Алгоритмы с многочленами

2.4. Алгоритм Евклида

Алгоритм Евклида - метод для нахождения наибольшего общего делителя двух целых чисел, а также двух многочленов от одного переменного. Он первоначально был изложен в «Началах» Евклида в геометрической форме как способ нахождения общей меры двух отрезков. Алгоритм Евклида для нахождения наибольшего общего делителя, как в кольце целых чисел, так и в кольце многочленов от одного переменного является частным случаем некого общего алгоритма в евклидовых кольцах.

Алгоритм Евклида для нахождения наибольшего общего делителя двух многочленов и состоит в последовательном делении с остатком на , затем на первый остаток , затем на второй остаток и так далее. Так как степени остатков все время понижаются, то в этой цепочке последовательных делений мы дойдем до такого места, на котором деление совершится нацело и процесс остановится. Последний отличный от нуля остаток , на который нацело делится предыдущий остаток , и является наибольшим общим делителем многочленов и .

Для доказательства запишем изложенное в виде следующей цепочки равенств:

(2.4)

Последнее равенство показывает, что служит делителем для . Отсюда следует, что оба слагаемых правой части предпоследнего равенства делятся на , а поэтому будет делителем и для . Далее, таким же путем, поднимаясь вверх, мы получим, что является делителем и для , …, , . Отсюда ввиду второго равенства, будет следовать, что служит делителем для , а поэтому, на основании первого равенства, - и для .

Возьмем теперь произвольный общий делитель многочленов и . Так как левая часть и первое слагаемое правой части первого из равенств делятся на , то также будет делится на . Переходя ко второму и следующему равенствам, таким же способом получим, что на делятся многочлены , , … Наконец, если уже будет доказано, что и делятся на , то из предпоследнего равенства получим, что делится на . Таким образом, на самом деле будет наибольшим общим делителем для и .

Мы доказали, что любые два многочлена обладают наибольшим общим делителем, и получили способ его вычисления. Этот способ показывает, что если многочлены и имеют оба рациональные или действительные коэффициенты, то и коэффициенты их наибольшего общего делителя также будут рациональными или, соответственно, действительными, хотя у этих многочленов могут существовать и такие делители, не все коэффициенты которых рациональны (действительны).

Если есть наибольший общий делитель многочленов и , то, как показывают свойства 8. и 9., в качестве наибольшего общего делителя этих многочленов можно было бы выбрать также многочлен , где - произвольное число, отличное от нуля. Иными словами, их наибольший общий делитель двух многочленов определен лишь с точностью до множителя нулевой степени. Ввиду этого можно условиться, что старший коэффициент наибольшего общего делителя двух многочленов будет всегда считаться равным единице. Используя это условие можно сказать, что два многочлена тогда и только тогда взаимно просты, если их наибольший общий делитель равен единице. В самом деле, в качестве наибольшего общего делителя двух взаимно простых многочленов можно взять любое число, отличное от нуля, но, умножая его на обратный элемент, получим единицу.

Применяя алгоритм Евклида к многочленам с целыми коэффициентами, можем, чтобы избежать дробных коэффициентов, умножить делимое или сократить делитель на любое не равное нулю число, причем не только начиная какое-либо из последовательных делений, но и в процессе самого этого деления. Это будет приводить к искажению частного, но интересующие нас остатки будут приобретать лишь некоторый множитель нулевой степени, что при разыскании наибольшего общего делителя допускается.

Пример. Найти наибольший общий делитель многочленов и .

1. и

Совершим требуемые деления с остатком:

Построение последовательности Евклида закончено. Ее последний член есть наибольший общий делитель исходных многочленов.

2. и

Совершим требуемые деления с остатком:

Я составила программу для нахождения наибольшего общего делителя двух многочленов:

unit Unit1;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,

Dialogs, StdCtrls, Grids;

type

TForm1 = class(TForm)

Label1: TLabel;

Label2: TLabel;

Edit1: TEdit;

Edit2: TEdit;

SGd1: TStringGrid;

Label3: TLabel;

Button1: TButton;

Label4: TLabel;

Edit4: TEdit;

Label5: TLabel;

Label6: TLabel;

procedure Button1Click(Sender: TObject);

private

{ Private declarations }

public

{ Public declarations }

end;

var

Form1: TForm1;

st1,st2:integer;

kof1,kof2,k1,k2:array[0..10] of integer;

implementation

{$R *.dfm}

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

var i,j,k_1,st3,l:integer;

sokr:boolean;

k2_2,k1_1:array[0..10] of integer;

begin

st1:=StrToInt(Edit1.Text);

st2:=StrToInt(Edit2.Text);

for i:=0 to st1 do begin

kof1[i]:=StrToInt(SGd1.Cells[i,0]);

k1[i]:=StrToInt(SGd1.Cells[i,0]);

end;

for i:=0 to st2 do begin

kof2[i]:=StrToInt(SGd1.Cells[i,1]);

k2[i]:=StrToInt(SGd1.Cells[i,1]);

end;

while kof2[0]<>0 do begin

repeat

Edit4.Text:=;

k_1:=k1[0];

if k1[0]<>kof2[0] then begin

if (k1[0] mod kof2[0])=0 then begin

for j:=0 to st2 do

k2[j]:=(k1[0] div kof2[0])*kof2[j];

end

else begin

if k2[0]<>1 then

for j:=0 to st1 do

k1[j]:=kof2[0]*k1[j];

if k_1<>1 then begin

for j:=0 to st2 do

k2[j]:=k_1*kof2[j];

end;

for i:=1 to st1 do begin

k1[i-1]:=k1[i]-k2[i];

end;

st1:=st1-1;

until st1<st2;

if k1[0]<>0 then begin //Сокращение

sokr:=true;

for i:=1 to st1 do

if k1[i]<>0 then begin

if (k1[i] mod k1[0])<>0 then sokr:=false;

end;

k_1:=k1[0];

if sokr=true then

for i:=0 to st1 do

k1[i]:=k1[i] div k_1;

end;

for i:=0 to st2 do //Замена многочленов

k2_2[i]:=kof2[i];

for i:=0 to st1 do

k1_1[i]:=k1[i];

for i:=0 to 10 do begin

kof1[i]:=0;

k1[i]:=0;

kof2[i]:=0;

k2[i]:=0;

end;

for i:=0 to st2 do begin

k1[i]:=k2_2[i];

if k1[i]<>0 then

Edit4.Text:=Edit4.Text+IntToStr(k1[i])+x^+IntToStr(st2-i);

if (k2_2[i+1]>0)and(i<st2) then Edit4.Text:=Edit4.Text++;

end;

for i:=0 to st1 do begin

k2[i]:=k1_1[i];

kof2[i]:=k1_1[i];

end;

st3:=st1;

st1:=st2;

st2:=st3;

end;

end.

Используем алгоритм Евклида для доказательства следующей теоремы:

Теорема. Если есть наибольший общий делитель многочленов и , то можно найти такие многочлены и , что

. (2.5)

Можно считать при этом, если степени многочленов и больше нуля, что степень меньше степени , а степень меньше степени .

Доказательство основано на равенствах (2.4). Если учтем, что , и положим , , то предпоследнее из равенств (2.4) даст:

Подставляя сюда выражение через и из предшествующего равенства (2.4), получим:

где , . Продолжая подниматься вверх по равенствам (2.4), придем к доказываемому равенству (2.5).

Для доказательства второго утверждения теоремы предположим, что многочлены и , удовлетворяющие равенству (2.5), уже найдены, но, например, степень больше или равна степени . Делим на :

где степень меньше степени , и подставляем это выражение в (2). Получим равенство:

Степень множителя, стоящего при , уже меньше степени . Степень многочлена, стоящего в квадратных скобках, будет в свою очередь меньше степени , так как в противном случае степень второго слагаемого левой части была бы не меньше степени , а так как степень первого слагаемого меньше степени этого произведения, то вся левая часть имела бы степень, большую или равную степени , тогда как многочлен заведомо имеет, при наших предположениях, меньшую степень.

Теорема доказана.

Одновременно получаем, что если многочлены и имеют рациональные или действительные коэффициенты, то и многочлены и , удовлетворяющие равенству (2.5), можно подобрать так, что их коэффициенты будут рациональными или, соответственно действительными.

Применяя доказанную теорему к взаимно простым многочленам, получаем такой результат:

Многочлены и тогда и только тогда взаимно просты, если можно найти многочлены и , удовлетворяющие равенству

. (2.6)

Опираясь на этот результат, можно доказать несколько простых, но важных теорем о взаимно простых многочленах:

Теорема 1. Если многочлен взаимно прост с каждым из многочленов и , то он взаимно прост и с их произведением.

Доказательство. В самом деле, существуют, по (2.6), такие многочлены и , что .

Умножая это равенство на , получаем:

откуда следует, что всякий общий делитель и был бы делителем и для ; однако по условию .

Теорема 2. Если произведение многочленов и делится на , но и взаимно просты, то делится на .

Доказательство. Умножая равенство на , получим: .

Оба слагаемых левой части этого равенства делятся на ; на него делится, следовательно, и .

Теорема 3. Если многочлен делится на каждый из многочленов и , которые между собой взаимно просты, то делится и на их произведение.

Доказательство. Действительно, , так что произведение, стоящее справа, делится на . Поэтому, по теореме 2, делится на , , откуда .

Определение наибольшего общего делителя может быть распространен на случай любой конечной системы многочленов: наибольшим общим делителем многочленов называется такой общий делитель этих многочленов, который делится на любой другой общий делитель этих многочленов. Существование наибольшего общего делителя для любой конечной системы многочленов вытекает из следующей теоремы, дающей также способ его вычисления.

Теорема. Наибольший общий делитель многочленов равен наибольшему общему делителю многочлена и наибольшего общего делителя многочленов .

Доказательство. В самом деле, при теорема очевидна. Примем поэтому, что для случая она справедлива, то есть, в частности, уже доказано существование наибольшего общего делителя многочленов . Обозначим через наибольший общий делитель многочленов и . Он будет общим делителем для всех заданных многочленов. С другой стороны, всякий другой общий делитель этих многочленов будет делителем также и для , а поэтому и для .

В частности, система многочленов называется взаимно простой, если общими делителями этих многочленов являются лишь многочлены нулевой степени, то есть если их наибольший общий делитель равен 1. Если , то попарно эти многочлены могут и не быть взаимно простыми.

Содержание