Visa källkod för 4.17 Polynomekvationer av högre grad

__NOTOC__
IND_VAL: v14 I, tis kl 11.15-12.20, sal 10. [[Media: 4_17_Polynomekv_Hogre_Ovn.pdf|<b><span style="color:blue">Övningar 4444-4457</span></b>]].


{| border="0" cellspacing="0" cellpadding="0" height="30" width="100%"
| style="border-bottom:1px solid #797979" width="5px" | &nbsp;
{{Not selected tab|[[4.16 Faktorsatsen| <<&nbsp;&nbsp;Förra avsnitt]]}}
{{Selected tab|[[4.17 Polynomekvationer av högre grad|Genomgång]]}}
{{Not selected tab|[[Media: 4_17_Polynomekv_Hogre_Ovn.pdf|Övningar]]}}
{{Not selected tab|[[Media: 4_17_Polynomekv_Hogre_Facit.pdf|Facit]]}}
{{Not selected tab|[[4.18 Vietas formler|Nästa avsnitt&nbsp;&nbsp;>> ]]}}
| style="border-bottom:1px solid #797979"  width="100%"| &nbsp;
|}


= <b><span style="color:#931136">Algebrans fundamentalsats</span></b> =


<div class="border-divblue">
<big>
Ett polynom av grad <math> n\, </math> har exakt <math> n\, </math> komplexa nollställen <math> \; x_1, \, x_2, \,\ldots\, , x_n \; </math> och kan faktoriseras så här<span style="color:black">:</span>

<math> a_n \, x^n \,+\, a_{n-1} \, x^{n-1} + \quad \ldots \quad + a_1 \, x \,+\, a_0 \quad = \quad {\color{Red} {a_n \cdot\, (x-x_1) \,\cdot\, (x-x_2) \,\cdot\quad\ldots\quad \cdot\, (x-x_n)}} </math> 
</big></div>


<big>
Se [http://www.lth.se/fileadmin/lth/student/Teknisk_matematik/Filer/Projektrapport/Matematisk_kommunikation/projekt-matkom06.pdf <b><span style="color:blue">bevis, historia & annat gott</span></b>].
</big>

== Anmärkningar: ==

<big>
*&nbsp;&nbsp;Fundamentalsatsens egentliga utsaga är: <b><span style="color:red">Ett polynom av grad <math> n\, </math> har exakt <math> n\, </math> komplexa nollställen.</span></b> Den ska tolkas så här:

*&nbsp;&nbsp;<b><span style="color:red">Antalet <math> n\, </math></span></b> borde räknas med <b><span style="color:red">multiplicitet</span></b>, dvs dubbla rötter är räknade två gånger, tredubbla tre gånger osv.

*&nbsp;&nbsp;Den fullständiga faktoriseringen i linjära faktorer <math> (x-x_i)\, </math> där <math> x_i\, </math> = polynomets nollställen, är endast möjlig i mängden av <b><span style="color:red">komplexa tal</span></b>.

*&nbsp;&nbsp;Räknar man endast med reella tal kommer vissa polynom att faktoriseras till linjära och kvadratiska faktorer, där de kvadratiska faktorerna har komplexa rötter.
----
</big>


= <b><span style="color:#931136">Exempel 1</span></b> =
<!-- <div class="exempel12"> -->
<div class="ovnE">
Faktorisera följande polynom fullständigt<span>:</span> <math> \qquad P(x) = x^4 - 29\;x^2 + 100 </math>.

För att faktorisera <math> \; P(x) \; </math> måste vi hitta dess rötter dvs lösa polynomekvationen<span>:</span>

::::<math>x^4 - 29\;x^2 + 100 = 0 </math>

Vi inför en ny variabel z som vi definierar som<span style="color:black">:</span>

::::::<math> \displaystyle z = x^2 </math> 

Om vi i 4:e gradsekvationen ovan ersätter <math> x^2 </math> med <math> z </math> får vi en 2:a gradsekvation som vi löser med pq-formeln<span style="color:black">:</span>

::::<math>\begin{align} z^2 - 29\,z + 100 & = 0                             \\
                                  z_{1,2} & = 14,5 \pm \sqrt{14,5^2 - 100}  \\
                                  z_{1,2} & = 14,5 \pm \sqrt{210,25 - 100}  \\
                                  z_{1,2} & = 14,5 \pm \sqrt{110,25}        \\
                                  z_{1,2} & = 14,5 \pm 10,5                 \\
                                  z_1     & = 25                            \\
                                  z_2     & = 4                             \\
     \end{align}</math>

Först sätter vi in lösningen <math> z_1 = 25 </math> i substitutionen <math> z = x^2 </math><span style="color:black">:</span>

:::::::<math> \displaystyle z = x^2 = 25 </math> 

Roten ur båda leden av <math> x^2 = 25 </math> ger lösningarna<span style="color:black">:</span>

:::::::<math> x_{1,2} = \pm 5 </math>

Sedan görs samma sak med lösningen <math> z_2 = 4 </math>. Insatt i substitutionen <math> z = x^2 </math> ger den<span style="color:black">:</span>

:::::::<math> \displaystyle z = x^2 = 4 </math> 

Roten ur båda leden av <math> x^2 = 4 </math> ger lösningarna<span style="color:black">:</span>

:::::::<math> x_{3,4} = \pm 2 </math>

Slutligen kan vi konstatera att vår 4:e gradsekvation

:::::<math>  x^4 - 29\;x^2 = -100 </math>

har de fyra lösningarna<span style="color:black">:</span> 

:::::<math>\begin{align} x_1 & = 5    \\
                         x_2 & = - 5  \\
                         x_3 & = 2    \\
                         x_4 & = - 2  \\
     \end{align}</math>

Ekvationens lösningar är identiska med polynomets nollställen.

Enligt algebrans fundamentalsats kan vi faktorisera 4:e gradspolynomet <math> P(x)\, </math> så här:

<math> P(x) = x^4 - 29\;x^2 + 100 = (x-5) \cdot (x+5) \cdot (x-2) \cdot (x+2) </math>
</div>


= <b><span style="color:#931136">Exempel 2</span></b> =
<!-- <div class="exempel12"> -->
<div class="ovnC">
Faktorisera polynomet <math> P(x)\, </math> fullständigt när följande delfaktorisering redan existerar<span style="color:black">:</span>

::<math> P(x) = x^5 - 5\,x^4 + 17\,x^3 - 13\,x^2 = x\cdot x\cdot (x-1)\cdot (x^2 - 4\,x + 13) </math>

Delfaktoriseringen visar en dubbelrot <math> x = 0\, </math> och en enkel rot <math> x = 1\, </math>. Man kan få fram den med de metoder vi lärt oss i detta avsnitt: Den dubbla roten <math> x = 0\, </math> får man genom att bryta ut <math> x^2 </math>. Den enkla roten <math> x = 1\, </math> kan man få via grafen samt en prövning. Den sista faktorn kan beräknas med hjälp av jämförelse av koefficienter. Denna delfaktorisering stannar inom ramen av de reella talen.

Enligt algebrans fundamentalsats måste 5:e gradspolynomet <math> P(x)\, </math> ha två rötter till som ger upphov till den kvadratiska faktorn <math> x^2 - 4\,x + 13 </math> som står sist.

Vill man gå vidare och få fram den fullständiga faktoriseringen i linjära faktorer måste även den kvadratiska faktorn faktoriseras. Detta innebär att vi måste beräkna dess rötter som visar sig vara komplexa<span style="color:black">:</span>

::::::<math>\begin{array}{rcl} x^2 - 4\,x + 13 & = & 0                             \\
                                       x_{1,2} & = & 2 \pm \sqrt{4 - 13}           \\
                                       x_{1,2} & = & 2 \pm \sqrt{-9}               \\
                                       x_{1,2} & = & 2 \pm \sqrt{9 \cdot (-1)}     \\
                                       x_{1,2} & = & 2 \pm \sqrt{9}\cdot \sqrt{-1} \\
                                       x_1     & = & 2 + 3\,i                      \\
                                       x_2     & = & 2 - 3\,i                      \\
            \end{array}</math>

Vi får alltså följande faktorisering av den kvadratiska faktorn:

::<math> x^2 - 4\,x + 13  = (x - (2+3\,i)) \cdot (x - (2-3\,i)) = (x - 2-3\,i) \cdot (x - 2+3\,i)</math>

Därmed blir den fullständiga faktoriseringen av polynomet <math> P(x)\, </math> i linjära faktorer:

<math> P(x) = x^5 - 5\,x^4 + 17\,x^3 - 13\,x^2 = x\cdot x\cdot (x-1)\cdot (x - 2-3\,i) \cdot (x - 2+3\,i) </math>

Dvs <math> P(x)\, </math> har förutom dubbelroten <math> x = 0\, </math> och den enkla roten <math> x = 1\, </math> även de två komplexa rötterna <math> x = 2 + 3\,i </math> och <math> x = 2 - 3\,i </math>. Sammanlagt har 5:e gradspolynomet <math> P(x)\, </math> exakt 5 rötter, om man räknar rötterna med multiplicitet, dvs den dubbla rotter dubbelt och beräknar även de komplexa rötterna - i enlighet med algebrans fundamentalsats.
</div>


= <b><span style="color:#931136">Exempel 3</span></b> =
<div class="ovnA">
<table>
<tr> <td>

Faktorisera polynomet <math> \qquad P(x) \; = \; x^3 - 6\,x^2 + 5\,x + 12 </math>


<b><span style="color:#931136">Lösning:</span></b> För att få fram ett av polynomets nollställen ritar vi grafen:

Grafen visar att polynomet har tre nollställen av vilka ett kan avläsas 

till <math> \, x_1 = -1 </math>. För att avgöra om detta nollställe är exakt gör vi en kon-

troll genom att sätta in <math> \, x_1 = -1 \, </math> i polynomet:
</td> <td><math> \quad </math></td> <td>[[Image: 3e_gradspolynom.jpg]]</td> </tr>
</table>
<math> P(-1) = (-1)^3 - 6\,\cdot\,(-1)^2 + 5\,\cdot\,(-1) + 12 = -1 - 6\,\cdot\,1 - 5 + 12 = -12 +12 = 0 </math>

Kontrollen visar att <math> x_1 = -1\, </math> är ett exakt nollställe till <math> P(x) </math>. Slutsats: Faktorn <math> \, (x + 1) \, </math> kan brytas ut<span style="color:black">:</span>

:::::<math> P(x) \; = \; x^3 - 6\,x^2 + 5\,x + 12 \; = \; Q(x) \cdot (x+1) \; = \; 0 </math>

där <math> \, Q(x) \, </math> är ett 2:a gradspolynom som vi inte känner till än, se [[1.2_Fördjupning_till_Faktorisering_av_Polynom#Algebrans_fundamentalsats|<b><span style="color:blue">algebrans fundamentalsats</span></b>]]. 

<math> P(x)\, </math>:s två andra nollställen måste vara det 2:a gradspolynomet <math> \, Q(x)\, </math>:s nollställen.

Vi bestämmer <math> \, Q(x)\, </math> genom att sätta den till den allmänna formen för 2:a gradspolynom<span style="color:black">:</span>

:::::<math> Q(x) = a\,x^2 + b\,x + c </math>

där <math> \, a, b, c \, </math> är koefficienter som vi måste bestämma. Sätter vi in denna form i ansasten ovan får vi:

:::::<math> x^3 - 6\,x^2 + 5\,x + 12 = (a\,x^2 + b\,x + c) \cdot (x+1) </math>

Vi bestämmer <math> \, a, b, c \, </math> genom lösa upp parentesen och jämföra koefficienterna<span style="color:black">:</span>

::<math> x^3 - 6\,x^2 + 5\,x + 12 = a\,x^3 + b\,x^2 + c\,x + a\,x^2 + b\,x + c = a\,x^3 + (b+a)\,x^2 + (c+b)\,x + c </math>

[[4.15_Polynomdivision#J.C3.A4mf.C3.B6relse_av_koefficienter.2C_en_alternativ_metod_f.C3.B6r_polynomdivision_utan_rest|<b><span style="color:blue">Jämförelse av koefficienterna</span></b>]] på höger- och vänsterled ger<span style="color:black">:</span>

:::::<math> \begin{align} a     & = 1    \\
                       b + a & = -6   \\
                       c + b & = 5    \\
                       c     & = 12
         \end{align}</math>

Genom insättning av <math> \, a = 1 \, </math> i den andra och <math> \, c = 12 \, </math> i den tredje ekvationen får vi i båda fall <math> \, b = -7 \, </math>.

Därmed har vi bestämt polynomet <math> \, Q(x) \, </math><span>:</span> <math> \qquad Q(x) = x^2 - 7\,x + 12 </math>

<b><span style="color:#931136">Uppgiften:</span></b> Faktorisera polynomet <math> \, Q(x) \, = \, x^2 - 7\,x + 12 </math>.

<b><span style="color:#931136">Lösningen:</span></b> Vi beräknar polynomets nollställen<span style="color:black">:</span>

::::::<math> x^2 - 7\,x + 12 = 0 </math>

För att snabbt lösa denna 2:a gradsekvation som ett led i faktoriseringsprocessen

använder vi [[4.18_Vietas_formler#Vietas_formler|<b><span style="color:blue">Vietas formler</span></b>]]<span style="color:black">:</span>

::::::<math> \begin{align} x_1   +   x_2 & = -p = -(-7) = 7   \\
                           x_1 \cdot x_2 & = \;\;\; q = 12
             \end{align}</math>

Dvs vi behöver hitta två tal vars produkt är <math> \, 12 \, </math> och vars summa är <math> \, 7 \, </math>.

Med lite provande kommer man fram till<span style="color:black">:</span>

::::::<math>\begin{align}  x_1 & = 3  \\
                           x_2 & = 4 
              \end{align}</math>

eftersom <math> \, 3 + 4 = 7 \, </math> och <math> \, 3 \cdot 4 = 12 </math>. Därmed är polynomet <math> \, Q(x) </math>:s faktorisering</b><span>:</span>

::::::<math> Q(x) \, = \, x^2 - 7\,x + 12 \; = \; \underline{(x - 3) \, \cdot \, (x - 4)} </math>

där <math> \, x_2 = 3 \, </math> och <math> \, x_3 = 4 \, </math> är <math> \, Q(x)\, </math>:s nollställen.

Inför vi nu detta resultat i vår ansats i början får vi den fullständiga faktoriseringen för <math> \, P(x) </math><span>:</span>

<math> P(x) = x^3 - 6\,x^2 + 5\,x + 12 = Q(x) \cdot (x+1) = (x^2 - 7\,x + 12) \cdot (x+1) = \underline{(x-3)\,\cdot\,(x-4)\,\cdot\,(x+1)} </math>
</div>

<big>
Den ovan beskrivna metoden kan i princip även användas för faktorisering av polynom av högre grad än 3.

Till grund för alla dessa faktoriseringar ligger algebrans fundamentalsats som behandlades ovan.
</big>



<br>









[[Matte:Copyrights|Copyright]] © 2022 [https://www.techpages.se <b><span style="color:blue">TechPages AB</span></b>]. All Rights Reserved.