因式分解指的是把一个多项式表示成几个既约因式的乘积,它是整数中素因数分解的推广与发展。它们不仅有着类似的概念,在整除性质和论证的理论方面也是平行的。
学习因式分解,主要讨论两个基本问题。因为对一个多项式进行因式分解时,要求分解到不能再分解为止,这就提出了第一个基本问题,怎样判断一个多项式是否可约。第二个基本问题是如果一个多项式是可约的,究竟如何去分解。这两个基本问题是紧密联系着的,如果对于一个多项式,我们有办法把它分解成既约因式的乘积,那么第一个问题也就解决了。
关于第一个问题的回答是具有相对性的,这就是说,一个多项式是否可约,是相对于什么数的范围内来说的。例如分解的因式:在有理数范围内,得:
在实数范围内,等式右边的第二个因式可以再分解,得:
在复数范围内,等式右边的第一个因式,还可以分解成下面的形式:
一个多项式是否可约的相对性,并不是因式分解独有的特性,一个方程是否有解,两个数学式子是否恒等,都有类似的情况,甚至一个有理式是整式,还·是分式,也要看对哪一个字母来说的,等等,象这种一个数学概念在不同的数的范围内有不同的意义,的确是数学教学中应该注意的一个问题。
现在我们先来回答第一个问题。
在复数范围内,只有一次式是既约的,任何次数大于1的多项式,都可以分解成一次因式的乘积。
在实数范围内,次数3的多项式总是可约的,这就是说,在实数范围内,除一次式是既约的以外,,可能有的二次式也是既约的,一个一元二次多项式是既约的充分必要条件是判别式,但是不存在次数3的既约多项式。
在有理数范围内,情况比较复杂,除一次式是既约的以外,次数高于1.的多项式,都可能是既约的。也有一些判定多项式是否可约的定理,例如有一个称为艾森斯坦因既约性判定法,就是如下的定理:
设是一个整系数多项式,如果它的首项系数以外的所有各项的系数都能被某一素数整除,而常数项可被整除,但不能被整除,那么在有理数范围内是既约的。
例如,
又如,,对于这个多项式不能直接应用艾森斯坦因判定法,也可以应用变数代换法,令,于是
取,就满足艾森斯坦因判定法的条件,在有理数范围内是既约的,因此在有理数范围内是一个既约多项式。
可以看出,这个判定法适用的范围并不广,这里我们就不予讨论了。
关于第二个问题,有一个重要的定理:
任何一个次数的多项式,都可以分解为有限个既约多项式的乘积;并且这种分解式除去因式的次序及常数因式外是唯一的。
这个定理常称为分解唯一性定理,证明这个定理,需要从存在性与唯一性两个方面说明。我们略去它的证明,因为在一般的书中可以找到它的详细论证过程。遗憾的是这个重要定理,一点也没有告诉我们怎样去对一个多项式进行因式分解,仅是说明了分解因式的可能性。但是不要认为这一个屡见的定理,在任何数域内都成立,在有的数域内,例如形如的数集就是一个数域,在这个数域内,分解唯一性定理就不成立,如数9就可以有两种不同的分解式:
在代数数论中专门讨论这个问题,我们就不去管它了。
第二个问题的回答,我们指的是有没有一个一般的方法,或者更明确点说,有没有一个确定的方法,经过有限次的算术运算,把一个多项式分解为既约因式的乘积。这个问题的答案,和第一个问题的答案正好相反,在复数和实数范围内是否定的,但在有理数范围内却是肯定的,就是下面的克伦奈克定理:
任何一个次数1的有理系数多项式,总可以经过有限次算术运算把它分解为有理系数既约多项式的积。
我们也略去证明,举例说明它的基本思想和方法。
设有多项式:
容易根据有理系数多项式的根的性质验证,这个多项式没有有理根,也就是说,多项式f(x)没有一次因式。因此,如果f(x)是可约的,它至少含有一个二次因式,而且是整系数的,并且最高次项的系数是1,因为f(a)中最高次项的系数等于1。如果f(x)可约,则它二次因式必具下形:
其中p、q是整数。这样,对于任何整数t,f(t)应该能被g(t)整除。下面我们来求g(x),即求p与q的值。
取t=0,-1(这是为了计算简便,取其他整数也可以)。计算得f(0)=2,f(-1)=-1,那么g(0),g(-1)的值只可能是2与-1的约数,组合起来共有八组。从这八组中作试除,例如取g(0)=1,g(-1)=1一组,代入(1)式,得
g(0)=q=1,g(-1)=1-p+q=1
解得:,所以,以g(x)试除f(x),恰好除尽,
这样,我们就达到分解f(x)的因式的目的,其余七组也就不必再考虑了。
关于第二个问题,在中学数学课本里给出了因式分解的几个常用的方法,需要对不同的多项式应用不同的方法。
首先是提取公因式法。这个方法的理论根据是分配性质的应用,在运用这种方法时,要对所要分解的多项式进行观察,先看各项系数有没有公因数,如果有,就把公因数提出来,其次要观察各项中有没有公有字母,如果有的话也把公有字母的最低幂提出来,这两种提取方法的不同之处在于提公因数时,要提公因数中数值最大的,字母的容则要提取次数最小的。一个说最大的,一个说最小的,实质上是一致的,即‘提取数字系数的最大公因数,以及公有字母式的最高公因式。因为提取公因式法是最基本的方法,所以也是最重要的方法。
其次是应用公式法,常用的几个公式包括二次的和三次的,还有一些练习题目,也可以作为公式来应用,记住这些公式并不困难,只要教师在讲解公式时,指出公式的特点,它们的项数,次数,符号等等就可以了,问题是对于初学者来说,一个多项式具有某一公式的形式,不是一下子看得出来的,例如公式中,左边的多项式有三项,各项次数都是2,系数之比是1:2:1,这些都是明显的。但对于象或者
中学数学课本里提到的第三种方法是一个关于二次三项式的公式,
如果首项系数不是1,则有
为了直观,一般用图解的方法,
它们称为十字相乘法或叉乘法,究竟起个什么名字好,并不是主要的,它不仅可以用于一元多项式,还可以用于多元多项式,而且也不限于二次的。例如,
等等,在(2)中把看作二次三项式的变数,就可以直接应用公式。把(3)、(4)看作关于或的二次式,也可以直接应用公式。基本公式就是一个,在教学中要教给学生透彻理解最基本的形式,这是主要的,通过一定数量的练习达到熟练的程度,也要培养学生灵活运用基本形式,处理较复杂的多项式。
最后一种方法是分组分解法,这种方法更需要有灵活的机智,如果给出的多项式,不便于直接应用前面所提到的各种方法,必须经过适当分组才能应用,由于多项式的形式有各种各样,分1组的方法相应地也有不同的情况,例如一个四项式可以分为一项与三项两组,可以分为二项与二项两组,个别的,还需要补项变成六项式,那么就可能分为一项与五项,二项与四项,三项与三项或者二项一组分为三组,教学中要善于启发学生共同观察,分析研究多项式的特点,从而确定分组的方法,一旦得到合理的分组方法,具体分解就不困难了,可以让学生独立完成。由于情况复杂多样,适当讨论几个类型的分组方法,提高学生分析与解决问题的能力是必要的,但是企图各种情况都加以讨论,易使学生烦而生厌,贪多求全是有害的,反而会影响效果,是一个值得注意的问题。
因式分解的内容对教与学都有一定的困难,对教师来说,对于第一个基本问题,由于学生基础知识所限,说得很清楚并不容易,对学生来说,第二个基本问题需要一定的分析判断能力,较短时间内也不易掌握,然而,正因为如此,因式分解确是发展学生智力的好课题,在学生逐步领会并掌握因式分解的概念与方法后,受益是非浅的。教师的责任就在于通过知识的传授,使学生获得发展与创造知识的能力,而不能满足于学会一些相对固定的解题方法,这一点在中学数学教学中是具有普遍的重要意义的。