Kvant

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

19

I. Yanmatov

Đa thức đi lại

Từ biên tập viên
Nói chung, toán học bài toán được cung cấp cho học sinh có liên quan rất gián tiếp đến kết quả mới hoặc liên quan đến các chi tiết riêng lẻ của chúng và không mang lại cơ hội nhìn thấy toàn bộ bức tranh. Điều này có thể xảy ra bởi vì trong toán học, mọi thứ đều được kết nối với nhau và, như một quy luật, để hiểu đầy đủ ngay cả một câu hỏi hoàn toàn cơ bản, người ta phải rút ra những thông điệp từ các lĩnh vực toán học không phải tiểu học.
Bài toán về đa thức giao hoán, liên quan đến bài viết này, được coi là một ngoại lệ: ở đây có thể tiếp cận một vấn đề toán học tổng quát khá gần gũi, chỉ sử dụng các phương tiện cơ bản.
Chúng tôi biết đến bài toán này từ một bức thư gửi cho «Kvant» hai năm trước bởi E. Turkevich, người đã viết kết quả đầu tiên ở đây. Bài toán điều này, bổ sung thêm một số điểm, đã được đề xuất trong loại nghiên cứu XI của Olympic Thế giới và được đặt trong Bài toán «Kvant» (M455).

Công thức bài toán
Đa thức PP và QQ trong một biến được gọi là giao hoán *) nếu P(Q(x))=Q(P(x))P(Q(x)) = Q(P(x)). Đẳng thức được viết có nghĩa là nếu ở cả hai vế của đẳng thức, chúng ta mở tất cả các dấu ngoặc và thêm các số hạng giống nhau thì chúng ta sẽ có được các đa thức giống nhau. Điều này tương đương với thực tế là với bất kỳ số thực dd nào thì đẳng thức số P(Q(d))=Q(P(d))P(Q(d)) = Q(P(d)) đúng.

*) Từ tiếng Latin commutativus - thay đổi.

Bài tập M455 chỉ xét các đa thức có hệ số cao nhất là 1; Chúng ta sẽ gọi các đa thức như vậy là đơn nhất. (Như chúng ta sẽ thấy bên dưới, câu hỏi về đa thức giao hoán tùy ý có thể được rút gọn thành câu hỏi về đa thức có hệ số dẫn đầu bằng ±1.)

a) Với mọi số α\alpha, hãy tìm tất cả các đa thức bậc nhiều nhất là ba giao hoán với đa thức P(x)=x2−αP(x) = x^2 - \alpha.

b) Chứng minh rằng có nhiều nhất một đa thức có bậc cho trước giao hoán với đa thức PP bậc hai đã cho.

b) Tìm tất cả các đa thức bậc 4 và 8 giao hoán với đa thức PP bậc hai đã cho.

d) Chứng minh rằng nếu hai đa thức QQ và RR giao hoán với một đa thức PP bậc hai nào đó thì chúng giao hoán với nhau.

d) Chứng minh rằng tồn tại khối đa thức P1,P2,…,Ph,…P_1, P_2, \dots, P_h, \dots giao hoán với nhau, bậc của đa thức PhP_h bằng kk và P2(x)=x2−2P_2(x) = x^2 - 2.

Lời giải bài toán a)—d)

a) Đặt Q(x)=x3+ax2+bx+cQ(x) = x^3 + ax^2 + bx + c. Chúng ta hãy viết ra đẳng thức P(Q(x))=Q(P(x))P(Q(x)) = Q(P(x)):
x3+ax2+bx+c)2−α=(x2−α)3+a(x2−α)2+b(x2−α)+cx^3 + ax^2 + bx + c)^2 - \alpha = (x^2 - \alpha)^3 + a(x^2 - \alpha)^2 + b(x^2 - \alpha) + c.

Trước khi mở ngoặc, lưu ý rằng ở bên phải chỉ có bốn lũy thừa xx và hệ số vết tại x5x^5 bằng 2a. Vì vậy, a=0a = 0. Nhưng khi đó hệ số vết của x3x^3 bằng 2c, thì c=0c = 0 cũng vậy. Vì vậy Q(x)=x3+bxQ(x) = x^3 + bx. Mở ngoặc và cân bằng các hệ số, ta được hệ
{2b=−3α,b2=3α2+b,α=α3+bα.\begin{cases} 2b = -3\alpha, \\ b^2 = 3\alpha^2 + b, \\ \alpha = \alpha^3 + b\alpha. \end{cases}

Đặt α=2γ\alpha = 2\gamma, sau đó b=−3γb = -3\gamma. Từ phương trình thứ 2 9γ2=12γ2−3γ9\gamma^2 = 12\gamma^2 - 3\gamma, tức là γ2−γ=0\gamma^2 - \gamma = 0. Vì vậy, γ=0\gamma = 0 hoặc γ=1\gamma = 1. Thật dễ dàng để kiểm tra xem cả hai lời giải này đều phù hợp.

20

Do đó, đa thức bậc 3 QQ giao hoán với đa thức P(x)=x2−αP(x) = x^2 - \alpha chỉ tồn tại với α=0\alpha = 0 (P(x)=x2P(x) = x^2, Q(x)=x3Q(x) = x^3) và cho α=2\alpha = 2 (P(x)=x2−2P(x) = x^2 - 2, Q(x)=x3−3xQ(x) = x^3 - 3x).

Người ta cũng chứng minh tương tự rằng nếu bậc QQ bằng 2 thì Q=PQ = P, và nếu nó bằng 1 thì Q(x)=xQ(x) = x.

Điểm này rất đơn giản. Nó được trao cho học sinh tại Thế vận hội để các em hiểu rõ hơn về các điều kiện của bài toán và làm quen một chút với nó. Ngoài ra, nếu bạn hiểu kỹ các phương trình đã được viết ra, thì sẽ nảy sinh ý tưởng về cách giải điểm 6) - một trong những điểm mấu chốt bài toán.

  1. Đặt Q(x)=xk+a1xk−1+a2xk−2+⋯+ak−1x+akQ(x) = x^k + a_1x^{k-1} + a_2x^{k-2} + \dots + a_{k-1}x + a_k, P(x)=x2+px+qP(x) = x^2 + px + q. Hãy viết biểu thức đẳng thức (xk+a1xk−1+⋯+ak)2+p(xk+⋯+ak)+q−(x2+px+q)k−a1(x2+px+q)k−1−⋯−ak=0(x^k + a_1x^{k-1} + \dots + a_k)^2 + p(x^k + \dots + a_k) + q - (x^2 + px + q)^k - a_1(x^2 + px + q)^{k-1} - \dots - a_k = 0.

Đánh đồng các hệ số tại x2kx^{2k}, x2k−1x^{2k-1}, …, xx, x0x^0 với 0, ta thu được hệ phương trình cho a1a_1, a2a_2, …, aka_k, pp, qq. Việc giải hệ thống này và thậm chí chỉ đơn giản là viết nó ra cũng khá khó khăn. Tuy nhiên, dễ dàng nhận thấy các hệ số b1b_1, b2b_2, …, bkb_k cho lũy thừa x2k−1x^{2k-1}, x2k−2x^{2k-2}, …, xkx^k có dạng sau:

b1=2a1+R1(p,q)=0,b_1 = 2a_1 + R_1(p, q) = 0,
b2=2a2+R2(p,q,a1)=0,b_2 = 2a_2 + R_2(p, q, a_1) = 0,
bk=2ak+Rk(p,q,a1,…,ak−1)=0.b_k = 2a_k + R_k(p, q, a_1, \dots, a_{k-1}) = 0.

Đây RiR_i là một số biểu thức đại số từ pp, qq, a1a_1, …, ai−1a_{i-1}. Từ phương trình đầu tiên, a1a_1 được biểu thị thông qua pp và qq; từ giây - rằng a2a_2 được biểu thị qua pp, qq và a1a_1, và do đó được biểu thị qua pp và qq, … Vì vậy, chúng ta thấy rằng tất cả các hệ số a1a_1, …, aka_k được biểu thị qua pp và qq, tức là các hệ số của đa thức QQ giao hoán với PP, được biểu diễn duy nhất theo pp và qq, đây là điều cần phải chứng minh.

Thật dễ dàng để xác minh rằng một lý luận tương tự có thể được xác minh cho bất kỳ đa thức PP nào, miễn là bậc của nó lớn hơn 1 (và QQ là đơn vị), tức là tuyên bố trong đoạn 6) là đúng với bất kỳ đa thức nào.

Điểm 6) là chìa khóa trong bài toán. Điểm c) và d) dễ dàng theo dõi từ đó.

c) Hãy chứng minh đa thức Q(x)=P(P(x))Q(x) = P(P(x)) giao hoán với PP. Thật vậy, Q(P(x))=P(Q(x))Q(P(x)) = P(Q(x)). Đa thức QQ có bậc bốn và, theo 6) là đa thức duy nhất ở bậc này giao hoán với PP. Tương tự, người ta chứng minh rằng đa thức bậc 8 duy nhất giao hoán với PP là đa thức R(x)=P(P(x))R(x) = P(P(x)).

d) Đặt S(x)=Q(R(x))S(x) = Q(R(x)) và T(x)=R(Q(x))T(x) = R(Q(x)). Vì PP giao hoán với QQ và RR, nên P(S(x))=P(Q(R(x)))=Q(P(R(x)))=Q(R(P(x)))=S(P(x));P(S(x)) = P(Q(R(x))) = Q(P(R(x))) = Q(R(P(x))) = S(P(x)); có nghĩa là PP giao hoán với đa thức SS. Theo cách tương tự, người ta xác minh rằng PP giao hoán với đa thức TT. Hơn nữa, rõ ràng rằng SS và TT là các đa thức đơn nhất có cùng bậc (nếu QQ và RR có bậc kk và ll thì bậc của đa thức SS và TT là klkl). Từ 6) suy ra S=TS = T, tức là Q(R(x))=R(Q(x))Q(R(x)) = R(Q(x)), là điều bắt buộc.

Tương tự như ở điểm 6), mệnh đề vẫn đúng nếu PP là đa thức bậc bất kỳ lớn hơn 1 và QQ và RR là đơn nhất.

Đa thức Chebyshev.
Lời giải điểm d)

Điểm d) khó hơn nhiều so với các điểm khác. Chúng tôi sẽ đưa ra một số cách tiếp cận khác nhau đối với lời giải của nó.

Cách đầu tiên. Hãy để x=t+t−1x = t + t^{-1}. thì dễ dàng kiểm tra được xkx^k có dạng

xk=(t+t−1)k=(tk+t−k)+a1(tk−1+t−(k−1))+a2(tk−2+t−(k−2))+⋯+ak−1(t+t−1)+ak,x^k = (t + t^{-1})^k = (t^k + t^{-k}) + a_1(t^k - 1 + t^{-(k-1)}) + a_2(t^k - 2 + t^{-(k-2)}) + \dots + a_{k-1}(t + t^{-1}) + a_k,

trong đó a1a_1, …, aka_k là một số số cố định. Bằng quy nạp trên kk suy ra tk+t−kt^k + t^{-k} có thể được biểu diễn dưới dạng

xk+b1xk−1+⋯+bk−1x+bk,x^k + b_1x^{k-1} + \dots + b_{k-1}x + b_k,

trong đó b1b_1, …, bkb_k là một số số cố định. Chúng ta hãy biểu thị đa thức xk+b1xk−1+⋯+bkx^k + b_1x^{k-1} + \dots + b_k bằng

21

Pk(x)P_k(x). Theo định nghĩa Pk(t+t−1)=tk+t−kP_k(t+t^{-1}) = t^k + t^{-k}, vậy Pk(Pl(t+t−1))=Pk(tl+t−l)=tkl+t−kl=Pkl(t+t−1)P_k(P_l(t+t^{-1})) = P_k(t^l + t^{-l}) = t^{kl} + t^{-kl} = P_{kl}(t + t^{-1}). Do đó, Pk(Pl(x))=Pkl(x)=Pl(Pk(x))P_k(P_l(x)) = P_{kl}(x) = P_l(P_k(x)), tức là hai đa thức bất kỳ PkP_k giao hoán. Kể từ P2(x)=x2−2P_2(x) = x^2 - 2, chúng ta đã xây dựng được chuỗi đa thức cần thiết.

Cách thứ hai. Hãy để chúng tôi trình bày một phương pháp thu được đa thức PkP_k bằng cách sử dụng đa thức Chebyshev TkT_k. Chúng tôi sẽ không đưa ra định nghĩa trực tiếp về các đa thức này, nhưng chúng tôi sẽ đưa ra sự tương ứng mà chúng thỏa mãn (và xác định chúng một cách duy nhất):

Tk(cos⁡t)=cos⁡kt.T_k(\cos t) = \cos kt.

Có thể chứng minh rằng TkT_k là đa thức bậc kk. Dễ dàng chứng minh rằng đa thức Chebyshev giao hoán:

Tk(Tm(x))=Tkm(x)=Tm(Tk(x))T_k(T_m(x)) = T_{km}(x) = T_m(T_k(x))

  • thực tế là cos⁡k(mt)=cos⁡kmt=cos⁡m(kt)\cos k(mt) = \cos kmt = \cos m(kt). Nhưng TkT_k không phải là đa thức đơn nhất: hệ số cao nhất của nó là 2k−12^{k-1}. Nhược điểm này có thể dễ dàng khắc phục bằng cách “kéo dài” đối số và giá trị của đa thức theo hệ số hai bằng cách sử dụng phép đổi biến, tức là bằng cách đặt Pk(x)=2Tk(x/2)P_k(x) = 2T_k(x/2). Quy trình này không vi phạm tính giao hoán (hãy kiểm tra cái này!). Một dãy đa thức Chebyshev đáng chú ý, xuất hiện trong nhiều bài toán giải tích (đặc biệt trong lý thuyết xấp xỉ hàm số bằng đa thức), hóa ra lại là một dãy đa thức giao hoán. Bằng cách này, chuỗi PkP_k đã được E. Turkev và Part xây dựng.

Cả hai phương pháp được mô tả đều dựa trên cùng một ý tưởng. Giả sử có một hàm nào đó ff lấy vô số giá trị và sao cho với mọi số tự nhiên nn

f(nt)=Qn(f(t))f(nt) = Q_n(f(t))

trong đó QnQ_n là đa thức. Khi đó các đa thức QmQ_m và QnQ_n giao hoán. Ví dụ: nếu f(t)=etf(t) = e^t, thì chúng ta thu được đa thức chuyển mạch nối tiếp Fn(x)=xnF_n(x) = x^n. Nếu f(t)=et+e−tf(t) = e^t + e^{-t}, thì chúng ta nhận được đa thức nối tiếp PnP_n (đây chính xác là phương pháp xây dựng đa thức PnP_n đầu tiên của chúng ta, chỉ có tt ở đây được thay thế bằng ete^t). Nếu f(t)=cos⁡tf(t) = \cos t thì chúng ta thu được đa thức nối tiếp TnT_n. (Đối với những người quen thuộc với số phức và công thức cos⁡φ=(eiφ+e−iφ)/2\cos \varphi = (e^{i\varphi} + e^{-i\varphi})/2, thật dễ dàng tìm ra lý do tại sao hàm et+e−te^t + e^{-t} và cos tt về cơ bản lại dẫn đến cùng một chuỗi đa thức, khoảng cách lên tới gấp đôi.)

lời giải trong đoạn e) rất đẹp, nhưng chúng có một nhược điểm: hoàn toàn không rõ làm cách nào để truy cập chúng. Chúng tôi sẽ tặng thêm một lời giải; nó sẽ bớt ngắn hơn nhưng sẽ rõ ràng nó được phát minh như thế nào và cách viết nhanh các đa thức PnP_n.

Cách thứ ba. Như sau từ điểm b), chỉ có thể có một đa thức PkP_k bậc kk giao hoán với P2(x)=x2−2P_2(x) = x^2 - 2. Chúng ta hãy viết ra một vài đa thức đầu tiên như vậy:

P1(x)=x,P_1(x) = x,
P2(x)=x2−2,P_2(x) = x^2 - 2,
P3(x)=x3−3x,P_3(x) = x^3 - 3x,
P4(x)=x4−4x2+2,P_4(x) = x^4 - 4x^2 + 2,
P5(x)=x5−5x3+5x,P_5(x) = x^5 - 5x^3 + 5x,
P6(x)=x6−6x4+9x2−2P_6(x) = x^6 - 6x^4 + 9x^2 - 2

(ở đây P4(x)=P2(P2(x))P_4(x) = P_2(P_2(x)), P6(x)=P2(P3(x))P_6(x) = P_2(P_3(x)), P5(x)P_5(x) giống như ở điểm a)). Sau khi xem xét chuỗi đa thức này, chúng ta có thể thay thế nó thỏa mãn công thức truy hồi Pk+1(x)=xPk(x)−Pk−1(x)P_{k+1}(x) = xP_k(x) - P_{k-1}(x). Thật tự nhiên khi cho rằng công thức này đúng với mọi k>1k > 1.

Vì vậy, chúng ta hãy định nghĩa dãy đa thức P1,P2,…,Pn,…P_1, P_2, \dots, P_n, \dots bằng quy nạp, giả sử rằng

P1(x)=x,P_1(x) = x,
P2(x)=x2−2,P_2(x) = x^2 - 2,

và tại k>1k > 1

Pk+1(x)=xPk(x)−Pk−1(x).P_{k+1}(x) = xP_k(x) - P_{k-1}(x).

Hãy chứng minh rằng mọi đa thức PkP_k đều giao hoán với đa thức P2P_2; thì tất cả đều đi lại với nhau (điểm d)).

Hãy chứng minh bằng quy nạp. Rõ ràng là các đa thức P1P_1 và P2P_2 giao hoán với P2P_2; giả sử rằng mọi đa thức P1,P2,…P_1, P_2, \dots

22

…, PkP_k giao hoán với P2P_2, và chúng ta chứng minh rằng đa thức Pk+1P_{k+1} giao hoán với P2P_2.

Chúng ta cần thể hiện điều đó
Pk+1(x2−2)=(Pk+1(x))2−2.P_{k+1}(x^2-2)=(P_{k+1}(x))^2-2.

Thay công thức truy hồi cho Pk+1P_{k+1} vào đẳng thức này, chúng ta viết lại nó dưới dạng
(x2−2)Pk(x2−2)−Pk−1(x2−2)(x^2-2)P_k(x^2-2)-P_{k-1}(x^2-2)
=(xPk(x)−Pk−1(x))2−2.=(xP_k(x)-P_{k-1}(x))^2-2.

Bây giờ chúng ta sử dụng giả định quy nạp:
(x2−2)(Pk(x)2−2)−(Pk−1(x)2−2)(x^2-2)(P_k(x)^2-2)-(P_{k-1}(x)^2-2)
=(xPk(x)−Pk−1(x))2−2.=(xP_k(x)-P_{k-1}(x))^2-2.

Mở rộng dấu ngoặc và điều kiện dẫn động, chúng ta thu được đẳng thức sau:
−2(Pk(x)2−xPk(x)Pk−1(x))+Pk−1(x)2=2x2−8-2(P_k(x)^2-xP_k(x)P_{k-1}(x))+P_{k-1}(x)^2=2x^2-8

hoặc
Pk(x)2−xPk(x)Pk−1(x)+Pk−1(x)2=4−x2.P_k(x)^2-xP_k(x)P_{k-1}(x)+P_{k-1}(x)^2=4-x^2.

Hãy biểu thị vế trái (*) bằng Sk(x)S_k(x). Chúng ta còn phải chứng minh rằng Sk(x)S_k(x) không phụ thuộc vào kk (và bằng 4−x24-x^2). Thật vậy, hãy để k>2k>2. Sau đó
Sk(x)=Pk(x)2−xPk(x)Pk−1(x)+Pk−1(x)2=Pk(x)[Pk(x)−xPk−1(x)]+Pk−1(x)2S_k(x)=P_k(x)^2-xP_k(x)P_{k-1}(x)+P_{k-1}(x)^2=P_k(x)[P_k(x)-xP_{k-1}(x)]+P_{k-1}(x)^2
=−Pk(x)Pk−2(x)+Pk−1(x)2=Pk−2(x)2−xPk−1(x)Pk−2(x)+Pk−1(x)2=Sk−1(x),=-P_k(x)P_{k-2}(x)+P_{k-1}(x)^2=P_{k-2}(x)^2-xP_{k-1}(x)P_{k-2}(x)+P_{k-1}(x)^2=S_{k-1}(x),
tức là Sk(x)=Sk−1(x)S_k(x)=S_{k-1}(x). Vì S2(x)=4−x2S_2(x)=4-x^2, Sk(x)=4−x2S_k(x)=4-x^2 cho tất cả x≥2x \geq 2. Vì vậy, chúng ta đã chỉ ra rằng PkP_k giao hoán với P2P_2 với mọi kk.

Bài toán về đa thức giao hoán

Chúng ta muốn thảo luận về bài toán liên quan đến bài toán sau: mô tả tất cả các cặp đa thức giao hoán (không nhất thiết là đơn nhất) PP và QQ.

Bài toán 1. Chứng minh rằng hai đa thức PP và QQ bậc một giao hoán khi và chỉ nếu P(x)=x+αP(x)=x+\alpha, Q(x)=x+βQ(x)=x+\beta hoặc tồn tại một x0x_0 sao cho P(x0)=Q(x0)=x0P(x_0)=Q(x_0)=x_0 (điểm cố định chung).

Bài toán 2. Giải bài toán tổng quát khi bậc của một trong các đa thức PP, QQ bằng 1.

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ giả sử rằng bậc của đa thức PP và QQ lớn hơn 1.

Đặt P(x)=a0xk+a1xk−1+⋯+ak−1x+akP(x)=a_0x^k+a_1x^{k-1}+\cdots+a_{k-1}x+a_k, Q(x)=b0xe+⋯+be−1x+beQ(x)=b_0x^e+\cdots+b_{e-1}x+b_e. Trước hết, chúng tôi chứng minh rằng chúng tôi có thể quy giản bài toán tổng quát cho trường hợp các hệ số a1a_1 và b1b_1 bằng 0 (đa thức loại này được gọi là giảm). Để làm điều này, chúng tôi sẽ sử dụng thao tác sau. Chúng ta hãy sửa số aa và sử dụng nó để xây dựng từ mỗi đa thức RR một đa thức mới, “khớp” R(a)R^{(a)} bằng cách sử dụng công thức R(a)(x)=R(x−a)+aR^{(a)}(x)=R(x-a)+a. Rõ ràng là đa thức RR có thể được xây dựng lại từ đa thức R(a):R(x)=R(a)(x+a)−aR^{(a)}:R(x)=R^{(a)}(x+a)-a.

Bài toán 3. a) Chứng minh rằng nếu đa thức PP và QQ giao hoán thì P(a)P^{(a)} và Q(a)Q^{(a)} cũng giao hoán.

  1. Chứng minh rằng mọi cặp đa thức giao hoán PP và QQ bậc lớn hơn 1 đều có dạng P=S(a)P=S^{(a)}, Q=T(a)Q=T^{(a)}, trong đó aa là một số nào đó, còn SS và TT đang giao hoán các đa thức rút gọn.

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ giả sử rằng các đa thức PP và QQ đã cho. Ngoài ra, chúng ta sẽ giả sử rằng chúng là đơn nhất, nghĩa là hệ số cao nhất của chúng bằng 1. Rõ ràng, đây là trường hợp đặc biệt thú vị nhất. Ngoài ra, bằng cách suy luận tương tự như cách làm ở trên, cho thấy có thể quy giản bài toán tổng quát cho trường hợp hệ số cao nhất của các đa thức PP và QQ đều bằng ±1, sao cho trường hợp riêng này không khác nhiều so với trường hợp tổng quát (trong các lập luận này cần sử dụng thao tác “kéo dài”, liên kết từng đa thức RR với đa thức RλR^{\lambda} theo công thức Rλ(x)=λR(x/λ)R^{\lambda}(x)=\lambda R(x/\lambda)). Chúng ta hãy mô tả một số chuỗi đa thức giao hoán:

  1. Giả sử RR là đa thức bậc rr. Xét chuỗi đa thức P0(x)=xP_0(x)=x, P1(x)=R(x)P_1(x)=R(x), P2(x)=R(R(x))P_2(x)=R(R(x)), P3(x)=R(R(R(x)))P_3(x)=R(R(R(x))) (nói chung Pi+1(x)=Pi(R(x))P_{i+1}(x)=P_i(R(x))).

Rõ ràng là mọi đa thức PiP_i giao hoán và bậc của đa thức PiP_i bằng rir^i.

23

  1. Chuỗi đa thức Fk(x)=xkF_k(x) = x^k. Tất cả các đa thức FkF_k giao hoán và bậc của đa thức FkF_k là kk.

  2. {Pk}\{P_k\} là chuỗi đa thức được xây dựng tại lời giải của điểm e) bài toán M455. Các đa thức này được xác định bởi điều kiện Pk(t+t−1)=tk+t−kP_k(t + t^{-1}) = t^k + t^{-k}. Bậc của đa thức PkP_k là kk.

  3. Chúng ta hãy định nghĩa chuỗi đa thức H1,H3,H5,…H_1, H_3, H_5, \dots theo điều kiện sau: Hk(t−t−1)=tk−t−kH_k(t - t^{-1}) = t^k - t^{-k} (k lẻ). Thật dễ dàng để xác minh rằng các đa thức đó tồn tại và được xác định duy nhất bởi điều kiện đã viết. Tất cả các đa thức này giao hoán và bậc của đa thức HkH_k bằng kk.

Trên thực tế, ví dụ 3 và 4 là trường hợp đặc biệt của một ví dụ tổng quát hơn. Để mô tả ví dụ chung này, chúng ta đưa ra một nhận xét về các hệ số của đa thức. Cho đến nay chúng ta vẫn giả định rằng các hệ số này là số thực. Tuy nhiên, trong hầu hết các câu hỏi đại số, tốt hơn là nên làm việc với số phức. Do đó, hãy giả sử rằng các hệ số của đa thức của chúng ta có thể là bất kỳ số phức nào.

  1. Chúng tôi sửa một số tự nhiên mm và một số phức λ\lambda sao cho λm=1\lambda^m = 1 (với mỗi mm có một số m−1m - 1 khác 1).

Xét các cặp số (u,v)(u, v) sao cho u.v=λu.v = \lambda và đặt x=u+vx = u + v. Dễ dàng kiểm tra được rằng uk+vk=xk+a1xk−1+⋯+aku^k + v^k = x^k + a_1x^{k-1} + \dots + a_k, trong đó a1,…,aka_1, \dots, a_k là một số số, phụ thuộc vào λ\lambda. Hãy đặt Pk(x)=xk+a1xk−1+⋯+akP_k(x) = x^k + a_1x^{k-1} + \dots + a_k; đa thức PkP_k được đặc trưng bởi điều kiện sau: Pk(u+v)=uk+vkP_k(u + v) = u^k + v^k nếu uv=λuv = \lambda.

Gọi ll là số chia cho mm dư 1. Sau đó ulvl=(uv)l=λl=λu^lv^l = (uv)^l = \lambda^l = \lambda, vậy Pk(ul+vl)=ukl+vklP_k(u^l + v^l) = u^{kl} + v^{kl}. Do đó, nếu kk và ll cho số dư 1 khi chia cho mm, thì Pk(Pl(u+v))=ukl+vkl=Pl(Pk(u+v))P_k(P_l(u + v)) = u^{kl} + v^{kl} = P_l(P_k(u + v)), tức là các đa thức PkP_k và PlP_l giao hoán. Dựa vào số λ\lambda, chúng ta đã xây dựng được dãy đa thức giao hoán P1,Pm+1,P2m+1P_1, P_{m+1}, P_{2m+1}, …. Tất cả các đa thức này đều đơn nhất, rút ​​gọn và bậc PkP_k bằng kk.

Đối với m=1m = 1, λ=1\lambda = 1 chúng ta lấy ví dụ 3, đối với m=2m = 2, λ=−1\lambda = -1 chúng ta lấy ví dụ 4.

Ví dụ 1–5 đã sử dụng hết tất cả các ví dụ đã biết về giao hoán đa thức, vì vậy chúng ta có thể đưa ra giả thuyết rằng nếu PP và QQ đang giao hoán các đa thức rút gọn đơn nhất bậc lớn hơn 1 với các hệ số phức, thì chúng được đưa vào một trong các chuỗi được xây dựng trong Ví dụ 1, 2, 5.

Không giải được bài toán tổng quát, bạn có thể thử trả lời một số câu hỏi từng phần:

  1. Với α\alpha thì đa thức P(x)=x2−αP(x) = x^2 - \alpha giao hoán với một đa thức bậc lẻ nào đó.

  2. Giả sử PP là một đa thức đơn nhất có bậc lớn hơn 1. Hãy lưu ý bậc của tất cả các đa thức đơn nhất QQ giao hoán với PP. Tập hợp con số tự nhiên nào có thể dẫn đến kết quả này?

Ví dụ, trong ví dụ 1 đây là cấp số nhân; trong ví dụ 5 - số học.

  1. Cho P,QP, Q giao hoán các đa thức đơn nhất bậc kk và ll. Giả sử ll chia hết cho kk. Có đúng là QQ có dạng Q(x)=P(R(x))Q(x) = P(R(x)), trong đó RR là đa thức đơn nhất giao hoán với PP?

Bạn có thể hình thành một bài toán tổng quát hơn - tìm tất cả các hàm hữu tỉ giao hoán PP và QQ. Trong trường hợp này, nhiều ví dụ thú vị mới xuất hiện.

Phương pháp chung mà chúng ta đã thảo luận ở lời giải của đoạn e) cho đa thức cũng phù hợp ở đây. Giả sử tồn tại một hàm ff (nhận vô số giá trị) sao cho

f(nt)=Pn(f(t)),f(nt) = P_n(f(t)),

trong đó PnP_n là hàm hữu tỉ. Sau đó, đối với các hàm nn và mm khác nhau, các hàm PnP_n và PmP_m chuyển đổi.

Một câu hỏi thú vị được đặt ra: đối với những hàm nào ff, với bất kỳ nn nào, chúng ta có thể chọn một hàm hữu tỷ PnP_n sao cho Pn(f(t))=f(nt)P_n(f(t)) = f(nt). Ví dụ: có thể dễ dàng kiểm tra xem hàm f(t)=tgtf(t) = tg t có thỏa mãn điều kiện này hay không.

Có thể xây dựng các ví dụ khác về hàm ff bằng cách sử dụng lý thuyết hàm elip. Vì đây không phải là một lý thuyết cơ bản nên chúng ta sẽ không mô tả các cách xây dựng tương ứng ở đây.

Tất cả những ví dụ này cho thấy rằng bài toán về việc mô tả các đa thức giao hoán (và nói chung hơn là giao hoán các hàm hữu tỷ) có liên quan trực tiếp đến các lý thuyết toán học rất sâu sắc và phong phú. Lời giải điều này bài toán rõ ràng sẽ tiết lộ một số sự thật mới, chưa được biết đến trước đây. Nói tóm lại, đây là một khoản vay đáng bài toán.