетуге тырысқан; мысалы, алтын қатынас — оң шешім. Ежелгі заманда олар бір және екі дәрежеде ғана сәтті болды. Квадраттық теңдеулер үшін квадраттық формула шешімдердің осындай өрнектерін береді. 16-шы ғасырдан бастап, ұқсас формулалар (шаршы түбірлерден басқа кубтық түбірлерді қолдану), әлдеқайда күрделі болса да, үш және төртінші дәрежелі теңдеулер үшін белгілі (кубтық теңдеу мен төртінші дәрежелі теңдеуді қараңыз). Бірақ 5-ші және одан жоғары дәрежедегі формулалар ғасырлар бойы зерттеушілерге түсініксіз болды. 1824 жылы Нильс Хенрик Абель 5-ші дәрежелі теңдеулердің бар екенін дәлелдеді, олардың шешімдері тек арифметикалық амалдар мен түбірлерді қамтитын (соңғы) формуламен көрсетілмейді (Абел-Руффини теоремасын қараңыз). 1830 жылы Эварист Галуа төртінші дәрежеден жоғары теңдеулердің көпшілігін түбірлер арқылы шешу мүмкін емес екенін дәлелдеді және әрбір теңдеу үшін оның түбірлермен шешілетін-шегілмейтінін және егер ол болса, оны шешуге болатынын көрсетті. Бұл нәтиже қазіргі заманғы алгебраның екі маңызды саласы — Галуа теориясы мен топтар теориясының басталуын білдірді. Галуаның өзі оның әдісімен жасалған есептеулер іс жүзінде жүзеге аспайтынын атап өтті. Дегенмен, 5 және 6 дәрежелі шешілетін теңдеулердің формулалары жарияланды (квинтикалық функция мен секстикалық теңдеуді қараңыз). Тамырлар үшін алгебралық өрнегі болмаған кезде және мұндай алгебралық өрнегі бар, бірақ пайдалы болуы өте күрделі болған кезде оны шешудің бірегей жолы — шешімдердің сандық шамаларын есептеу. Бұл үшін көптеген әдістер бар; кейбіреулері көпмүшелерге ғана шектелген, ал басқалары кез келген үздіксіз функцияға қолданылуы мүмкін. Ең тиімді алгоритмдер 1000-нан жоғары дәрежедегі көпмүшелік теңдеулерді оңай (компьютерде) шешуге мүмкіндік береді (түбір табу алгоритмін қараңыз). Бірден көп белгісізі бар көпмүше үшін көпмүше функциясы нөл мәнін алатын айнымалылар үшін мәндердің комбинациялары әдетте "түбірлер" орнына нөлдер деп аталады. Көпмүшелердің нөлдер жиынтығын зерттеу алгебралық геометрияның пәні болып табылады. Бірнеше белгісізі бар көпмүшелік теңдеулер жиынтығы үшін олардың кешенді шешімдерінің шекті саны бар ма, жоқ па, және егер бұл сан шекті болса, шешімдерді есептеу үшін алгоритмдер бар. Көпмүшелік теңдеулер жүйесін қараңыз. Барлық көпмүшелер бірінші дәрежелі болатын ерекше жағдай сызықтық теңдеулер жүйесі деп аталады, ол үшін классикалық Гаусс жоюын қоса алғанда, басқа да әр түрлі шешімдер әдістері бар. Тек бүтін сандар шешімдеріне қызығушылық танытатын көпмүшелік теңдеу Диофантикалық теңдеу деп аталады. Диофантикалық теңдеулерді шешу әдетте өте қиын міндет. Олардың шешімдер жиыны бос екенін анықтауға және оларды шешуге арналған жалпы алгоритмнің жоқ екені дәлелденді (Гильберттің оныншы мәселесін қараңыз). Соңғы елу жылда шешілген ең танымал мәселелердің кейбіреуі Диофантикалық теңдеулерге қатысты, мысалы Ферманың соңғы теоремасы.
Көптамалық өрнектер
Кейбір математикалық объектілердің орнына белгісіздер қойылған полиномдар жиі қарастырылады және кейде олардың жеке атауы болады.
Тригонометриялық көптіктер
Тригонометриялық көпмүше – sin(nx) және cos(nx) функцияларының шекті сызықтық комбинациясы, мұнда n бір немесе бірнеше натурал сан мәнін қабылдайды. Коэффициенттер нақты сандар ретінде қарастырылуы мүмкін, нақты мәнді функциялар үшін. Егер sin(nx) және cos(nx) функциялары sin(x) және cos(x) арқылы кеңейтілсе, тригонометриялық көпмүше sin(x) және cos(x) екі айнымалысы бойынша көпмүшеге айналады (тригонометриялық өрнектер тізімі#Көпбұрыштың формулаларын қолдану арқылы). Керісінше, sin(x) және cos(x) арқылы берілген кез келген көпмүше, көбейтінділерді қосындыға айналдыру формулаларын қолдану арқылы sin(nx) және cos(nx) функцияларының сызықтық комбинациясына түрлендіріледі. Осы теңдестік сызықтық комбинациялардың көпмүше деп аталуын түсіндіреді. Кешенді коэффициенттер үшін мұндай функция мен шекті Фурье қатары арасында ешқандай айырмашылық жоқ. Тригонометриялық көпмүшелер кеңінен қолданылады, мысалы, периодты функцияларды интерполяциялауға қолданылатын тригонометриялық интерполяцияда. Олар дискретті Фурье түрлендіруінде де қолданылады.
Экспоненциалдық көптіктер
Бірінші айнымалының экспоненциалдық функциясына екінші айнымалыны қойып шешетін екіайнымалы көпмүше, мысалы P(x, e^(x)), экспоненциалдық көпмүше деп аталуы мүмкін.
Рационалдық функциялар
Рационалды бөлшек – екі полиномның бөліндісі (алгебралық бөлшек). Кез келген алгебралық өрнек, оны рационалды бөлшек түрінде жазуға болады, рационалды функция деп аталады. Полиномдық функциялар айнымалылардың барлық мәндері үшін анықталған болса, рационалды функция тек қана атауышы нөлге тең болмайтын айнымалылардың мәндері үшін ғана анықталады. Рационалды бөлшектерге Лоран полиномдары кіреді, бірақ атаушыларды белгісіздің дәрежелерімен шектемейді.
Лорант көптіктері
Лоран полиномиалдары полиномиалдарға ұқсас, бірақ айнымалы(лар)дың теріс дәрежелеріне мүмкіндік береді.
Қуат сериясы
Формальді қуат тізбектері көпмүшелерге ұқсас, бірақ нөлдік емес мүшелердің шексіз көп болуына мүмкіндік береді, сондықтан олардың шекті дәрежесі жоқ. Көпмүшелерден айырмашылығы, оларды әдетте толық жазу мүмкін емес (иррационал сандар сияқты), бірақ олардың мүшелерін өңдеу ережелері көпмүшелер үшін қолданылатындай. Формальді емес қуат тізбектері де көпмүшелерді жалпылайды, бірақ екі қуат тізбегінің көбейтіндісі жинақталмауы мүмкін.