代数基本定理的证明方法研究

青岛科技大学本科毕业设计（论文）题目____________________________________________________________________指导教师__________________________辅导教师__________________________学生姓名__________________________学生学号_________________________________________________________院（部）____________________________专业________________班______年___月___日代数基本定理的证明方法研究1022014617代数基本定理的证明方法研究摘要在漫长的解方程历史探索中，数学家得出一元多次方程的解与次数关系的代数学基本定理，代数基本定理在代数学中占有非常重要的地位。一直以来，学者们给出了不同的方法来证明这个定理。最早的完整证明是高斯给出的纯解析方法的证明。本论文主要是对代数基本定理的已有的证明方法进行适当的归纳总结。第一章给出代数基本定理的内容并用复变函数理论中的刘维尔定理、儒歇定理、辐角原理、最大模原理、最小模原理、留数定理、柯西定理来证明代数学基本定理，并对这些证明方法进行说明、比较与总结。第二章主要介绍了翁东东用初等方法的证明。第三章介绍了Kuhn的两个构造性的证明方法。第四章介绍了高斯的纯解析证明方法。这些证明方法都是具有代表性的证明方法。关键词：代数基本定理；复变函数；初等方法；构造性方法；解析方法STUDYONTHEPROOFSOFTHEFUNDAMENTAITHEOREMOFALGEBRAABSTRACTInthelonghistoryofexplorationinthesolutionsofequations,mathematiciansdrewaconclusionofthefundamentaltheoremofalgebraabouttherelationshipbetweentherootsofpolynomialandthedegree.Fundamentaltheoremofalgebraplaysaveryimportantroleinthealgebraareas.Fromtimebeing,mathematicianshavegivendifferentwaystoprovethistheorem.ThefirstcompleteproofwithpureanalyticalmethodisgivenbyGauss.Themainpuposeofthisthesisistosummarizetheexistingproofofthefundamentaltheoremofalgebra.ThefirstchapterdescribesthecontentsofthefundamentaltheoremofalgebraandusestheLiouvilletheorem,Rouchetheorem,argumentprinciple,maximummodulusprinciple,theminimumModulusprinciple,residuetheorem,Cauchy'stheoremofcomplexfunctiontheorytoprovethefundamentaltheoremofalgebra.Inthischaptervariousproofsaredescribed,comparedandsummarized.ThesecondchaptermainlyintroducestheelementarymethodofproofofWengDongdong.ThethirdchaptergivestwoconstructiveproofsofKuhn.ThefourthchaptergivespureanalyticproofofGuss.Thesemethodsareallrepresentative.KEYWORDS:Thefundamentaltheoremofalgebra;complexfunction;elementarymethods;constructivemethod;analyticalmethod目录前言……………………………………………………………………11代数基本定理的复变函数理论证明…………………………………………21.1代数学基本定理的第一种陈述方式的证明………………………………………21.1.1利用柯西定理证明………………………………………………………………………21.1.2利用刘维尔定理证明………………………………………………………………………41.1.3利用最大模原理证明………………………………………………………………………51.1.4利用最小模原理证明……………………………………………………………………61.2代数学基本定理的第二种陈述方式的证明……………………………………………71.2.1利用留数定理证明………………………………………………………………………71.2.2利用辐角原理证明…………………………………………………………………………81.2.3利用儒歇定理证明………………………………………………………………………92代数基本定理的初等方法证明………………………………………………113代数基本定理的Kuhn的构造性证明………………………………………153.1Kuhn的1974年的证法…………………………………………………………………153.1.1标号法……………………………………………………………………………………153.1.2完全标号三角形及其多项式根的关系…………………………………………………153.1.3三角剖分…………………………………………………………………………………153.1.4算法过程…………………………………………………………………………………163.2Kuhn的1976年的证法…………………………………………………………………173.2.1半空间的一个部分………………………………………………………………………173.2.2标号法……………………………………………………………………………………173.2.3算法………………………………………………………………………………………174代数基本定理的纯解析证明…………………………………………………195总结和展望……………………………………………………………………23参考文献致谢前言代数学基本定理在代数学中占有十分重要的地位，而在整个数学界中也起着基础作用。代数学基本定理有两种等价的陈述方式。第一种陈述方式为：“任何一个一元n次复系数多项式0111...)(azazazazpnnnn（1n，0na）在复数域内至少有一根”，它的第二种陈述方式为：“任何一个一元n次复系数多项式0111...)(azazazazpnnnn（1n，0na）在复数域内有n个根，重根按重数计算”。尽管这个定理被命名为代数基本定理，但，迄今为止，该定理尚无纯代数方法证明。数学家J.P赛尔曾经指出：代数基本定理的所有证明本质上都是拓扑的。美国数学家JohnWillardMilnor在数学名著《从微分观点看拓扑》中给了一个证明，是几何直观的，但其中用到了和临界点测度有关的萨尔德定理。在复变函数论中，对代数基本定理的证明是相当优美的，其中运用了很多经典的复变函数的理论成果。代数基本定理的第一个证明是由法国数学家达朗贝尔给出的，但其证明是不完整的。紧接着，欧拉也给出了一个证明，但也有缺陷。严格来说，第一个完整的证明是数学家高斯给出的，他在分析了拉格朗日的证明方法以后于1799年给出的，他是运用的纯解析的方法证明。而后，到高斯71岁时，共给出了四种证明方法。十九世纪七十年代，数学家H.W.Kuhn18对于该定理给出了引人注目的构造性证明，这种方法的数学形象极好，并已实际用于复系数代数方程求根，堪称不动点算法的范例。如果将复数域理解为复平面，将0111...)(azazazazpnnnn（1n，0na）的根理解为它在复平面上的零点，那么就可以借助复变函数的理论去证明代数学基本定理。这种证明方法比较简洁，方法也有多种。近年来，诸多数学家又给出了其它的证明方法，例如2003年翁东东6对代数基本定理进行了多种方法的分析，并给予了形象的证明。他并没有采用常用的刘维尔定理和儒歇原理运用复变函数的方法进行证明，而是采用了初等方法证明了代数基本定理，说明可不用复变函数理论中的有关概念和定理进行证明该定理。本论文结合有关知识点，主要目的是归纳总结代数基本定理几种代表性的证明方法。第一章运用复变函数理论中的柯西定理、刘维尔定理、儒歇定理、辐角原理、最大模原理、最小模原理、留数定理来证明代数学基本定理，并对这些证明方法进行说明、比较与总结。第二章主要介绍了翁东东的初等方法的证明。第三章介绍了Kuhn的两个构造性的证明方法。第四章简单介绍了高斯的纯解析证明方法。1．代数基本定理的复变函数理论证明将复数域理解为复平面，将0111...)(azazazazpnnnn（其中1n，0na）的根理解为它在复平面上的零点，那么就可以借助复变函数的理论去证明代数学基本定理。这种证明方法比较简洁，方法也有多种。本章主要针对于代数基本定理的两种陈述方式，运用复变函数理论中的柯西定理、刘维尔定理、儒歇定理、辐角原理、最大模原理、最小模原理、留数定理来证明代数学基本定理，并对这些证明方法进行说明、比较与总结。1.1代数学基本定理的第一种陈述方式的证明代数学基本定理的第一种陈述方式为：任何一个一元n次复系数多项式0111...)(azazazazpnnnn（其中1n，0na）在复数域C内至少有一根。1.1.1利用柯西定理证明柯西于1825年给出了复变函数的积分和积分路径无关的条件，它是研究解析函数理论的基础，是复变函数的基本定理定理1.1.1（柯西定理）设函数)(zf在整个z平面上的单连通区域D内解析，C为D内任何一条简单闭合曲线，那么()0Cfzdz。证明：设C所围成的区域是0D，取一个四边平行于坐标轴的矩形，把C包含在内。用线段连接矩形对边的中点，最多可把0D分成四块。不妨设分成1D，E，F，G四块。由于()fz沿的积分等于沿这四块区域边界积分的和，所以必有一块边界上的积分，满足11()()4DCfzdzfzdz用的同样的方法把1D分成四块，其中必有一块2D使得21211()()()44DDCfzdzfzdzfzdz把这种做法一直进行下去可以得到曲线C内的一串矩形区域或矩形被曲线C截得的区域nD，使得21()()4nDCfzdzfzdz存在唯一一点0z属于每个nD或nD，而且n时，0nDz。因为(z)f在0z有导数0()fz，所以对任何0，当z与0z充分接近时，0000()()()()fzfzzzfzzz因为()0nDfzdz，0()()0nDzzfzdz，所以当n充分大时，0000()()()()()nnnDDDfzdzfzfzzzfzdszzds设最大矩形的周长是L。当n充分大时，对于nzD，有0nzzD的周长，所以2012224nnnnnnDDLLLLzzdsds，由以上两式得2()CfzdzL因为为任意正数，所以()0Cfzdz。基本定理的证明:设0111...)(azazazazpnnnn，其中1n，0na。假设)(zp在复平面上无零点，即对任意zC，有0)(zp，于是()()pzpz在z平面解析，由柯西定理()0()Cpz