Polinomi

De Viquipèdia

Un polinomi és una expressió algebraica formada per la suma de diversos monomis, anomenats termes del polinomi. El cas concret d'un polinomi amb dos termes s'anomena binomi.

Són polinomis:

Existeixen certs criteris a l'hora de representar un polinomi, tot i que no són normes d'aplicació obligatòria:

• Quan dos termes dins d'un polinomi és poden sumar, llavors s'utilitza el polinomi resultant de sumar aquests termes. Per exemple:

Si el polinomi és: x² + 4x − 3x + 4, llavors és millor utilitzar x² + x + 4

• Si els factors dels monomis que es sumen es repeteixen, sempre s'escriuen en el mateix ordre:

Si el polinomi és: x²y + 4yx − 3x + 4xy², llavors és millor utilitzar yx² + 4y²x + 4yx − 3x

• Els termes s'ordenen segons el grau de l'últim factor dels termes, en ordre decreixent.

Si el polinomi és: 3x⁵ + 7 + 4x² − 6x, llavors és millor utilitzar 3x⁵ + 4x² − 6x + 7

Un polinomi pot ser una expressió com 2x³ - 5x² + 6x -1 una suma de potencies enteres (en el exemple: 3, 2, 1 i 0) d’un nombre (x) multiplicades per uns coeficients (en el exemple: 2, -5, 6 i -1). La notació ordinària pels enters els representa com a polinomis amb potències de 10: per exemple, 365 = 3(10²) + 6 * (10¹) + 5 * (10⁰) = 3 * (100) + 6 * (10) + 5 * (1) Si el nombre x a 2x³ - 5x² + 6x -1 no s’especifica, però s’imagina capaç de prendre valors d’un conjunt de valors, s’anomena variable, i la fórmula 2x³ - 5x² + 6x -1 determina una funció, de la qual el seu “domini” es el conjunt de valors que x pot prendre. Aquesta mena de funcions s’anomenen funcions polinòmiques o, breument, simplement polinomi; generalment el domini d’un polinomi és suposa que tracte de tots els nombres reals o bé tots els nombres complexes. El grau d’un polinomi és l'exponent (potència) més elevat de la variable x; per exemple, 2x³ - 5x² + 6x -1 és de grau 3. Un nombre aïllat, considerat com el representant d’una funció constant, és un polinomi de grau zero (excepte que el nombre 0, com a polinomi, no se l’hi atribueix cap grau). Els polinomis de grau 1, 2, 3, 4 són anomenats lineals, quadràtics, cúbics, biquadràtics, respectivament.

Tots els polinomis tenen una forma expandida, a on s’empra la regla distributiva per a suprimir tots els parèntesis; per exemple: x²-2x+1. (Alguns polinomis també tenen la forma de factors, per exemple (x-1)*(x-1), a on apareixen els parèntesis). A la forma expandida, un terme (per exemple -2x) del polinomi és una part del polinomi que és el producte d’un nombre anomenat coeficient (al terme -2x, el coeficient es -2) i zero o més variables, i a on una variable que apareix més d’una vegada s’expressa una vegada amb un exponent (per exemple, tot i que son el mateix, en lloc de escriure x*x-2x+1, hom escriu x²-2x+1 on l'exponent de x² es 2). Cada polinomi en forma expandida és la suma d’uns termes, on la resta es fa mitjançant la suma de termes amb coeficients negatius.

Els polinomis és classifiquen pel seu grau i nombre de variables. El grau d’un terme en un polinomi és la suma de tots els exponents de les variables del terme, on una variable sense exponent s’entén que té exponent 1 (per exemple, el terme 7x³y² és de grau 3+2=5 i el terme -5x²y és de grau 2+1=3). En particular, un terme sense variables té grau zero. El grau d’un polinomi coincideix amb el grau major de tots els termes del polinomi, sense tenir en compte els termes amb coeficient zero. Així a x²-2x+1 el terme x² té grau 2 i és el major grau dels tres termes del polinomi, per tant també el grau del polinomi és 2. Si tots els termes del polinomi tenen coeficients zero, llavors el grau del polinomi no es zero, sinó que es indefinit, o en alguns contexts es diu que té un altre valor (com ara −∞).

Exemple: és equivalent a la forma expandida: A aquesta forma expandida, el segon terme és −3xy i el seu grau és 2. El polinomi és de segon grau amb tres variables (x, y i z). Si donem valors a les variables, per exemple, x = 10, y = 5, z = 100 llavors l'avaluació del polinomi es 250 (ja que 3*(10)^2 – 3*(10)*(5) + (100) = 250).

Tot polinomi de una variable és equivalent a un polinomi de la forma: .

Aquesta darrera forma s’usa de vegades com a definició per a un polinomi d'una variable.

L’avaluació d’un polinomi consisteix a assignar un nombre a cada variable i efectuar les operacions indicades (en el exemple anterior hem assignat valors a x, y, z, i hem vist que l’avaluació ens donava 250). De vegades, per a polinomis d’una variable, l’avaluació és fa emprant el esquema de Horner: .

Una equació polinòmica és una equació a on s’iguala un polinomi a zero o a un altre polinomi. En el segon cas, l’equació hom la converteix a la primera sense més que sostraure al primer polinomi el segon. Quan hom té un polinomi igualat a zero, el grau de la equació és el grau del polinomi. Les variables sovint són anomenades "incògnites", en el sentit de que l’equació és un problema encara desconegut fins a ser resolt trobant nombres per a les variables de manera que l’equació sigui certa al avaluar el polinomi.

A l’àlgebra elemental, és donen mètodes per a resoldre equacions de polinomis, d’una variable, de primer i segon grau. El nombre de solucions possibles pot ser igual o menor al grau de la equació. Ací s’ha de tenir en compte la multiplicitat de solucions. Per exemple, l’equació x^2-2x+1=(x-1)(x-1)=0 només té una solució x=1, en lloc de dues (el grau de l’equació es 2 i per tant hom pot esperar trobar 2 valors de x pels quals l’equació és verifica, però al ser la solució doble, només x=1 verifica l’equació).

Un sistema de equacions polinòmiques és un conjunt de equacions que han de esser avaluades amb la mateixa assignació de nombres a les variables a cada equació. Els sistemes de equacions son normalment agrupats amb una sola clau oberta a la esquerra. A àlgebra elemental, és donen mètodes per a resoldre sistemes de equacions lineals de varies incògnites. Per a aconseguir una solució única el nombre de equacions hauria de ser igual al nombre de incògnites. Els sistemes de equacions lineals de varies incògintes son tractats a l’àlgebra lineal.

Taula de continguts 1 Exemples més avançats de polinomis 2 Història 3 Funcions polinòmiques 4 Gràfics 5 Propietats dels polinomis 5.1 Comportament als extrems 5.2 Nombre de talls a x 6 Nombre de punts màxims i mínims 7 Exemples 8 Rels 9 Polinomis i càlcul 10 Avaluació de polinomis 11 Àlgebra abstracte 12 Divisibilitat 13 Extensions del concepte de polinomi 14 Referències 15 Enllaços externs

[edita] Exemples més avançats de polinomis

També a l’àlgebra lineal, el polinomi característic d’una matriu quadrada codifica propietats importants de la matriu (matemàtiques)).

A la teoria de grafs el polinomi cromàtic d'un graf codifica les diferents maneres colorar els vèrtexs del graf utilitzant x colors.

A l’àlgebra abstracta, hom pot definir polinomis amb coeficients a qualsevol anell.

A la teoria de nusos (knot theory), el polinomi d'Alexandre (Alexander polynomial), el polinomi de Jones (Jones polynomial), i el polinomi HOMFLY (HOMFLY polynomial) són importants nusos invariants (knot invariants).

[edita] Història

La determinació de les rels (que hom també pot anomenar com arrels o zeros) d'un polinomi, o les "resolucions d'equacions algebraiques", és un dels problemes més antics a matemàtiques. Alguns polinomis, com ara f(x) = x² + 1, no tenen rels dins dels nombres reals. Ara bé, si s'estenen les solucions possibles al domini del nombres complexes, llavors, qualsevol polinomi (no constant) té rels: aquesta és l'afirmació que fa el teorema fonamental del àlgebra.

Hi ha una diferència entre aproximar rels i trobar fórmules tancades concretes per a les rels. Les fórmules per a les rels d'un polinomi de fins a grau 2 són conegudes des de l'antiguitat (vegeu equació quadràtica) i fins a grau 4 són conegudes des del segle 16 (vegeu Gerolamo Cardano i Niccolo Fontana Tartaglia). Però les fórmules per a grau 5 s'escaparen dels recercadors un temps molt llarg. Al 1824, Niels Herik Abel va provar l'esclatant resultat que no pot haver-hi cap formula general (que inclogui operacions aritmètiques i radicals) per a les rels d'un polinomi de grau 5 o major en termes dels seus coeficients (vegeu teorema d'Abel-Ruffini). Aquest resultat marcà l'inici de la teoria de Galois el qual s'enceta en un estudi detallat de les relacions entre les arrels dels polinomis.

El motor diferencial de Charles Babbage fou dissenyat per a crear una llarga taula de valors de logaritmes i funcions trigonomètriques automàticament, per l'avaluació aproximada de polinomis a molts punts fent l'ús del mètode de diferències de Newton.

[edita] Funcions polinòmiques

Per a unes constants numèriques donades a₀, …, a_n, n > 0, en alguns dominis (sovint R o C), amb a_n diferent de zero, llavors una (funció) polinòmica de grau n es una funció de la forma:

Més concisament, una funció polinòmica pot escriure’s en la notació sigma sigma notation com:

Les constants a₀, …, a_n són anomenades els coeficients del polinomi. a₀ es anomenat el coeficient constant i a_n es anomenat el coeficient dominant. Quan el coeficient dominant es 1, hom diu que el polinomi és mònic o normalitzat.

Cada sumand a_i xⁱ del polinomi es anomenat un terme. Un polinomi amb un, dos, o tres termes es anomenat monomi, binomi or trinomi respectivament.

Les funcions polinòmiques de

• grau 0 són anomenades funcions constants (exclós el polinomi zero, que és de grau indeterminat),
• grau 1 són anomenades funcions lineals,
• grau 2 són anomenades funcions quadràtiques,
• grau 3 són anomenades funcions cúbiques,

[edita] Gràfics

Una funció polinòmica d'una variable real pot ser representada mitjançant una gràfica.

• El gràfic del polinomi zero: f(x) = 0 es l'eix x.

• El gràfic d’un polinomi de grau 0:f(x) = a₀ , on a₀ ≠ 0,

és una línia horitzontal que talla l'eix y a a₀

• El gràfic d’un polinomi de grau 1 (o funció lineal)

f(x) = a₀ + a₁x , on a₁ ≠ 0,

és una línia obliqua que talla el eix y a a₀ i amb pendent (slope) a₁.

• El gràfic d’un polinomi de grau 2 o major:

f(x) = a₀ + a₁x + a₂x² + . . . + a_nxⁿ , on a_n ≠ 0 i n ≥ 2 és una corba continua no lineal.

La millor manera d'analitzar el gràfic d'una funció polinòmica de grau 2 o major es pel seu comportament als extrems, el nombre de talls amb l’eix x i el nombre de punts maxims i minims.

[edita] Propietats dels polinomis

1. La suma de polinomis és un polinomi
2. El producte de polinomis és un polinomi
3. La derivada d’un polinomi és un polinomi
4. La integral d’un polinomi és un polinomi
5. Els polinomis serveixen per a aproximar altres funcions, com ara les funcions sinus, cosinus i exponencial.

[edita] Comportament als extrems

Hi ha quatre comportaments als extrems que hi son resultats directes de si a_n, el coeficient dominant, es positiu o negatiu i de si n, el grau del polinomi, és parell o senar.

• Si a_n és positiu i n és parell, l'extrem dret del polinomi és al quadrant I mentre que l'extrem esquerra és al quadrant IV.
• Si a_n és negatiu i n és parell, l'extrem dret és al quadrant II mentre que l'extrem esquerra és al quadrant III.
• Si a_n és positiu i n és senar, l'extrem dret és al quadrant I mentre que l'extrem esquerra és al quadrant III.
• si a_n és negatiu i n és senar, l'extrem dret és al quadrant II mentre que l'extrem esquerra és al quadrant IV.

[edita] Nombre de talls a x

Del teorema fonamental de l'àlgebra, un polinomi de grau n té exactament n rels complexes, que poden o no ser reals. Per tant, el nombre de talls amb l’eix x no pot excedir a n talls. També deriva del teorema fonamental de l'àlgebra que les rels complexes d’un polinomi amb coeficients reals tenen que existir en parells complexes conjugats. Això, en particular, implica que un polinomi de grau parell amb coeficients reals pot no tenir cap tall amb l'eix x (perquè les seves rels poden ser totes complexes); un polinomi de grau senar amb coeficients reals, per altre banda, ha de tenir al menys un tall amb l'eix x, donat que les rels complexes conjugades és donan per parelles, deixant necessariament al menys una rel sense parella per un n senar. Aquesta (aquestes) "desaparellament(s)" de rel(s) deu(en) ser per tant real(s). Per exemple, una funció polinòmica de grau 4 amb coeficients reals pot tenir-hi 0, 2 o 4 talls amb l’eix x, al temps que una funció polinòmica similar de grau 5 pot tenir 1, 3 o 5 talls amb l’eix x. Ací assumim que els talls amb x hom els compte amb la seva multiplicitat (multiplicity) - per exemple, el tall a l'eix x de x² al origen es compta dues vegades per que 0 és una rel doble de x².

[edita] Nombre de punts màxims i mínims

El nombre total de punts maxims i minims d’un polinomi de grau parell pot ser qualsevol nombre senar menor al grau del polinomi, mentre que per un polinomi de grau senar pot ser qualsevol nombre parell menor al grau del polinomi. Per exemple, una funció polinòmica de grau 4 pot tenir en total 1 o 3 maxims i minims i una funció polinòmica de grau 5 pot tenir en total 0, 2, o 4 maxims i minims.

Els següents son alguns exemples de polinomis de grau baix.

[edita] Exemples

Polinomi de grau 2: f(x) = x2 - x - 2 = (x+1)(x-2)	Polinomi de grau 3: f(x) = x3/5 + 4x2/5 - 7x/5 - 2 = 1/5 (x+5)(x+1)(x-2)
Polinomi de grau 4: f(x) = 1/14 (x+4)(x+1)(x-1)(x-3) + 0.5	Polinomi de grau 5: f(x) = 1/20 (x+4)(x+2)(x+1)(x-1)(x-3) + 2

La funció

és un exemple de funció de grau 4 amb coeficient dominant 13, i un coeficient constant 3.

[edita] Rels

Una rel o zero d’un polinomi p es un nombre ζ tal que p(ζ) = 0. El teorema fonamental del àlgebra (fundamental theorem of algebra) afirma que un polinomi de grau n sobre els nombres complexes té exactament n rels complexes (no necessariament diferents). D'ací que un polinomi pot ser factoritzat com: on cada ζ_i es una rel del polinomi p. Per exemple, el polinomi x²+1 pot ser factoritzat com (x−i)(x+i). Una equació de la forma p(x)=0 és anomenada una equació polinòmica (polynomial equation) en la incògnita x. Les solucions de l'equació son les rels del polinomi. Les rels reals d'un polinomi p(x) (sense coeficients no reals ) són els talls de p(x) (presa com una funció polinòmica) amb l’eix x del gràfic.

La solució numèrica d’una equació polinòmica amb una incògnita és fàcilment assolit per una computadora amb el mètode Durand-Kerner (Durand-Kerner method) o per algun altre algoritme de cerca d'arrels (root-finding algorithm). La reducció d'equacions de varies incògnites a equacions d'una incògnita és tractat a l'article del algoritme de Buchberger (Buchberger's algorithm). El cas especial on tot els polinomis son de grau u és el de l'eliminació gaussiana (gaussian elimination).

Solucions analítiques de les rels d’un polinomi en termes dels seus coeficients fent ús només de les operacions estàndard aritmètiques són possibles només si el grau del polinomi és quatre o menor. Aquest és el conegut teorema de Abel-Ruffini (Abel-Ruffini theorem). Per tant, es fa necessari utilitzar unes altres funcions especials per tal d’obtenir les rels d'equacions de grau superior. En particular, ha estat mostrat per Richard Birkeland i Karl Meyr que les rels de qualsevol polinomi poden ser expressades en termes de funcions hipergeomètriques multivariables (hypergeometric function). Ferdinand von Lindemann i Hiroshi Umemura mostraren que les rels també poden ser expressades en termes de funcions modulars (Siegel modular function), generalitzacions de les funcions theta (theta function) que apareixen a la teoria de les funcios el·líptiques (elliptic function). Aquestes caracteritzacions de les rels de polinomis arbitraris son generalitzacions dels mètodes abans descoberts per resoldre les equacions de cinquè grau (quintic equation).

Equacions de grau dos poden ser reduïdes sense l’ús de la computadora be a rels quadrades (square root). Vegis quadratic equation.

[edita] Polinomis i càlcul

Un aspecte important del càlcul és el projecte d'analitzar funcions complicades mitjançant l'aproximació amb polinomis. La culminació d'aquests esforços es el teorema de Taylor (Taylor's theorem), el qual, dit de passada, afirma que cada funció diferenciable (differentiable) localment sembla com un polinomi, i el teorema de Stone-Weierstrass (Stone-Weierstrass theorem), que afirma que cada funció contínua definida a un interval compacte de l'eix real pot ser aproximada en tot l'interval tant com es vulgui per un polinomi. Els polinomis són també freqüentment usats per a la interpolació (interpolate) de funcions.

Els quocients (Quotient) de polinomis són anomenats expressions racionals (rational expression), i les funcions que avaluen les expressions racionals són anomenades funcions racionals (rational function). Només les funcions definides a trossos emprant racionals discontinues poden ser avaluades directament a la computadora, donat que típicament només son implementades a hardware les operacions de suma, multiplicació, divisió i comparació. Totes les altres funcions que les computadores avaluen, com ara les funcions trigonomètriques (trigonometric function), logaritmes (logarithm) i funcions exponencials (exponential function), tenen que ser aproximades per software per adequades funcions discontinues racionals.

El càlcul de derivades i integrals és particularment fàcil. Per el polinomi: la derivada respecte la x es: i la integral indefinida es: .

[edita] Avaluació de polinomis

Per a avaluar un polinomi en la forma de monomi (monomial form) hom pot fer l’ús de l'esquema de Horner (Horner scheme). Per a un polinomi en la forma Chebyshev (Chebyshev form) és pot usar el algoritme de Clenshaw (Clenshaw algorithm). Si s’han de calcular varies x_n equidistants hom faria l’ús del mètode de les diferencies de Newton (Newton's difference method).

[edita] Àlgebra abstracte

A àlgebra abstracte (abstract algebra), hom té que tenir cura de distingir entre polinomis i funcions polinòmiques. Un polinomi f es pot definir com una expressió formal en la forma:

on els coeficients a₀, ..., a_n son elements d’algun anell (ring) R i X és considerada de ser un símbol formal. Dos polinomis són considerats iguals si i només si les seqüències del seus coeficients són iguals. Els polinomis amb coeficients a R es poden sumar simplement sumant els seus corresponents coeficients i es poden multiplicar utilitzant les regles distributives (distributive law).

  per a tots els elements a de l’anell R

  per a tots els nombres naturals (natural numbers) k i l.

Hom pot comprovar que el conjunt de tots els polinomis amb coeficients a l’anell R forma per si mateix un anell, l’anell de polinomis sobre R, el qual és denotat per R[X]. Si R és un anell commutatiu (commutative), llavors R[X] és un àlgebra (algebra) sobre R.

Hom pot pensar l’anell R[X] com sortit de R per l'adició de un nou element X a R i només requerint que X commuti amb tots els elements de R. Per a que R[X] formi un anell, totes les sumes de potencies de X s’han de incloure també. La formació del anell polinòmic, junt amb la formació de l’anell de factors (ideals), són eines importants per construir nous anells partint dels coneguts. Per exemple, la construcció neta de camps finits (finite field) involucra l’ús d’aquelles operacions, partint del camps dels enters de mòduls d'algun nombre primer (prime number) com anell de coeficients R (vegis modular arithmetic).

A cada polinomi f a R[X], hom pot associar una functió polinòmica amb domini i rang igual a R. Hom obté el valor d'aquesta funció per a un argument donat r remplaçant, arreu de l'expresió f, el símbol X per r. El motiu pel qual els algebristes fan distinció entre polinomis i funcions polinomials es perque sobre els alguns anells R (com ara, camps finits), dos polinomis diferents poden donar lloc a la mateixa funció polinòmica. Ara bé, aquest no es el cas sobre els nombres reals o complexes y per tant molts analistes sovint no separen els dos conceptes.

[edita] Divisibilitat

A l’àlgebra commutativa (commutative algebra), un focus de estudi principal és la divisibilitat entre polinomis. Si R és un domini de enters (integral domain) i f i g són polinomis en R[X], és diu que f divideix g si existeix un polinomi q en R[X] tal que f q = g. Hom llavors pot mostrar que "cada zero dona lloc a un factor lineal", o més formalment: si f es un polinomi en R[X] i r es un element de R tal que f(r) = 0, llavors el polinomi (X − r) divideix f. L'invers és també cert. El quocient pot ser computat fent ús del esquema de Horner.

Si F es un camp (field) i f i g són polinomis en F[X] amb g ≠ 0, llavors existeixen els polinomis únics q i r en F[X] amb: i tals que el grau de r és més petit que el grau de g. Els polinomis q i r són determinats unívocament per f i g. Això es anomenat "divisió amb resto" o "divisió polinòmica llarga (polynomial long division)" i mostra que l’anell F[X] es un domini euclidià (Euclidean domain).

Anàlogament, els polinomis "primers" (amb més correcció, polinomis irreductibles es poden definir com els que no es poden factoritzar en el producte de dos polinomis de menor grau. No es senzill determinar si un polinomi donat es irreductible. Hom pot començar per simplement comprovar si el polinomi té factors lineals. Llavors, hom pot comprovar la divisibilitat per algun altre polinomi irreductible. També, de vegades, és pot utilitzar el criteri de Eisenstein (Eisenstein's criterion) per a determinar la irreductibilitat.

[edita] Extensions del concepte de polinomi

Hom també parla de polinomis de varies variables, obtingut traient l’anell de polinomis d'un anell de polinomis: R[X,Y] = (R[X])[Y] = (R[Y])[X]. Aquests son de importancia fonamental a l’àlgebra geomètrica (algebraic geometry) que estudia conjunts de zeros simultanis de varius polinomis multivariable.

Freqüentment els polinomis s’usan per a codificar la informació d'un altre objecte. El polinomi característic (characteristic polynomial) d'una matriu o operador conté informació dels valors propis del operador (eigenvalue). El polinomi mínim (minimal polynomial) d'un element algebraic (algebraic element) desa la relació algebraica més senzilla satisfeta per dit element.

Altres objectes relacionats estudiats a àlgebra abstracte són les series de potències formals (formal power series), que són com polinomis però poden tenir grau infinit, i les funcions racionals (rational function), que són quocients de polinomis.

[edita] Referències

• R. Birkeland. Über die Auflösung algebraischer Gleichungen durch hypergeometrische Funktionen. Mathematische Zeitschrift vol. 26, (1927) pp. 565-578. Mostra que les rels de qualsevol polinomi pot escriure’s de termes de funcions hipergeomètricas multivariable. Document disponible ací.
• F. von Lindemann. Ueber die Auflösung der algebraischen Gleichungen durch transcendente Functionen. Nachrichten von der Königl. Gesellschaft der Wissenschaften, vol. 7, 1884. Solucions de polinomis en termes de funcions theta . Paper disponible ací.
• F. von Lindemann. Ueber die Auflösung der algebraischen Gleichungen durch transcendente Functionen II. Nachrichten von der Königl. Gesellschaft der Wissenschaften und der Georg-Augusts-Universität zu Göttingen, 1892 edition. Document disponible ací.
• K. Mayr. Über die Auflösung algebraischer Gleichungssysteme durch hypergeometrische Funktionen. Monatshefte für Mathematik und Physik vol. 45, (1937) pp. 280-313.
• H. Umemura. Solution of algebraic equations in terms of theta constants. In D. Mumford, Tata Lectures in Theta II, Progress in Mathematics 43, Birkhäuser, Boston, 1984.

[edita] Enllaços externs

• Calculadora polinòmica online gratuïta.
• Unitat Didáctica de Polinomis. 4art ESO