根 (数学)

[[Image:X-intercepts.svg|thumb|300px|区间[-2π,2π]上的函数ƒ(x)=cosx,红色点为函数的根。]]
数学上,函数f的一个(或称零点)是f的定义域D中适合f(x)=0的元素x。换言之,x是方程f(x)=0的解。

多项式的一个是相应多项式函数的零点。代数基本定理表明,任何非零多项式的根的个数(计入重数)至多等于其次数,且在复数域(或更一般地,在代数闭扩域)中根的个数恰好等于次数。例如,二次多项式f(x)=x^2-5x+6=(x-2)(x-3)有两个根:2和3,因为f(2)=2^2-5\times2+6=0且f(3)=3^2-5\times3+6=0。

如果函数将实数映射到实数,则其零点为函数图像与x轴交点的x坐标;在此上下文中,点(x,0)也称为x截距

例子:
*若f(x) = \cos\mbox{ }x是實數域上定義的函數,它的根是所有形如\frac\pi2+k\pi的數(k為整數)。
*若f(x) = x^3 + x^2 + 4x + 4是實數域上定義的函數,它的根是x=-1。若f的定義域擴展至複數,則它會多了兩個根x=2\mathrm i, -2\mathrm i。

方程的解
每个关于未知数x的方程都可以通过将所有项移至等号左边,改写成如下形式:

:f(x)=0

因此,方程的解就是函数f的零点。换言之,研究函数的零点与研究方程的解是完全等价的。

多项式的根
每个实系数奇次多项式必有奇数个实根(计入重数);偶次多项式必有偶数个实根。因此,奇次多项式至少有一个实根(因为最小奇正整数是1),而偶次多项式可能没有实根。这一结论可由介值定理证明:由于多项式函数是连续的,当函数值从负变为正(或反之)时必经过零,而奇次多项式的两端行为总是相反的,从而确保至少有一个根。

代数基本定理
代数基本定理指出,每个n次多项式都恰好有n个复根(计入重数)。实系数多项式的非实根以共轭对的形式出现。韦达定理将多项式的系数与其根的和与积联系起来。

求根方法
求函数零点的近似值有许多方法,其中最著名的是牛顿法;参见求根算法。

对于多项式,存在专门的算法,可以更高效地求出所有根或所有实根;参见多项式求根和实根隔离。

某些多项式(包括所有不超过四次的)的根可以用其系数的代数表达式表示,即以根式的形式给出;参见根式解。

零集
在各种数学领域中,函数的零集(zero set)是指其所有零点构成的集合。更精确地说,若f:X\to\mathbb{R}是一个实值函数(或更一般地,取值于某个加法群的函数),其零集为f^{-1}(0),即\{0\}在X中的原像。

在相同的值域假设下,函数f的水平集(level set)是函数f-c(其中c是f的值域中的元素)的零集。

线性映射的零集也称为其核(kernel)。

函数f:X\to\mathbb{R}的余零集(cozero set)是f的零集的补集,即X中f不为零的子集。

应用
在代数几何中,代数簇的第一个定义就是通过零集给出的。具体而言,仿射代数集是多项式环k\left[x_1,\ldots,x_n\right]中几个多项式的零集的交集。在此上下文中,零集有时称为零轨迹(zero locus)。

在数学分析和几何学中,\mathbb{R}^n中的任何闭集都是某个定义在\mathbb{R}^n上的光滑函数的零集;这一结论可以推广到任何光滑流形上(作为仿紧空间的推论)。

在微分几何中,零集常用于定义流形。一个重要的特例是f为从\mathbb{R}^m到\mathbb{R}^n的光滑函数。若零是f的正则值,则根据正则值定理,f的零集是一个(m-n)维光滑流形。例如,\mathbb{R}^{m+1}中的单位m维球面是实值函数f(x)=\Vert x\Vert^2-1的零集。

参见
*求根算法
*介值定理:若连续函数在区间两端取相反符号,则该区间内至少有一个零点。
*高斯-卢卡斯定理:多项式导数的复根位于多项式根的凸包内。

参考文献
延伸阅读
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