高斯代数基本定理的一种证明

代数基本定理

对于多项式 f(z)=anzn+an−1zn−1+⋯+a1z+a0f(z) = a_n z^n + a_{n-1} z^{n-1} + \cdots + a_1 z + a_0f(z)=anzn+an−1zn−1+⋯+a1z+a0(其中 n>1n > 1n>1 且 an,a0≠0a_n, a_0 \neq 0an,a0=0),它在复数域内有根。

f(z)=U(r,θ)+V(r,θ)i f(z) = U(r, \theta) + V(r, \theta)i f(z)=U(r,θ)+V(r,θ)i

其中 rrr 和 θ\thetaθ 分别是 zzz 的模和幅角。

CR条件

r∂U∂r=∂V∂θr∂V∂r=−∂U∂θ \begin{align*} r\frac{\partial U}{\partial r} &= \frac{\partial V}{\partial \theta} \\ r\frac{\partial V}{\partial r} &= -\frac{\partial U}{\partial \theta} \end{align*} r∂r∂Ur∂r∂V=∂θ∂V=−∂θ∂U

构造二元实函数 HHH

H(r,θ)=arctan⁡(U(r,θ)V(r,θ)) H(r, \theta) = \arctan\left(\frac{U(r, \theta)}{V(r, \theta)}\right) H(r,θ)=arctan(V(r,θ)U(r,θ))

HHH 的二阶混合偏导数

∂2H∂r∂θ=∂∂r(∂U∂θV−U∂V∂θV2+U2) \frac{\partial^2 H}{\partial r \partial \theta} = \frac{\partial}{\partial r} \left( \frac{\frac{\partial U}{\partial \theta}V - U\frac{\partial V}{\partial \theta}}{V^2 + U^2} \right) ∂r∂θ∂2H=∂r∂(V2+U2∂θ∂UV−U∂θ∂V)

累次积分 I1I_1I1 和 I2I_2I2

I1=∫0Rdr∫02π∂2H∂r∂θdθ,I2=∫02πdθ∫0R∂2H∂r∂θdr I_1 = \int_{0}^{R} dr \int_{0}^{2\pi} \frac{\partial^2 H}{\partial r \partial \theta} d\theta, \quad I_2 = \int_{0}^{2\pi} d\theta \int_{0}^{R} \frac{\partial^2 H}{\partial r \partial \theta} dr I1=∫0Rdr∫02π∂r∂θ∂2Hdθ,I2=∫02πdθ∫0R∂r∂θ∂2Hdr

假设 f(z)f(z)f(z) 无根

假设 f(z)f(z)f(z) 无根,则 U2+V2≠0U^2 + V^2 \neq 0U2+V2=0,从而 ∂2H∂r∂θ\frac{\partial^2 H}{\partial r \partial \theta}∂r∂θ∂2H 连续,积分顺序可交换,并且 I1=I2I_1 = I_2I1=I2。

I1I_1I1 和 I2I_2I2 不恒等

∫02π∂2H∂r∂θdθ=0  ⟹  I1=0 \int_{0}^{2\pi} \frac{\partial^2 H}{\partial r \partial \theta} d\theta = 0 \implies I_1 = 0 ∫02π∂r∂θ∂2Hdθ=0⟹I1=0

I2=lim⁡R→∞∫02πdθ∫0R∂2H∂r∂θdr=∫02πdθ(∂H∂θ∣r=0r=R)=−2πn I_2 = \lim_{R \to \infty} \int_{0}^{2\pi} d\theta \int_{0}^{R} \frac{\partial^2 H}{\partial r \partial \theta} dr = \int_{0}^{2\pi} d\theta \left( \left. \frac{\partial H}{\partial \theta} \right|_{r=0}^{r=R} \right) = -2\pi n I2=R→∞lim∫02πdθ∫0R∂r∂θ∂2Hdr=∫02πdθ(∂θ∂H r=0r=R)=−2πn

结论

由于 I1≠I2I_1 \neq I_2I1=I2,存在 rm,θmr_m, \theta_mrm,θm 使得 U2(rm,θm)+V2(rm,θm)=0U^2(r_m, \theta_m) + V^2(r_m, \theta_m) = 0U2(rm,θm)+V2(rm,θm)=0,即存在某个 zm=rmeiθmz_m = r_m e^{i\theta_m}zm=rmeiθm 使得 f(zm)=0f(z_m) = 0f(zm)=0。

相关推荐
封奚泽优7 天前
数学七夕花礼(MATLAB版)
开发语言·数学·matlab·七夕·鲜花
花开莫与流年错_11 天前
音频相关数学支持
数学·音视频·音频·软件
MPCTHU15 天前
Advanced Math & Math Analysis |02 Limits
数学
CUC-MenG15 天前
2025杭电多校第十场 Cut Check Bit、Multiple and Factor 个人题解
数学·dp·位运算·数位dp·根号分治
Tisfy17 天前
LeetCode 837.新 21 点:动态规划+滑动窗口
数学·算法·leetcode·动态规划·dp·滑动窗口·概率
CUC-MenG19 天前
2025牛客多校第十场 K.神奇集合 F.老师和Yuuka逛商场 E.老师与好感度 I.矩阵 个人题解
数学·线段树·贪心·dp·线性dp·构造·强联通分量·树上背包·线段树二分
databook20 天前
把数学对象画出来:Manim Mobject类库速查手册
python·数学·动效
CUC-MenG22 天前
2025牛客多校第九场 G.排列 A.AVL树 F.军训 个人题解
数学·dfs·dp·笛卡尔树·组合数·曼哈顿距离·树上dp
Always_away22 天前
数学分析| 极限论| 1.数列极限常用方法总结
笔记·学习·考研·数学
CUC-MenG23 天前
2025杭电多校第八场 最有节目效果的一集、最自律的松鼠、最甜的小情侣、最努力的活着 个人题解
数学·线段树·高精度·模拟·dp·红黑树·线性dp·平衡树·线段树维护矩阵