Алгебраическая функция - Википедия - Algebraic function

В математика, алгебраическая функция это функция что можно определить как корень из полиномиальное уравнение. Довольно часто алгебраические функции алгебраические выражения с использованием конечного числа членов, включая только алгебраические операции сложение, вычитание, умножение, деление и возведение в дробную степень. Примеры таких функций:

${ Displaystyle f (x) = 1 / x}$
${ displaystyle f (x) = { sqrt {x}}}$
${ displaystyle f (x) = { frac { sqrt {1 + x ^ {3}}} {x ^ {3/7} - { sqrt {7}} x ^ {1/3}}}}$

Однако некоторые алгебраические функции не могут быть выражены такими конечными выражениями (это Теорема Абеля – Руффини ). Так обстоит дело, например, с Принесите радикальный, которая является функцией неявно определяется

{ Displaystyle е (х) ^ {5} + е (х) + х = 0}

.

Точнее говоря, алгебраическая функция степени $п$ в одной переменной $Икс$ это функция ${ Displaystyle у = е (х),}$ то есть непрерывный в его домен и удовлетворяет полиномиальное уравнение

{ displaystyle a_ {n} (x) y ^ {n} + a_ {n-1} (x) y ^ {n-1} + cdots + a_ {0} (x) = 0}

где коэффициенты $а я (Икс)$ находятся полиномиальные функции из $Икс$ , с целыми коэффициентами. Можно показать, что тот же класс функций получается, если алгебраические числа принимаются за коэффициенты при $а я (Икс)$ с. Если трансцендентные числа в коэффициентах функция, вообще говоря, не алгебраическая, но алгебраический над поле порождаемые этими коэффициентами.

Значение алгебраической функции в Рациональное число, и в более общем плане алгебраическое число всегда является алгебраическим числом. Иногда коэффициенты ${ Displaystyle а_ {я} (х)}$ полиномиальные над звенеть $р$ рассматриваются, а затем говорят о "алгебраических над $р$ ".

Функция, не являющаяся алгебраической, называется трансцендентная функция, как, например, в случае ${ Displaystyle ехр х, загар х, пер х, гамма (х)}$ . Композиция трансцендентных функций может дать алгебраическую функцию: ${ Displaystyle е (х) = соз arcsin х = { sqrt {1-х ^ {2}}}}$ .

Как полиномиальное уравнение степень п имеет до п корни (и именно п корни над алгебраически замкнутое поле, такой как сложные числа ), полиномиальное уравнение неявно определяет единственную функцию, но с точностью до пфункции, иногда также называемые ветви. Рассмотрим, например, уравнение единичный круг: ${ Displaystyle у ^ {2} + х ^ {2} = 1. ,}$ Это определяет у, кроме только вплоть до общий знак; соответственно, у него есть две ветви: ${ displaystyle y = pm { sqrt {1-x ^ {2}}}. ,}$

An алгебраическая функция в м переменные аналогично определяется как функция ${ Displaystyle у = е (х_ {1}, точки, х_ {м})}$ который решает полиномиальное уравнение от м + 1 переменная:

{ displaystyle p (y, x_ {1}, x_ {2}, dots, x_ {m}) = 0.}

Обычно предполагается, что п должен быть неприводимый многочлен. Тогда существование алгебраической функции гарантируется теорема о неявной функции.

Формально алгебраическая функция в м переменные над полем K является элементом алгебраическое замыкание области рациональные функции K(Икс₁, ..., Икс_м).

Алгебраические функции от одной переменной

Введение и обзор

Неформальное определение алгебраической функции дает ряд подсказок об их свойствах. Чтобы получить интуитивное понимание, может быть полезно рассматривать алгебраические функции как функции, которые могут быть образованы обычным алгебраические операции: добавление, умножение, разделение, и взяв пй корень. Это что-то вроде чрезмерного упрощения; из-за основная теорема теории Галуа, алгебраические функции не обязательно выражаются радикалами.

Прежде всего, обратите внимание, что любой полиномиальная функция ${ Displaystyle у = п (х)}$ является алгебраической функцией, так как это просто решение у к уравнению

{ Displaystyle у-р (х) = 0. ,}

В общем, любой рациональная функция ${ Displaystyle у = { гидроразрыва {п (х)} {д (х)}}}$ является алгебраическим, являясь решением

{ Displaystyle д (х) у-р (х) = 0.}

Более того, пкорень -й корень любого многочлена ${ Displaystyle у = { sqrt [{п}] {п (х)}}}$ - алгебраическая функция, решающая уравнение

{ displaystyle y ^ {n} -p (x) = 0.}

Удивительно, но обратная функция алгебраической функции является алгебраической функцией. Для предположения, что у это решение

{ displaystyle a_ {n} (x) y ^ {n} + cdots + a_ {0} (x) = 0,}

для каждого значения Икс, тогда Икс также является решением этого уравнения для каждого значения у. Действительно, поменяв ролями Икс и у и условия сбора,

{ displaystyle b_ {m} (y) x ^ {m} + b_ {m-1} (y) x ^ {m-1} + cdots + b_ {0} (y) = 0.}

Письмо Икс как функция у дает обратную функцию, также являющуюся алгебраической функцией.

Однако не у каждой функции есть обратная. Например, у = Икс² терпит неудачу проверка горизонтальной линии: не может быть один к одному. Обратное - алгебраическая "функция" ${ displaystyle x = pm { sqrt {y}}}$ . Другой способ понять это - то, что набор ветвей полиномиального уравнения, определяющего нашу алгебраическую функцию, является графиком алгебраическая кривая.

Роль комплексных чисел

С алгебраической точки зрения комплексные числа вполне естественно входят в изучение алгебраических функций. Прежде всего, основная теорема алгебры, комплексные числа представляют собой алгебраически замкнутое поле. Следовательно, любое полиномиальное соотношение п(у, Икс) = 0 гарантированно будет иметь хотя бы одно решение (и вообще количество решений, не превышающее степени п в у) за у в каждой точке Икспри условии, что мы разрешаем у принимать комплексные, а также настоящий значения. Таким образом, проблемы, связанные с домен алгебраической функции можно безопасно минимизировать.

График трех ветвей алгебраической функции у, куда у³ − ху + 1 = 0, в области 3/2^2/3 < Икс < 50.

Более того, даже если кто-то в конечном итоге заинтересован в реальных алгебраических функциях, может не быть способов выразить функцию в терминах сложения, умножения, деления и взятия. nth корни, не прибегая к комплексным числам (см. казус несокрушимый ). Например, рассмотрим алгебраическую функцию, определяемую уравнением

{ displaystyle y ^ {3} -xy + 1 = 0. ,}

С использованием кубическая формула, мы получили

{ displaystyle y = - { frac {2x} { sqrt [{3}] {- 108 + 12 { sqrt {81-12x ^ {3}}}}}} + { frac { sqrt [{ 3}] {- 108 + 12 { sqrt {81-12x ^ {3}}}}} {6}}.}

За ${ displaystyle x leq { frac {3} { sqrt [{3}] {4}}},}$ квадратный корень действительный, и, таким образом, кубический корень хорошо определен, обеспечивая единственный действительный корень. С другой стороны, для ${ displaystyle x> { frac {3} { sqrt [{3}] {4}}},}$ квадратный корень не является действительным, и для получения квадратного корня нужно выбрать либо не действительный квадратный корень. Таким образом, кубический корень должен быть выбран среди трех не действительных чисел. Если в двух членах формулы делается одинаковый выбор, то три варианта для кубического корня дают три ветви, показанные на сопроводительном изображении.

Можно доказать, что невозможно выразить эту функцию в терминах nth корни, используя только действительные числа, даже если результирующая функция имеет действительные значения в области отображаемого графика.

На более значительном теоретическом уровне использование комплексных чисел позволяет использовать мощные методы комплексный анализ чтобы обсудить алгебраические функции. В частности, принцип аргумента может использоваться, чтобы показать, что любая алгебраическая функция на самом деле аналитическая функция, по крайней мере, в многозначном смысле.

Формально пусть п(Икс, у) - комплексный многочлен от комплексных переменных Икс и у. Предположим, чтоИкс₀ ∈ C таков, что многочлен п(Икс₀, у) из у имеет п отличные нули. Мы покажем, что алгебраическая функция аналитична в район из Икс₀. Выберите систему п неперекрывающиеся диски Δ_я содержащий каждый из этих нулей. Тогда по принципу аргумента

{ displaystyle { frac {1} {2 pi i}} oint _ { partial Delta _ {i}} { frac {p_ {y} (x_ {0}, y)} {p (x_ {0}, y)}} , dy = 1.}

По непрерывности это также верно для всех Икс в районе Икс₀. Особенно, п(Икс, у) имеет только один корень в Δ_я, предоставленный теорема о вычетах:

{ displaystyle f_ {i} (x) = { frac {1} {2 pi i}} oint _ { partial Delta _ {i}} y { frac {p_ {y} (x, y )} {p (x, y)}} , dy}

которая является аналитической функцией.

Монодромия

Обратите внимание, что предыдущее доказательство аналитичности дало выражение для системы п разные функциональные элементы ж_я(Икс), при условии, что Икс это не критическая точка из п(Икс, у). А критическая точка - точка, в которой количество различных нулей меньше степени п, и это происходит только там, где член наивысшей степени п исчезает, и где дискриминант исчезает. Следовательно, таких точек конечное число c₁, ..., c_м.

Тщательный анализ свойств функциональных элементов ж_я вблизи критических точек можно использовать, чтобы показать, что монодромия крышка является разветвленный над критическими точками (и, возможно, точка в бесконечности ). Таким образом, голоморфное продолжение ж_я имеет в худшем случае алгебраические полюсы и обычные алгебраические ветвления над критическими точками.

Обратите внимание, что вне критических точек мы имеем

{ displaystyle p (x, y) = a_ {n} (x) (y-f_ {1} (x)) (y-f_ {2} (x)) cdots (y-f_ {n} (x ))}

так как ж_я по определению являются различными нулями п. В группа монодромии действует путем перестановки факторов и, таким образом, формирует представление монодромии из Группа Галуа из п. (The монодромия действие на универсальное перекрытие родственное, но отличающееся от него понятие теории римановых поверхностей.)

История

Идеи, связанные с алгебраическими функциями, восходят, по крайней мере, к Рене Декарт. Первое обсуждение алгебраических функций, по-видимому, было в Эдвард Уоринг 1794 год Эссе о принципах человеческого знания в котором он пишет:

пусть величина, обозначающая ординату, будет алгебраической функцией абсциссы Икс, обычными методами деления и извлечения корней свести его в бесконечный ряд по возрастанию или убыванию в зависимости от размеров Икс, а затем найдите интеграл каждого из полученных слагаемых.

Смотрите также

внешняя ссылка

Определение «алгебраической функции» в энциклопедии математики
Вайсштейн, Эрик В. «Алгебраическая функция». MathWorld.
Алгебраическая функция в PlanetMath.
Определение «алгебраической функции» в Дэвид Дж. Дарлинг Интернет-энциклопедия науки