代数学的经典课题

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第一章:代数学的经典课题 1. 引言 代数学历史悠久,并且看似简单,实则蕴含着丰富而深奥的知识(Wiles与费马大定理).

高等代数是其入门课程,它的任务是阐述代数学的一些基础知识、研究对象、基本思想和处理问题时特有的一套思想方法.

大致从两方面进入这个课题.

第一,从生产实践和科学理论中自然地产生求解代数方程的问题.Galois解决了长久来未解决的高次代数方程根的理论课题.Galois的工作中最值得注意的是,他不局限在数的四则运算内考察问题,而是跳出去考察根的某些置换所组成的集合.这给我们带来启示:为研讨数及其代数运算中包含的深刻规律,必须跳出其本身的条条框框,去研究更一般的集合及其应有的代数运算.

高等代数中不可能讲Galois的理论,但可以发现,考察线性方程组的问题也把我们引导到同样的领域中.这是着重要讨论的线性代数理论.

第二,考察\mathbf{Z},\, \mathbf{Z}内可以做加减乘法,除法却不总能进行,这就产生了\mathbf{Z}内的整除理论.考察全体多项式组成的集合,这个集合内可以做加减乘法,除法也不总能进行.于是又产生多项式集合内的整除理论.这两个例子集合元素不同,加减乘的具体内容不同,但它们满足相同的运算法则,而且这两个例子的理论研究课题所得结果惊人相似.

这启发我们,可以研究一个一般的集合,其元素可做加法(及逆运算减法)与乘法,同时这两种运算满足一定的运算法则,这就又归纳到前面的代数系统中来,殊途同归.

2. 若干准备知识 可以证明:

Theorem 1. 映射的乘法满足结合律.

对于逆映射,f\circ f^{-1}f^{-1}\circ f都为恒等映射时,才说f^{-1}f的逆映射.因为有这两个要求,才有

Theorem 2. f可逆等价于f是一一映射.

3. 一元高次代数方程的基础知识

首先给出高等代数基本定理,可以推出n次代数方程的全部根在复数域\mathbf{C}内(为了求根,复数域已足够).另外,没有比\mathbf{C}更大的数系了.

Theorem 3 (高等代数基本定理). 数域K上的n次代数方程a_0x^n+a_1x^{n-1}+\dots+a_{n-1}x+a_0=0在复数域\mathbf{C}内必有一个根.

Theorem 4 (多项式的带余除法). 存在n-1次的q(x)使f(x)=q(x)(x-a)+f(a).

Theorem 5 (多项式的因式分解). 存在n个复数\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n,使f(x)=a_0(x-\alpha_1)(x-\alpha_2)\dots(x-\alpha_n).

Corollary 6. n次代数方程在\mathbf{C}上恰好有n个根.

Theorem 7 (多项式的恒等). 给定\mathbf{C}上两个n次、m次多项式,如果它们在\max\{m,n\}+1个不同复数上取相等的值,那么这两个多项式恒等。

Theorem 8 (韦达定理). \begin{equation*}
\sum_{1\leqslant k_1<\dots<k_i\leqslant n}\alpha_{k_1}\alpha_{k_2}\dots\alpha_{k_i}=(-1)^i\frac{a_i}{a_0}.
\end{equation*}

Lemma 9 (\prod(x-\alpha_i)的展开规律). \begin{equation*}
\prod_{i=1}^n (x-\alpha_i)=\sum_{i=0}^n(-1)^n\sigma_i(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)x^{n-i}.
\end{equation*}
其中
\begin{equation*}
\sigma_i(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)=\sum_{1\leqslant k_1<\dots<k_i\leqslant n}\alpha_{k_1}\alpha_{k_2}\dots\alpha_{k_i}.
\end{equation*}

特别地,对于\mathbf{R}n次代数方程,有

Theorem 10 (虚根共轭). 如果\alpha=a+b\, \mathrm{i}\mathbf{R}n次代数方程的一个根,则\overline{\alpha}=a-b\, \mathrm{i}也是它的根.

由此可推出奇数次一元代数方程必有实根.

:考虑x-a\, |\, f(x)-f(a),\, f(x)-f(a)里每个k次项都有x-a\, |\, x^k-a^k.

因式分解:每个根用带余除法.

由因式分解后的式知,诸\alpha_i均是根,而其余数均不是根,故恰好n个根.

对定理theorem124,考察两多项式的差的多项式,如果是非零多项式,它最多\max\{m,n\}个根,但现在有\max\{m,n\}+1个根,矛盾.

引理lemma121可用归纳法逐步得出.再由多项式的恒等,得出定理theorem125.
4. 线性方程组 可以提出两方面问题:

第一,从理论上探讨:

  1. 什么时候有解/无解?
  2. 解的个数多少?
  3. 各解间的联系?

第二,解法?


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