Теорема Декарта

Теоре́ма Дека́рта о зна́ках (или пра́вило зна́ков Дека́рта) — теорема в алгебре, утверждающая, что число положительных вещественных корней многочлена с вещественными коэффициентами равно числу перемен знаков в ряду его коэффициентов или на чётное число меньше этого числа. Корни считаются с учётом их кратности; нулевые коэффициенты при подсчёте числа перемен знаков игнорируются[1].

Формально, если  — число положительных вещественных корней многочлена , а  — число перемен знаков в последовательности его ненулевых коэффициентов, то: , где  — некоторое целое неотрицательное число ()[2].

Аналогично, рассматривая многочлен , можно с помощью этой же теоремы найти число отрицательных вещественных корней , так как положительные корни в точности соответствуют отрицательным корням .

В качестве примера рассмотрим многочлен . Ряд его коэффициентов: . Перемены знака происходят дважды: с на и с на . Следовательно, . Согласно теореме Декарта, этот многочлен имеет либо 2, либо 0 положительных вещественных корней. Действительно, разложив его на множители: , мы видим, что корни равны . Положительных корней два (корень кратности 2), что в точности совпадает с предсказанием теоремы.

Общие сведения
Теорема Декарта о знаках
лат. Regula signorum Cartesii
Область использования алгебра
теория многочленов
вычислительная математика
Дата появления 1637

История

Правило знаков было впервые сформулировано Рене Декартом в 1637 году в его фундаментальном труде «Геометрия», который был опубликован как приложение к «Рассуждению о методе». Декарт описал правило, однако не привёл его строгого математического доказательства, ограничившись лишь эмпирическим обоснованием и примерами[3][4].

Первое известное строгое доказательство этого правила было дано Исааком Ньютоном в его работе «Универсальная арифметика» (Arithmetica Universalis), опубликованной в 1707 году (хотя сама работа была написана ранее). Доказательство Ньютона опиралось на анализ знаков коэффициентов при делении многочлена на двучлен[5][6].

Важно отметить, что в 1799 году Карл Фридрих Гаусс опубликовал первое полное доказательство основной теоремы алгебры, что создало теоретическую базу для дальнейшего развития методов анализа корней многочленов, включая обобщения правила Декарта[7].

В дальнейшем правило Декарта привлекало внимание многих выдающихся математиков:

  • Леонард Эйлер в 1760-х годах дал альтернативное доказательство правила, основанное на разложении многочлена на линейные и квадратичные множители[8].
  • Жозеф Луи Лагранж в 1768 году предложил более строгую формулировку и уточнил условия применимости[9].
  • В XIX веке правило было существенно обобщено и углублено:
    • В 1807—1820 годах Шарль Будан и Жозеф Фурье независимо друг от друга доказали теорему, обобщающую правило Декарта для определения числа корней на произвольном отрезке (см. Теорема Будана — Фурье).
    • В 1829 году Жак Штурм предложил алгоритм (цепочка Штурма), позволяющий находить точное число вещественных корней на отрезке[10].
  • Огюстен Коши и Карл Якоби в середине XIX века внесли вклад в строгое обоснование правил подсчёта корней.
  • В XX веке правило знаков было обобщено на бесконечные степенные ряды в работах Георга Полиа и Годфри Харди.

Связь с теорией матриц

Теорема Декарта тесно связана с задачами линейной алгебры и теории матриц:

  • Характеристические многочлены. Для характеристического многочлена симметрической (или эрмитовой) матрицы все корни вещественны, поэтому теорема Декарта даёт точное число положительных и отрицательных собственных значений. Это используется, в частности, в законе инерции Сильвестра[11].
  • Неотрицательные матрицы. В теории Перрона — Фробениуса правило знаков помогает анализировать спектральный радиус неотрицательных матриц и оценивать число положительных собственных значений.
  • Матрицы с знакопеременными элементами. В теории графов правило знаков применяется к характеристическим многочленам матриц смежности двудольных графов, коэффициенты которых обладают специальной знакопеременной структурой.
  • Оценка числа положительных собственных значений. Для произвольной вещественной матрицы теорема Декарта даёт верхнюю оценку числа положительных собственных значений через знаки коэффициентов характеристического многочлена.

Вычислительные аспекты

В современной вычислительной математике правило знаков Декарта лежит в основе нескольких эффективных алгоритмов:

  • Алгоритм Винсента — Акмана — Коллинза. Разработанный в 1834 году А. Ж. Винсентом и усовершенствованный в XX веке, этот алгоритм использует правило знаков в комбинации с дробно-линейными преобразованиями Мёбиуса для отделения вещественных корней. Алгоритм реализован в современных системах компьютерной алгебры: Maple, Mathematica, SymPy, SageMath.
  • Метод бисекции с правилом знаков. Простейший алгоритм отделения корней: на каждом шаге отрезок делится пополам, и правило знаков применяется к каждому подотрезку. Если на подотрезке , корней там нет; если , там ровно один корень.
  • Сравнение с методом Штурма. Алгоритмы на основе правила знаков (особенно алгоритм Винсента) часто превосходят классический метод Штурма по вычислительной эффективности для многочленов высокой степени, так как требуют меньшего числа арифметических операций.
  • Сложность. Для многочлена степени с целыми коэффициентами битовой длины алгоритм на основе правила знаков имеет сложность , что сопоставимо с лучшими известными алгоритмами[12].

Обобщения

Правило знаков Декарта имеет несколько важных обобщений:

Теорема Будана — Фурье

Теорема Будана — Фурье обобщает правило Декарта на произвольный отрезок . Число вещественных корней многочлена на равно , где  — число перемен знаков в последовательности , а  — целое число. При эта теорема сводится к классическому правилу Декарта[13].

Обобщение Лагерра

Эдмон Лагерр в 1883 году предложил обобщение, учитывающее не только перемены знаков, но и «пропуски» в последовательности коэффициентов, что даёт более точные оценки в ряде случаев.

Обобщение на степенные ряды

В работах Г. Полиа и Г. Харди правило знаков было распространено на сходящиеся степенные ряды: если ряд сходится и имеет конечное число перемен знаков в последовательности коэффициентов, то число его положительных вещественных нулей не превосходит этого числа[14].

Точность оценки (Обратная теорема)

Правило Декарта даёт наилучшую возможную оценку числа корней, которую нельзя улучшить, не привлекая дополнительной информации об абсолютных величинах коэффициентов. В математике известна «обратная теорема» к правилу Декарта (в строгом виде доказанная для общего случая Д. Грабинером в 1999 году[15]): для любой последовательности знаков коэффициентов и любого целого числа вида (), всегда существует математически сконструированный многочлен с такой последовательностью знаков, имеющий ровно положительных вещественных корней.

Ограничения теоремы и показательные примеры

Важно понимать, что теорема Декарта даёт лишь оценку сверху и оценку по модулю 2, но не всегда определяет точное число корней. Рассмотрим показательные примеры:

  • Пример 1: точное попадание. Для имеем , и действительно три положительных корня: 1, 2, 3.
  • Пример 2: теорема даёт лишь оценку. Для имеем . Теорема утверждает, что положительных корней либо 2, либо 0. На самом деле корней нет вовсе (дискриминант квадратного трёхчлена отрицателен). Теорема не позволяет отличить этот случай от случая с двумя корнями.
  • Пример 3: отсутствие корней при ненулевом . Для имеем , и теорема корректно предсказывает отсутствие положительных корней.
  • Пример 4: комплексные корни не учитываются. Для имеем , теорема говорит об отсутствии положительных корней — что верно, хотя комплексные корни существуют.
  • Пример 5: кратные корни. Для имеем , и теорема корректно предсказывает 4 положительных корня (с учётом кратности).

Из примера 2 видно, что разность может быть ненулевой, что соответствует наличию комплексно-сопряжённых пар корней.

Отличие от критерия Сильвестра

Следует отличать теорему Декарта о знаках от другого, совершенно иного правила — критерия Сильвестра для квадратичных форм. Критерий Сильвестра утверждает, что квадратичная форма положительно определена тогда и только тогда, когда все главные миноры её матрицы положительны. Несмотря на схожее название, эти два правила относятся к разным разделам математики и не имеют прямой связи[16].

Доказательство

Применение

Правило знаков Декарта находит широкое применение как в теоретической, так и в прикладной математике.

Быстрая оценка числа корней без вычислений. Теорема позволяет мгновенно определить максимальное количество положительных или отрицательных корней, а также доказать их отсутствие. Например, если все коэффициенты многочлена положительны (), то положительных вещественных корней у него нет.

Критерий вещественности всех корней. Если для многочлена степени выполняется равенство , то это является необходимым и достаточным условием того, что все корни многочлена являются вещественными. В этом случае теорема Декарта даёт не просто оценку, а точное число положительных и отрицательных корней.

Локализация корней и вычислительная математика. В комбинации с теоремой Будана-Фурье правило Декарта используется в алгоритмах отделения вещественных корней (например, в методе Штурма или в современных алгоритмах компьютерной алгебры).

Теория управления и устойчивость. В инженерных задачах (например, при анализе устойчивости линейных систем) правило знаков используется для быстрой проверки: если в характеристическом многочлене системы есть пропуски коэффициентов или «неправильные» знаки, система гарантированно неустойчива (имеет корни с положительной вещественной частью). Наглядной иллюстрацией перечисленных выше свойств служат следующие типовые задачи. Они демонстрируют, как именно правило знаков позволяет быстро анализировать структуру корней многочлена, избегая громоздких алгебраических вычислений:

Задача 1. Определить число положительных корней уравнения . Решение. Ряд коэффициентов: . Исключая нули, получаем последовательность . Число перемен знака: . Следовательно, положительных корней либо 3, либо 1.

Задача 2. Доказать, что уравнение не имеет положительных вещественных корней. Решение. Все коэффициенты положительны, поэтому . По теореме Декарта положительных корней нет (что напрямую иллюстрирует первый пункт применения).

Задача 3. Исследовать число отрицательных корней многочлена . Решение. Составим . Все коэффициенты положительны, . Следовательно, отрицательных корней нет.

Примечания

  1. 1 2 Кострикин А. И. Введение в алгебру. — М.: Физматлит, 1977. С. 286—287.
  2. Прасолов В. В. Многочлены. — М.: МЦНМО, 2001. C. 39.
  3. Вилейтнер Г. История математики от Декарта до середины XIX столетия. — М.: ГИФМЛ, 1960. — С. 38.
  4. Горелов М. А. Простые задачи оптимизации. Правило Декарта. — М.: Вычислительный центр РАН, 2009. — С. 4, 17.
  5. Синкевич Г. И. Отделение корней алгебраического уравнения в XVII и XVIII веке. Метод каскадов Мишеля Ролля и метод многоугольника Исаака Ньютона // Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ. — СПб.: СПбГАСУ, 2014. — Вып. 20. — С. 22 — 38.
  6. Вилейтнер Г. История математики от Декарта до середины XIX столетия. — М.: ГИФМЛ, 1960. — С. 42—43.
  7. Вилейтнер Г. История математики от Декарта до середины XIX столетия. — М.: ГИФМЛ, 1960. — С. 42.
  8. Михалкин Е. Н. 2021. Гипергеометрическая интерпретация формулы Декарта — Эйлера // Прикладная математика & Физика. 53(3): 230—234. DOI 10.52575/2687-0959-2021-53-3-230-234.
  9. Вилейтнер Г. История математики от Декарта до середины XIX столетия. — М.: ГИФМЛ, 1960. — С. 42.
  10. Шафаревич И. Р. О решении уравнений высших степеней [Текст] : (Метод Штурма). — Москва : Гостехиздат, 1954. — 24 с.
  11. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. — М.: Физматлит, 2010. — 560 с.
  12. Basu S., Pollack R., Roy M.-F. Algorithms in Real Algebraic Geometry. — 2nd ed. — Springer, 2006. — 662 p.
  13. Prenov B. B. On an analog of Descartes' rule of signs and the Budan-Fourier theorem for entire functions // Журнал СФУ. Математика и физика. 2018. № 3. С. 317—321.
  14. Полиа Г., Сёге Г. Задачи и теоремы из анализа. — Т. 2. — М.: Наука, 1978. С. 46-63.
  15. Grabiner, David J. (1999). “Descartes' Rule of Signs: Another Construction”. The American Mathematical Monthly. 106 (10): 854—856. DOI:10.2307/2589619.
  16. Ким Г. Д., Крицков Л. В. Алгебра и аналитическая геометрия: теоремы и задачи. T. 2 (2). — Москва: Зерцало, 2003. — С. 150, 152—153. — ISBN 5-94373-077-X.

Литература

  • Вилейтнер Г. История математики от Декарта до середины XIX столетия. — М.: ГИФМЛ, 1960. — 468 с.
  • Винберг Э. Б. Курс алгебры. — 2-е изд., испр. и доп.. — М.: МЦНМО, 2017. — 592 с. — ISBN 978-5-4439-1087-1.
  • Горелов М. А. Простые задачи оптимизации. Правило Декарта и мажоризация. — М.: Вычислительный центр им. А. А. Дородницына РАН, 2011. — 64 с.
  • Кострикин А. И. Введение в алгебру. — М.: Физматлит, 1977. — 496 с.
  • Курош А. Г. Курс высшей алгебры. — 9-е изд.. — М.: Наука, 1968. — 432 с.
  • Михалкин Е. Н. Гипергеометрическая интерпретация формулы Декарта — Эйлера // Прикладная математика & Физика. — 2021. — Т. 53, № 3. — С. 230–234. — doi:10.52575/2687-0959-2021-53-3-230-234.
  • Прасолов В. В. Многочлены. — 2-е изд., стер.. — М.: МЦНМО, 2001. — 335 с. — ISBN 5-900916-73-1.
  • Синкевич Г. И. Отделение корней алгебраического уравнения в XVII и XVIII веке. Метод каскадов Мишеля Ролля и метод многоугольника Исаака Ньютона // Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ. — СПб.: СПбГАСУ, 2014. — Вып. 20. — С. 22–38.
  • Шафаревич И. Р. О решении уравнений высших степеней (Метод Штурма). — М.: Гостехиздат, 1954. — 24 с.
  • Basu S., Pollack R., Roy M.-F. Algorithms in Real Algebraic Geometry (англ.). — 2nd ed.. — Berlin: Springer, 2006. — 662 p. — ISBN 978-3-540-33098-1.

Категории