Propiedades de las raíces polinómicas

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Plantilla:Otros usos Plantilla:VT

Archivo:Polinomio tres raíces.svg
Ejemplo de polinomio de tercer grado con coeficientes enteros y tres raíces enteras (-1, 1 y 2)

En matemáticas, un polinomio de grado n con coeficientes reales o complejos siempre posee n raíces complejas (sin olvidar que los números reales forman parte de los complejos), y teniendo en cuenta su posible multiplicidad. Forman un conjunto de n puntos en el plano complejo. Este artículo se refiere a las propiedades geométricas de estos puntos en el plano complejo que se pueden deducir del grado y de los coeficientes del polinomio.

Algunas de estas propiedades geométricas, como los límites superiores de los valores absolutos de las raíces, que definen un disco que contiene todas las raíces, o los límites inferiores de la distancia entre dos raíces, se utilizan ampliamente en la resolución numérica de ecuaciones no lineales para polinomios, ya sea para ajustarlos o para calcular su complejidad computacional. Otras propiedades son probabilísticas, como el número esperado de raíces reales de un polinomio aleatorio de grado n con coeficientes reales, que es menor que 1+2πln(n) para n suficientemente grande.

En este artículo, un polinomio siempre se denota como:

p(x)=a0+a1x++anxn,

donde a0,,an son números reales o complejos y an0; y por lo tanto, n es el grado del polinomio.

Dependencia continua de los coeficientes

Las raíces Plantilla:Math de un polinomio de grado Plantilla:Math dependen de forma continua de los coeficientes. Para raíces simples, esto se deduce directamente del teorema de la función implícita. Esto también es cierto para múltiples raíces, pero se necesita cierto cuidado para demostrarlo.

Un pequeño cambio de coeficientes puede inducir un cambio drástico de las raíces, incluido el cambio de una raíz real a una raíz compleja con una parte imaginaria bastante grande (véase polinomio de Wilkinson). Una consecuencia es que, para los algoritmos de búsqueda de raíces numéricos clásicos, el problema de aproximar las raíces dados los coeficientes es un problema mal condicionado.

Conjugación

El teorema de la raíz conjugada compleja establece que si los coeficientes de un polinomio son reales, entonces las raíces no reales aparecen en pares de la forma Plantilla:Math.

De ello se deduce que las raíces de un polinomio con coeficientes reales son especularmente simétricas con respecto al eje real.

Esto se puede extender a la conjugación algebraica: las raíces de un polinomio con coeficientes racionales son conjugadas (es decir, invariantes) bajo la acción del grupo de Galois del polinomio. Sin embargo, esta simetría rara vez se puede interpretar geométricamente.

Acotación de todas las raíces

Los límites superiores de los valores absolutos de las raíces polinomiales se utilizan ampliamente para la resolución numérica de ecuaciones no lineales, ya sea para delimitar las regiones donde se deben buscar las raíces o para calcular la complejidad computacional de estos algoritmos.

Se han dado muchos de estos límites, y su precisión depende generalmente de la secuencia específica de coeficientes que se considere. La mayoría de los límites son mayores o iguales a uno y, por lo tanto, no son eficientes para un polinomio que solo tenga raíces de valores absolutos inferiores a uno. Sin embargo, tales polinomios son muy raros, como se muestra a continuación.

Cualquier límite superior de los valores absolutos de las raíces proporciona un límite inferior correspondiente. De hecho, si an0, y Plantilla:Mvar es un límite superior de los valores absolutos de las raíces de

a0+a1x++anxn,

entonces Plantilla:Math es un límite inferior de los valores absolutos de

an+an1x++a0xn,

ya que las raíces de cualquiera de los polinomios son las inversas multiplicativas de las raíces del otro. Por lo tanto, en el resto del artículo no se darán límites inferiores explícitamente.

Límites de Lagrange y de Cauchy

Joseph-Louis Lagrange y Augustin Louis Cauchy fueron los primeros en proporcionar límites superiores para todas las raíces complejas.[1] La cota superior de Lagrange es[2]

max{1,i=0n1|aian|},

y la de Cauchy es[3]

1+max{|an1an|,|an2an|,,|a0an|}

El límite de Lagrange es más fino (más preciso) que el límite de Cauchy solo cuando la suma de todos los |aian| es menor que 1 (aunque es mayor que el más grande de estos sumandos). Esta condición es relativamente rara en la práctica, lo que explica que la cota de Cauchy se use más ampliamente que la de Lagrange.

Ambos límites resultan del teorema de Gerschgorin aplicado a la matriz compañera del polinomio y a su matriz transpuesta. También pueden probarse mediante métodos elementales.

Plantilla:Demostración

Estas cotas superiores no son invariantes respecto a la escala. Es decir, las raíces del polinomio Plantilla:Math son el cociente de las raíces de Plantilla:Mvar por Plantilla:Mvar, pero los límites dados para las raíces de Plantilla:Math no son el cociente por Plantilla:Mvar de las cotas superiores de Plantilla:Mvar. Por lo tanto, se pueden obtener límites más nítidos minimizando las posibles escalas. De aquí se deducen las expresiones

mins+(max{s,i=0n1|aian|sin+1}),

y

mins+(s+max0in1(|aian|sin+1)),

para las cotas de Lagrange y de Cauchy respectivamente.

Otro límite, originalmente dado por Lagrange, pero atribuido a Zassenhaus por Donald Knuth, es:[4]

2max{|an1an|,|an2an|1/2,,|a0an|1/n}.

Esta acotación es invariante ante la escala.

Plantilla:Demostración

Lagrange mejoró esta última acotación en la suma de los dos valores más grandes (que pueden ser iguales) en la secuencia:[4]

[|an1an|,|an2an|1/2,,|a0an|1/n].

También proporcionó el resultado relacionado

i|aiai+1|,

donde ai denota el coeficiente Plantilla:Mvar-ésimo distinto de cero cuando los términos de los polinomios se ordenan por grados crecientes.

Usando la desigualdad de Hölder

La desigualdad de Hölder permite la extensión de las cotas superiores de Lagrange y de Cauchy a cada [[Espacios Lp|norma-Plantilla:Mvar]]. La norma Plantilla:Mvar de una secuencia

s=(a0,,an)

es

sh=(i=1n|ai|h)1/h,

para cualquier número real Plantilla:Math, y

s=maxi=1n|ai|.

Si 1h+1k=1, con Plantilla:Math y Plantilla:Math, un límite superior en los valores absolutos de las raíces de Plantilla:Mvar es

1|an|(|an|,(|an1|,,|a0|)h)k.

Para Plantilla:Math y Plantilla:Math, se obtienen los límites de Cauchy y Lagrange, respectivamente.

Para Plantilla:Math, se obtiene el límite

1|an||an|2+|an1|2++|a0|2.

Esto no es solo una cota de los valores absolutos de las raíces, sino también una cota del producto de sus valores absolutos mayores que 1; véase la desigualdad de Landau a continuación.

Plantilla:Demostración

Otros límites

Se han dado muchos otros límites superiores para las magnitudes de todas las raíces.[5]

La acotación de Fujiwara es:[6]

2max{|an1an|,|an2an|12,,|a1an|1n1,|a02an|1n},

mejora ligeramente la cota anterior, dividiendo por dos el último argumento del máximo.

La acotación de Kojima es:[7]

2max{|an1an|,|an2an1|,,|a02a1|},

donde ai denota el coeficiente Plantilla:Mvar-ésimo distinto de cero cuando los términos de los polinomios se ordenan por grados crecientes. Si todos los coeficientes son distintos de cero, la cota de Fujiwara es más fina, ya que cada elemento en la cota de Fujiwara es la media geométrica de los primeros elementos en la cota de Kojima.

Sun y Hsieh obtuvieron otra mejora en la cota de Cauchy.[8] Supóngase que el polinomio es monico con el término general Plantilla:Mvar. Sun y Hsieh demostraron que los límites superiores Plantilla:Math y Plantilla:Math se pueden obtener a partir de las siguientes ecuaciones:

d1=12((|an1|1)+(|an1|1)2+4a),a=max{|ai|}.

Plantilla:Math es la raíz positiva de la ecuación cúbica

Q(x)=x3+(2|an1|)x2+(1|an1||an2|)xa,a=max{|ai|}

También señalaron que Plantilla:Math.

Desigualdad de Landau

Los límites anteriores son acotaciones superiores para cada raíz por separado. La desigualdad de Landau proporciona un límite superior para el producto de las raíces que tienen un valor absoluto mayor que uno. Esta desigualdad, descubierta en 1905 por Edmund Landau,[9] ha sido olvidada y redescubierta al menos tres veces durante el Plantilla:Siglo.[10][11][12]

Este límite del producto de raíces no es mucho mayor que los mejores límites precedentes de cada raíz por separado.[13] Sea z1,,zn las raíces n del polinomio Plantilla:Mvar. Si

M(p)=|an|j=1nmax(1,|zj|)

es la medida de Mahler de Plantilla:Mvar, entonces

M(p)k=0n|ak|2.

Sorprendentemente, este límite del producto de los valores absolutos mayores que 1 de las raíces no es mucho mayor que los mejores límites de "una" raíz que se han dado anteriormente. Este límite es incluso exactamente igual a uno de los límites que se obtienen usando la desigualdad de Holder.

Esta cota también es útil para limitar los coeficientes de un divisor de un polinomio con coeficientes enteros:[14] Si

q=k=0mbkxk

es un divisor de Plantilla:Math, entonces

|bm||an|,

y, por las relaciones de Cardano-Vieta,

|bi||bm|(mi)M(p)|an|,

para Plantilla:Math, donde (mi) es un coeficiente binomial. Por lo tanto

|bi|(mi)M(p)(mi)k=0n|ak|2,

y

i=0m|bk|2mM(p)2mk=0n|ak|2.

Discos que contienen algunas raíces

Del teorema de Rouché

El teorema de Rouché permite definir discos centrados en cero y que contienen un número determinado de raíces. Más precisamente, si existen un número real positivo Plantilla:Mvar y un entero Plantilla:Math tales que

|ak|Rk>|a0|++|ak1|Rk1+|ak+1|Rk+1++|an|Rn,

entonces hay exactamente Plantilla:Math raíces, contadas con multiplicidad, de valor absoluto menor que Plantilla:Math. Plantilla:Demostración

El resultado anterior se puede aplicar si el polinomio

hk(x)=|a0|++|ak1|xk1|ak|xk+|ak+1|xk+1++|an|xn.

toma un valor negativo para algún valor real positivo de Plantilla:Mvar.

En el resto de la sección, se supone que Plantilla:Math. Si no es el caso, cero es una raíz, y la localización de las otras raíces se puede estudiar dividiendo el polinomio por una potencia de la variable, para obtener un polinomio con un término constante distinto de cero.

Para Plantilla:Math y Plantilla:Math, la regla de los signos de Descartes muestra que el polinomio tiene exactamente una raíz real positiva. Si R0 y Rn son estas raíces, el resultado anterior muestra que todas las raíces verifican que

R0|z|R1.

Estas desigualdades se aplican también a h0 y hn. Estos límites son óptimos para polinomios con una secuencia dada de los valores absolutos de sus coeficientes. Por lo tanto, son más nítidos que todos los límites dados en las secciones anteriores.

Para Plantilla:Math, la regla de los signos de Descartes implica que hk(x) tiene dos raíces reales positivas que no son múltiples o no son negativas para cada valor positivo de Plantilla:Mvar. Por lo tanto, el resultado anterior se puede aplicar solo en el primer caso. Si Rk,1<Rk,2 son estas dos raíces, el resultado anterior implica que

|z|Rk,1

para las raíces Plantilla:Mvar de Plantilla:Mvar, y que

|z|Rk,2

para las Plantilla:Math otras raíces.

En lugar de calcular explícitamente Rk,1 y Rk,2,, generalmente es suficiente calcular un valor Rk tal que hk(Rk)<0 (necesariamente Rk,1<Rk<Rk,2). Estos Rk tienen la propiedad de separar raíces en términos de sus valores absolutos: si, para Plantilla:Math, existen tanto Rh como Rk, hay exactamente Plantilla:Math raíces Plantilla:Mvar tales que Rh<|z|<Rk.

Para calcular Rk, se puede usar que h(x)xk es una función convexa (su segunda derivada es positiva). Por lo tanto, Rk existe si y solo si h(x)xk es negativo en su mínimo único. Para calcular este mínimo, se puede usar cualquier método de optimización o, alternativamente, el método de Newton para calcular el cero positivo único de la derivada de h(x)xk (converge rápidamente, ya que la derivada es una función monótona).

Se puede aumentar el número de Rk existentes aplicando la operación de cuadratura de la raíz de la iteración de Dandelin-Graeffe. Si las raíces tienen valores absolutos distintos, entonces se pueden separar completamente las raíces en términos de sus valores absolutos, es decir, calcular Plantilla:Math números positivos R0<R1<<Rn de manera que haya exactamente una raíz con un valor absoluto en el intervalo abierto (Rk1,Rk), para Plantilla:Math.

Del teorema del círculo de Gershgorin

El teorema de Gerschgorin aplica la matriz compañera del polinomio sobre una base relacionada con la interpolación polinómica de Lagrange. Proporciona discos centrados en los puntos de interpolación y cada uno contiene una raíz del polinomio; consúltese el método de Durand-Kerner para obtener más detalles.

Si los puntos de interpolación están cerca de las raíces del polinomio, los radios de los discos son pequeños, y este es un elemento clave del método Durand-Kerner para calcular las raíces polinómicas.

Límites de raíces reales

Para polinomios con coeficientes reales, a menudo es útil delimitar solo las raíces reales. Basta con unir las raíces positivas, ya que las raíces negativas de Plantilla:Math son las raíces positivas de Plantilla:Math.

Claramente, cada límite de todas las raíces se aplica también a las raíces reales. Pero en algunos contextos, son útiles los límites más estrictos de las raíces reales. Por ejemplo, la eficiencia del método de fracciones continuas para el aislamiento de raíces reales depende en gran medida de la rigidez del límite de las raíces positivas. Esto ha llevado a establecer nuevas acotaciones más estrictas que los límites generales de todas las raíces. Estos límites generalmente se expresan no solo en términos de los valores absolutos de los coeficientes, sino también en términos de sus signos.

Otros límites se aplican solo a polinomios cuyas raíces son reales (véase más adelante).

Acotación de raíces reales positivas

Para dar una cota superior de las raíces positivas, se puede suponer que an>0 sin pérdida de generalidad, ya que cambiar los signos de todos los coeficientes no cambia las raíces.

Cada límite superior de las raíces positivas de

q(x)=anxn+i=0n1min(0,ai)xi

es también un límite para los ceros reales de

p(x)=i=0naixi.

De hecho, si Plantilla:Mvar es tal límite, para todo Plantilla:Math, se tiene que Plantilla:Math.

Aplicando el límite de Cauchy, se obtiene la cota superior

1+maxi=0n1aian

para las raíces reales de un polinomio con coeficientes reales. Si este límite no es mayor que Plantilla:Unidad, esto significa que todos los coeficientes distintos de cero tienen el mismo signo y que no hay raíces positivas.

De manera similar, otro límite superior de las raíces positivas es

2maxaian<0(aian)1ni.

Si todos los coeficientes distintos de cero tienen el mismo signo, no hay raíces positivas y el máximo debe definirse como cero.

Posteriormente se han desarrollado otros límites, principalmente para servir como base del método de fracciones continuas para el aislamiento de raíces reales.[15][16]

Polinomios cuyas raíces son todas reales

Si todas las raíces de un polinomio son reales, Laguerre demostró los siguientes límites superior e inferior de las raíces, utilizando lo que ahora se llama desigualdad de Samuelson.[17]

Sea k=0nakxk un polinomio con todas las raíces reales. Entonces sus raíces se ubican en el intervalo con los puntos finales:

an1nan±n1nanan122nn1anan2.

Por ejemplo, las raíces del polinomio x4+5x3+5x25x6=(x+3)(x+2)(x+1)(x1) satisfacen que

3.8118<5434353x54+34353<1.3118.

Separación de raíces

La separación de raíces de un polinomio es la distancia mínima entre dos raíces, que es el mínimo de los valores absolutos de la diferencia de dos raíces:

sep(p)=min{|αβ|;αβ and p(α)=p(β)=0}

La separación de raíces es un parámetro fundamental de la complejidad computacional de la resolución numérica de ecuaciones no lineales para polinomios. De hecho, la separación de raíces determina la precisión de la representación numérica que se necesita para estar seguro de distinguir diferentes raíces. Además, para el aislamiento de raíces reales, permite delimitar el número de divisiones de intervalo que se necesitan para aislar todas las raíces.

Para polinomios con coeficientes reales o complejos no es posible expresar un límite inferior de la separación de raíces en términos del grado y los valores absolutos de los coeficientes únicamente, porque un pequeño cambio en un coeficiente único transforma un polinomio con múltiples raíces en un polinomio libre de cuadrados, con una pequeña separación de raíces y esencialmente los mismos valores absolutos de los coeficientes. Sin embargo, la participación del discriminante del polinomio permite establecer una acotación inferior.

Para polinomios libres de cuadrados con coeficientes enteros, el discriminante es un número entero y, por lo tanto, tiene un valor absoluto que no es menor que Plantilla:Unidad. Esto permite límites inferiores para la separación de raíces que son independientes del discriminante.

El límite de separación de Mignotte es[18][19]

sep(p)>3Δ(p)nn/2+1(p2)n1,

donde Δ(p) es el discriminante, y p2=a02+a12++an2.

Para un polinomio libre de cuadrados con coeficientes enteros, esto implica que

sep(p)>3nn/2+1(p2)n1>122s2,

donde Plantilla:Mvar es el tamaño en bits de Plantilla:Mvar, que es la suma del tamaño en bits de sus coeficientes.

Teorema de Gauss-Lucas

Plantilla:AP El teorema de Gauss-Lucas establece que la envolvente convexa de las raíces de un polinomio contiene las raíces de la derivada del polinomio.

Un corolario a veces útil es que, si todas las raíces de un polinomio tienen una parte real positiva, también las tienen las raíces de todas las derivadas del polinomio.

Un resultado relacionado es la desigualdad de Bernstein. Establece que para un polinomio P de grado n con derivada P′, se tiene que

max|z|1|P(z)|nmax|z|1|P(z)|.

Distribución estadística de las raíces

Si los coeficientes Plantilla:Math de un polinomio aleatorio se distribuyen de forma independiente e idéntica con una media de cero, la mayoría de las raíces complejas están en el círculo unitario o cerca de él. En particular, las raíces reales se encuentran principalmente cerca de Plantilla:Math y, además, su número esperado es, en gran medida, menor que el logaritmo natural del grado.

Si los coeficientes poseen una distribución normal con una media de cero y varianza de σ, entonces la densidad media de raíces reales viene dada por la fórmula Kac[20][21]

m(x)=A(x)C(x)B(x)2πA(x)

donde

A(x)=σi=02n1xi=σx2n1x1,B(x)=12ddxA(x),C(x)=14d2dx2A(x)+14xddxA(x).

Cuando los coeficientes tienen una distribución normal con una media distinta de cero y una varianza de σ, se conoce una fórmula similar pero más compleja.

Raíces reales

Para Plantilla:Math grande, la densidad media de raíces reales cerca de Plantilla:Mvar es asintóticamente

m(x)=1π|1x2|

si x210, y

m(±1)=1πn2112

De ello se deduce que el número esperado de raíces reales es, utilizando la [[Cota superior asintótica|notación gran Plantilla:Mvar]]

Nn=2πlnn+C+2πn+O(n2)

donde Plantilla:Math es una constante aproximadamente igual a Plantilla:Unidad.[22]

En otras palabras, "el número esperable de raíces reales de un polinomio aleatorio de alto grado es menor que el logaritmo natural de su grado".

Kac, Erdös y otros demostraron que estos resultados son insensibles a la distribución de los coeficientes, si son independientes y a si tienen la misma distribución con media cero. Sin embargo, si la varianza del coeficiente Plantilla:Mvar-ésimo es igual a (ni),, el número esperable de raíces reales es de n.[22]

Véase también

Notas

Plantilla:Reflist

Referencias

Enlaces externos

  • La belleza de las raíces, una visualización de la distribución de todas las raíces de todos los polinomios con grados y coeficientes enteros en algún rango.

Plantilla:Control de autoridades

  1. Plantilla:Cite journal
  2. Lagrange J–L (1798) Traité de la résolution des équations numériques. Paris.
  3. Cauchy Augustin-Louis (1829). Exercices de mathématique. Œuvres 2 (9) p.122
  4. 4,0 4,1 Plantilla:Harvnb
  5. Plantilla:Cite book
  6. Plantilla:Cite journal
  7. Plantilla:Cite journal
  8. Plantilla:Cite journal
  9. E. Landeau, Sur quelques th&or&mes de M. Petrovic relatifs aux zéros des fonctions analytiques, Bull. Sot. Math. France 33 (1905), 251-261.
  10. M. Mignotte. An inequality about factors of polynomials, Math. Comp. 28 (1974). 1153-1157.
  11. W. Specht, Abschätzungen der Wurzeln algebraischer Gleichungen, Math. Z. 52 (1949). 310-321.
  12. J. Vincente Gonçalves, L’inégalité de W. Specht. Univ. Lisboa Revista Fac. Ci A. Ci. Mat. 1 (195O), 167-171.
  13. Plantilla:Cite book
  14. Mignotte, M. (1988). An inequality about irreducible factors of integer polynomials. Journal of number theory, 30(2), 156-166.
  15. Plantilla:Cite journal
  16. Ştefănescu, D. Bounds for Real Roots and Applications to Orthogonal Polynomials. In: V. G. Ganzha, E. W. Mayr and E. V. Vorozhtsov (Editors): Proceedings of the 10th International Workshop on Computer Algebra in Scientific Computing, CASC 2007, pp. 377 – 391, Bonn, Germany, September 16-20, 2007. LNCS 4770, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg.
  17. Plantilla:Cite journal.
  18. Plantilla:Harvnb
  19. Plantilla:Cite journal
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