左邊為多項式的方程

稱為 n次代數方程,又稱多項式方程,其中 n=1,2,…; α k是實系數或復系數, α 0≠0。當 n>1時,它叫做高次代數方程,其次數就是 n。多項式的零點就是對應代數方程的根。

  代數基本定理說,復系數代數方程在復數域至少有一個根。如果x1是一個根,則Pn(x)一定可被(x-x1)所除盡,其商為(n-1)次多項式。如果n>1,其商至少又有一個根x2,它也是原來方程的一個根。因此n次代數方程總是有n個根x1x2,…,xn,其中可能有相同的根,叫做重根。

  二次方程可以用公式求根,公式內包含某數的平方根;標準三次方程也可以用公式求根,公式內包含三次根;標準四次方程的對應多項式可以分解成兩個二次式的乘積,其系數在求出對應三次方程的一個根後也可用公式求出;五次及五次以上的代數方程一般不能用根式求解。

  將超越方程f(x)=0左端換成多項式Pn(x),超越方程就變成高次代數方程。因此超越方程求根的各種方法,例如割線法、牛頓法均可用於求高次代數方程的根(見超越方程數值解法)。下面是利用多項式性質的三種求根方法。

  劈因子法 用x的二次式

P n( x)則得商 Q( x)及餘式

r(x)=r1(x)+r2

因而有

Pn(x)=U(x)Q(x)+r(x)。   (1)

U( x)是一個近似二次因式,問題是怎樣修改 u 1u 2使對應的餘式更接近於零。為此,作線性近似,取

則修正量d u 1d u 2應滿足方程組       

進一步可寫為

  (2)

利用已知關系可求出 代入(2)後,就能求出 u 1u 2的校正量 d u 1d u 2。而 u 1+d u 1u 2+d u 2就是更好的二次因式的兩個系數。

  伯努利法 設E是使數列Fk的下標增加1的運算子,即

EFk=Fk+1

則齊次常系數線性差分方程

的特征方程就是代數方程 P n( x)=0,這個代數方程的根 x 1x 2,…, x n叫做差分方程的特征根。

  給定(F0F1,…,Fn-1)的定值例如(0,0,…,1)即可依次從(3)算出FnFn+1,…。這樣就定出差分方程的一個特解。

  如果特征根各不相同,則差分方程的一般解是

,且с 1≠0,則當 k→∞時,特解 F k的主要項是第一項,即

這就是求最大實根 x 1的伯努利法。

  設方程的最大根是一對共軛復根:   

計算

可以證明:

由此可得最大共軛復根對應的近似二次因式:

  勞思表格法 設給定代數方程Pn(x)=0的系數都是實數,其中α0=1。勞思表格的計算方法如下:        

其他行的數的計算公式為

利用勞思表格可以對根的位置作出判斷。如果勞思表格上最左列自上而下 n+1個數 均為正數,則虛軸上及右半復平面上都沒有根;否則虛軸上或右半復平面上有根。設最左列系數都不等於零,則可以證明在虛軸上沒有根,在右半平面上根的個數等於在左列系數的變號次數。利用勞思表格還可以求出最大實部根的實部。設用 P n( x)的系數作出的勞思表格不滿足最左列系數都為正的條件,則知在右半閉復平面上有根。把復平面的原點平移到新原點( α,0),求出 P n( x)在 α點的展開式系數,利用新系數構造在 α點的勞思表格。選 α充分大,則在新原點的右半平面沒有根,最大實部根的實部必在區間(0, α)內。構造在 α/2點的勞思表格,如果在右半平面有根,則最大實部根的實部在區間( α/2, α)內,否則在區間(0, α/2)內。在有最大實部根的區間用中點繼續分割及判斷,則可得到最大實部根的實部的充分好的近似值。如果最大實部根是一個實根,所得值就是這個實根的近似值,否則它是有最大實部的一對或幾對共軛復根的實部的近似值,而共軛復根的虛部可以從最後點的勞思表格內求出。

  設Pn(x)的勞思表格判明在右半平面上沒有根,則在負實軸上選新原點-α。選α充分大,則在新原點的右半平面上有根,最大實部根的實部在(-α,0)區間內。用中點分割法可以求出最大實部根。

  在高次代數方程求根的過程中,往往會遇到病態多項式,它的系數的微小變化會引起零點的很大變化。因此,在電子計算機上編制通用求根程序時,計算機運算必須按高精度進行,即至少用雙倍精度進行。

  若已求出多項式Pn(x)的一個實零點或一對共軛復零點,就可以用綜合除法將原多項式化成一低次的多項式,這樣可以依次求出Pn(x)的n個零點。但是,降階運算帶來瞭誤差積累。如果求根次序按模從大到小進行,則降階過程中引入的誤差對後面一些小根精度的影響可能是嚴重的;但如果按從小到大的次序進行,即使對於病態多項式,一般也不會影響後面求的根的精度。

  

參考書目

 清華大學、北京大學《計算方法》編寫組編:《計算方法》,上冊,科學出版社,北京,1974。