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多项式结式计算

Polynomial resultant computation · Sylvester resultant algorithm

由 Sylvester 行列式或子结式余式链计算两个一元多项式是否具有公共根的消元量。

条目类型
算法

形式陈述

R 为交换含幺环,A=amxm++a0B=bnxn++b0R[x],其中 am0bn0。Sylvester 矩阵由 n 行移位的 A 系数和 m 行移位的 B 系数组成,是 (m+n)×(m+n) 方阵;结式定义为

Resx(A,B)=detSylx(A,B).

这一定义只用系数环中的加法与乘法。若 R 是整环,把系数嵌入其分式域的代数闭包并写

A=ami=1m(xαi),

Resx(A,B)=amni=1mB(αi).

因此在域上,结式为零当且仅当 A,B 有公共根,等价于有正次数公共因子。交换次序满足

Res(B,A)=(1)mnRes(A,B).

直接调用行列式算法会遇到分数或系数膨胀。当 R 是整环时,更适合精确一元输入的路线是子结式 PRS:零次子结式与结式相同至多差一个固定符号,余式递推中的首项幂与精确缩放同时给出其值。若在域上 A=QB+Rr=degR<n,则

Res(A,B)=(1)n(mr)bnmrRes(R,B),

伪余式版本必须再除去乘入 A 的缩放因子,不能照抄这条域公式。

直觉

两个多项式是否有公共根,看似需要先求根;结式把问题改写成一个系数矩阵是否奇异。Sylvester 矩阵编码了是否存在次数受限且不全为零的 U,V,使 UA+VB=0。行列式消失表示这些移位系数向量线性相关,也就是两个主理想在给定次数窗口中发生了非平凡交叠。

根乘积公式则给出另一幅图像:把 B 逐一放到 A 的所有根上相乘,只要一个共同根出现,整个乘积便归零。算法不必真的构造这些代数根;行列式与余式链是两种把同一对称根表达式留在基域中的办法。前者概念直接,后者复用 Euclidean 结构,通常更能控制精确系数。

例子与边界

沿用

A=2x2+3x+1,B=3x+1,

其 Sylvester 矩阵可取

(231310031),

行列式为 29+9=2。另一方面,伪除法给出 9A=(6x+7)B+2,子结式 PRS 的标量末项也为 2。由于结式非零,两式在 Q[x] 中没有公共因子。若把 A 改为 (x1)(2x+1)B 改为 3(x1),Sylvester 行列式立刻为零,公共根 1 正是消失原因。

边界首先来自底环。在任意交换环上行列式总有定义,但“结式为零当且仅当有公共根”需要放到合适的域或整环及其代数闭包中解释;有零因子时,一个非零结式也可能成为零因子,线性代数判据不能原样搬用。其次,若参数特殊化后首项变成零,多项式实际次数下降,按原固定次数建立的 Sylvester 矩阵会带入无穷远处或首项退化的信息,必须单独讨论。

符号也常造成错误。不同教材按升幂或降幂排列系数、先放 A 还是 B,行列式可能相差 (1)mn;只判断是否为零不受影响,数值结式与判别式公式却会受影响。大整数输入上直接 Gaussian 消元还可能制造巨额分母,使用 fraction-free 消元或 PRS 才能保住整性。

推论与应用

对次数为 m、首项为 am 的多项式 A,在首项可逆的情形,判别式满足

disc(A)=(1)m(m1)/2am1Res(A,A).

它把重根检测归结为结式。多元消元中,把 A,B 看成关于变量 x 的一元多项式、其余变量留在系数环中,Resx(A,B) 消去 x,为公共零点投影给出必要方程;出现首项退化或额外因子时,还需饱和、子结式条件或 Gröbner 基进一步筛选。

结式也用于代数数的最小多项式候选、隐式化、有理函数分子分母的公共因子检测和几何交点计数。它提供的是消元证书而非完整解集:在域上,结式为零指出存在公共因子,却不能直接告诉因子的次数与系数;为此应继续读取主子结式或计算 GCD。把“零检测”“数值计算”“恢复公共因子”分成三个接口,可避免一个巨大 Sylvester 行列式承担所有工作。

参考资料
  • George E. Collins, “Subresultants and Reduced Polynomial Remainder Sequences,” Journal of the ACM 14(1), 1967, pp. 128–142.
  • David A. Cox, John Little, and Donal O’Shea, Ideals, Varieties, and Algorithms, 4th ed., Springer, 2015, Ch. 3.
  • I. M. Gelfand, M. M. Kapranov, and A. V. Zelevinsky, Discriminants, Resultants, and Multidimensional Determinants, Birkhäuser, 1994, Ch. 1.
关系图谱4 个相邻概念 · 2 类关系

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