Cho \(P(z)\) là một đa thức với hệ số phức có bậc \(n \ge 1\). Gọi \(H\) là bao lồi (convex hull) của tập hợp tất cả các nghiệm phức của \(P(z)\) trên mặt phẳng phức \(\mathbb{C}\).
1. Chứng minh rằng: Mọi nghiệm của đa thức đạo hàm \(P'(z)\) đều nằm trong \(H\). (Đây chính là Định lý Gauss-Lucas).
2. Ứng dụng: Cho đa thức \(Q(z) = z^4 - 4z^3 + 6z^2 - 4z + 5\). Hãy xác định xem tất cả các nghiệm của đạo hàm bậc ba \(Q'''(z)\) có nằm trong bao lồi của các nghiệm của \(Q(z)\) hay không?
Quảng cáo
4 câu trả lời 68
1. Chứng minh Định lý Gauss-Lucas
Giả sử đa thức phức \(P(z)\) có bậc \(n \ge 1\) được phân tích thành nhân tử theo các nghiệm (không nhất thiết phân biệt) \(z_1, z_2, \dots, z_n\):
\(P(z)=a_{n}(z-z_{1})(z-z_{2})\dots (z-z_{n})\quad (a_{n}\ne 0)\)
Gọi \(z_{0}\) là một nghiệm của đa thức đạo hàm \(P'(z)\), tức là \(P'(z_0) = 0\). Ta xét hai trường hợp:
• Trường hợp 1: \(z_{0}\) trùng với một trong các nghiệm \(z_{k}\) của \(P(z)\) (đây là trường hợp nghiệm bội). Khi đó, hiển nhiên \(z_{0}\) thuộc vào tập hợp nghiệm của \(P(z)\), nên chắc chắn \(z_{0}\) nằm trong bao lồi \(H\).
• Trường hợp 2: \(z_{0}\) không trùng với nghiệm nào của \(P(z)\), nghĩa là \(P(z_0) \neq 0\).
Lấy đạo hàm logarit của \(P(z)\), ta có công thức:
\(\frac{P^{\prime }(z)}{P(z)}=\frac{1}{z-z_{1}}+\frac{1}{z-z_{2}}+\dots +\frac{1}{z-z_{n}}\)
Vì \(P'(z_0) = 0\) và \(P(z_0) \neq 0\), thay \(z = z_0\) vào hệ thức trên ta được:
\(\sum _{k=1}^{n}\frac{1}{z_{0}-z_{k}}=0\)
Lấy liên hợp phức hai vế của phương trình:
\(\sum _{k=1}^{n}\frac{1}{\overline{z_{0}}-\overline{z_{k}}}=0\iff \sum _{k=1}^{n}\frac{z_{0}-z_{k}}{|{}z_{0}-z_{k}|{}^{2}}=0\)
Biến đổi phương trình trên:
\(\sum _{k=1}^{n}\frac{1}{|{}z_{0}-z_{k}|{}^{2}}z_{0}=\sum _{k=1}^{n}\frac{1}{|{}z_{0}-z_{k}|{}^{2}}z_{k}\)
Đặt \(w_k = \frac{1}{\vert{}z_0 - z_k\vert{}^2}\). Vì \(z_0 \neq z_k\) nên \(w_k > 0\) với mọi \(k = 1, \dots, n\). Khi đó:
\(z_{0}=\frac{\sum _{k=1}^{n}w_{k}z_{k}}{\sum _{k=1}^{n}w_{k}}=\sum _{k=1}^{n}\lambda _{k}z_{k}\)
Trong đó \(\lambda_k = \frac{w_k}{\sum_{j=1}^{n} w_j}\). Dễ thấy rằng:
• \(\lambda_k > 0\) với mọi \(k\)
• \(\sum_{k=1}^{n} \lambda_k = 1\)
Theo định nghĩa hình học, \(z_{0}\) chính là một tổ hợp lồi của các điểm \(z_1, z_2, \dots, z_n\). Do đó, \(z_{0}\) bắt buộc phải nằm bên trong hoặc trên biên của bao lồi \(H\). Định lý được chứng minh.
2. Ứng dụng vào đa thức \(Q(z)\)
Cho đa thức \(Q(z) = z^4 - 4z^3 + 6z^2 - 4z + 5\).
Cách 1: Giải nhanh bằng lý thuyết bản chất
Áp dụng Định lý Gauss-Lucas liên tiếp:
1. Mọi nghiệm của \(Q'(z)\) nằm trong bao lồi \(H\) của các nghiệm \(Q(z)\).
2. Mọi nghiệm của \(Q''(z)\) nằm trong bao lồi \(H_{1}\) của các nghiệm \(Q'(z)\). Vì \(H_1 \subseteq H\) nên nghiệm của \(Q''(z)\) cũng nằm trong \(H\).
3. Mọi nghiệm của \(Q'''(z)\) nằm trong bao lồi \(H_{2}\) của các nghiệm \(Q''(z)\). Vì \(H_2 \subseteq H_1 \subseteq H\) nên nghiệm của \(Q'''(z)\) chắc chắn nằm trong \(H\).
Cách 2: Tính toán tường minh để kiểm tra hình học
Ta biến đổi đa thức bằng hằng đẳng thức:
\(Q(z)=(z-1)^{4}+4\)
Giải phương trình \(Q(z) = 0\):
\((z-1)^{4}=-4\implies z-1=\pm 1\pm i\)
Ta thu được 4 nghiệm phức của \(Q(z)\) là:
• \(z_1 = 2 + i\)
• \(z_2 = i\)
• \(z_3 = -i\)
• \(z_4 = 2 - i\)
Trên mặt phẳng phức \(\mathbb{C}\), 4 nghiệm này tương ứng với 4 đỉnh của một hình chữ nhật có tọa độ \((2, 1), (0, 1), (0, -1), (2, -1)\). Bao lồi \(H\) chính là miền hình chữ nhật này.
Bây giờ ta tính đạo hàm bậc ba \(Q'''(z)\):
• \(Q'(z) = 4(z-1)^3\)
• \(Q''(z) = 12(z-1)^2\)
• \(Q'''(z) = 24(z-1)\)
Phương trình \(Q'''(z) = 0\) có duy nhất một nghiệm là \(z = 1\), tương ứng với điểm \((1, 0)\) trên mặt phẳng phức.
Nhìn vào biểu diễn hình học, điểm \((1, 0)\) nằm ngay tại tâm đối xứng của hình chữ nhật bao lồi \(H\). Do đó, nghiệm của \(Q'''(z)\) hoàn toàn nằm bên trong bao lồi của các nghiệm \(Q(z)\).
ko spam (nếu ko muốn bị report)
Cho $P(z)=an\prod{k=1}^{n}(z-zk)$ với $an\ne 0$, $z_k\in\mathbb C$.
Đặt $H = conv\{z1,...,zn\}$ là bao lồi của tập nghiệm.
Định lý Gauss-Lucas
Nếu $w$ là nghiệm bội của $P$ thì $P(w)=P'(w)=0$, do đó $w\in\{z_k\}\subset H$.
Xét $w$ sao cho $P'(w)=0$ nhưng $P(w)\ne 0$.
Ta có:
\frac{P'(z)}{P(z)} = \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{z-z_k}
Vì $P'(w)=0$ và $P(w)\ne 0$ nên:
\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{w-z_k}=0 \tag{1}
Nếu $w=z_k$ với một $k$ nào đó thì $w\in H$, xong.
Giả sử $w\ne z_k$ với mọi $k$. Lấy liên hợp phức của (1):
\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{\bar w-\bar z_k}=0
Nhưng $\frac{1}{\bar w-\bar zk}= \frac{w-zk}{|w-z_k|^2}$.
Thật vậy $\frac{1}{\bar w-\bar zk}= \frac{w-zk}{(w-zk)(\bar w-\bar zk)}=\frac{w-zk}{|w-zk|^2}$.
Do đó:
\sum_{k=1}^{n}\frac{w-z_k}{|w-z_k|^2}=0
\Rightarrow w\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{|w-z_k|^2}= \sum_{k=1}^{n}\frac{z_k}{|w-z_k|^2}
Đặt
A = \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{|w-z_k|^2} >0, \quad t_k = \frac{1}{A}\frac{1}{|w-z_k|^2}>0
Thì $\sum t_k =1$ và:
w = \sum_{k=1}^{n} t_k z_k
Đây chính là một tổ hợp lồi của các $z_k$. Theo định nghĩa bao lồi, $w\in H$.
Vậy mọi nghiệm của $P'$ đều nằm trong $H$.
Hệ quả: Nếu đặt $H1=H(P)$ và $H{k+1}=conv\{\text{nghiệm của }P^{(k)}\}$ thì $H{k+1}\subset Hk$. Do đó bằng quy nạp:
\text{nghiệm của } P^{(k)} \subset H(P) \quad \forall k=1,...,n-1
Ứng dụng
Q(z)=z^4-4z^3+6z^2-4z+5 = (z^2+1)(z^2-4z+5)
Q(z)=0 \iff z=\pm i, \quad z=2\pm i
Thật vậy $Q(z)=(z-1)^4+4$, $(z-1)^4=-4$.
4 nghiệm là 4 đỉnh của hình chữ nhật:
A_1=i=(0,1),\; A_2=-i=(0,-1),\; A_3=2+i=(2,1),\; A_4=2-i=(2,-1)
H(Q)=conv\{A_k\}=[0,2]\times[-1,1]
Tính đạo hàm:
$Q'(z)=4z^3-12z^2+12z-4$
$Q''(z)=12z^2-24z+12=12(z-1)^2$
$Q'''(z)=24z-24=24(z-1)$
Q'''(z)=0 \iff z=1
Theo định lý Gauss-Lucas áp dụng 3 lần, mọi nghiệm của $Q'''$ phải nằm trong $H(Q)$.
Kiểm tra trực tiếp: $z=1 = (1,0)$ nằm trong hình chữ nhật. Cụ thể:
1 = \frac14 i + \frac14 (-i) + \frac14 (2+i) + \frac14 (2-i)
là tổ hợp lồi của 4 đỉnh.
Vậy $z=1$ nằm trong bao lồi, thậm chí là điểm trong của $H(Q)$. Định lý được kiểm chứng.
Cho P(z)=an∏k=1n(z−zk) với an≠0, zk∈C.
Đặt H=conv{z1,...,zn} là bao lồi của tập nghiệm.
Định lý Gauss-Lucas
Nếu w là nghiệm bội của P thì P(w)=P′(w)=0, do đó w∈{zk}⊂H.
Xét w sao cho P′(w)=0 nhưng P(w)≠0.
Ta có:
\frac{P'(z)}{P(z)} = \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{z-z_k}
Vì P′(w)=0 và P(w)≠0 nên:
\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{w-z_k}=0 \tag{1}
Nếu w=zk với một k nào đó thì w∈H, xong.
Giả sử w≠zk với mọi k. Lấy liên hợp phức của (1):
\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{\bar w-\bar z_k}=0
Nhưng 1¯w−¯zk=w−zk|w−zk|2.
Thật vậy 1¯w−¯zk=w−zk(w−zk)(¯w−¯zk)=w−zk|w−zk|2.
Do đó:
\sum_{k=1}^{n}\frac{w-z_k}{|w-z_k|^2}=0
\Rightarrow w\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{|w-z_k|^2}= \sum_{k=1}^{n}\frac{z_k}{|w-z_k|^2}
Đặt
A = \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{|w-z_k|^2} >0, \quad t_k = \frac{1}{A}\frac{1}{|w-z_k|^2}>0
Thì ∑tk=1 và:
w = \sum_{k=1}^{n} t_k z_k
Đây chính là một tổ hợp lồi của các zk. Theo định nghĩa bao lồi, w∈H.
Vậy mọi nghiệm của P′ đều nằm trong H.
Hệ quả: Nếu đặt H1=H(P) và Hk+1=conv{nghiệm của P(k)} thì Hk+1⊂Hk. Do đó bằng quy nạp:
\text{nghiệm của } P^{(k)} \subset H(P) \quad \forall k=1,...,n-1
Ứng dụng
Q(z)=z^4-4z^3+6z^2-4z+5 = (z^2+1)(z^2-4z+5)
Q(z)=0 \iff z=\pm i, \quad z=2\pm i
Thật vậy Q(z)=(z−1)4+4, (z−1)4=−4.
4 nghiệm là 4 đỉnh của hình chữ nhật:
A_1=i=(0,1),\; A_2=-i=(0,-1),\; A_3=2+i=(2,1),\; A_4=2-i=(2,-1)
H(Q)=conv\{A_k\}=[0,2]\times[-1,1]
Tính đạo hàm:
Q′(z)=4z3−12z2+12z−4
Q′′(z)=12z2−24z+12=12(z−1)2
Q′′′(z)=24z−24=24(z−1)
Q'''(z)=0 \iff z=1
Theo định lý Gauss-Lucas áp dụng 3 lần, mọi nghiệm của Q′′′ phải nằm trong H(Q).
Kiểm tra trực tiếp: z=1=(1,0) nằm trong hình chữ nhật. Cụ thể:
1 = \frac14 i + \frac14 (-i) + \frac14 (2+i) + \frac14 (2-i)
là tổ hợp lồi của 4 đỉnh.
Vậy z=1 nằm trong bao lồi, thậm chí là điểm trong của H(Q). Định lý được kiểm chứng
Quảng cáo
Bạn cần hỏi gì?
Câu hỏi hot cùng chủ đề
-
9557
-
5869
