Mnohočlen, jinak také polynom, je výraz složený ze sčítaných členů tvaru „číslo krát mocnina proměnné“, kde exponenty jsou přirozená čísla nebo nula. Mnohočlen v proměnné `x` se obecně píše takto:
`P(x)=a_n x^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0`
Čísla `a_n,\ \dots,\ a_0` jsou koeficienty, `a_0` je absolutní člen a nejvyšší mocnina, u které je nenulový koeficient, je stupeň mnohočlenu. Například `4x^3-2x^2+7` je mnohočlen třetího stupně s koeficienty `4,\ {-2},\ 0,\ 7`. Člen s `x` chybí, jeho koeficient je nula. Naopak `\frac{1}{x}` ani `\sqrt{x}` mnohočleny nejsou, proměnná v nich má záporný nebo zlomkový exponent.
S mnohočleny se počítá podobně jako s čísly: sčítají se, odčítají, násobí, dosazuje se do nich a hledají se jejich kořeny, tedy čísla, pro která mnohočlen vyjde nula. Funkce daná mnohočlenem se jmenuje polynomická funkce a její graf jde načrtnout jen ze stupně a z kořenů. To všechno je níž, s příklady. Výpočty s vlastním zadáním udělají kalkulačky pro mnohočleny.
Člen, koeficient, stupeň
Názvy si ukážeme na mnohočlenu `P(x)=-2x^4+x^3-5x+3`:
- členy jsou `-2x^4`, `x^3`, `-5x` a `3`; znaménko patří ke členu,
- vedoucí člen je ten s nejvyšší mocninou, `-2x^4`, a jeho číslo `-2` je vedoucí koeficient,
- absolutní člen je `3`, člen bez proměnné,
- stupeň je `4`,
- koeficient u `x^2` je `0`, protože takový člen v zápisu není. Celý seznam koeficientů je `-2,\ 1,\ 0,\ {-5},\ 3`.
Mnohočlen se obvykle zapisuje od nejvyšší mocniny po nejnižší. Když je vedoucí koeficient 1, říká se mu normovaný mnohočlen. Podle počtu členů se mluví o jednočlenu (`3x^2`), dvojčlenu (`x+5`) a trojčlenu (`x^2-4x+4`). Podle stupně takto:
| stupeň | mnohočlen | příklad | graf funkce |
|---|---|---|---|
| 0 | konstantní | `5` | přímka rovnoběžná s osou `x` |
| 1 | lineární | `2x-3` | přímka |
| 2 | kvadratický | `x^2-4x+3` | parabola |
| 3 | kubický | `x^3-x` | křivka s konci na opačné strany, pro `x^3` kubická parabola |
| 4 | čtvrtého stupně | `x^4-5x^2+4` | křivka s oběma konci na stejnou stranu |
Samotné číslo 0 je nulový mnohočlen a stupeň se mu nepřiřazuje, nemá žádný nenulový koeficient. Nenulová konstanta, třeba 5, má stupeň 0.
Mnohočlen může mít i víc proměnných. Stupeň členu je pak součet exponentů všech proměnných v něm: `-5x^2y` má stupeň `2+1=3`, a mnohočlen `x^2y^2+3xy-y` má stupeň 4, podle svého nejvyššího členu.
Co je a co není mnohočlen
V mnohočlenu se proměnná smí jen násobit sama sebou a čísly a výsledky se sčítají nebo odčítají. Nesmí být ve jmenovateli, pod odmocninou, v exponentu ani v absolutní hodnotě. Na koeficienty žádné omezení není: můžou to být zlomky, záporná i iracionální čísla. A členů je vždy konečně mnoho.
- `\dfrac{x^3}{3}` je mnohočlen. Dělí se číslem, ne proměnnou: je to `\frac{1}{3}x^3`.
- `\sqrt{2}\,x^2-\pi x` je mnohočlen, s iracionálními koeficienty.
- `(x+1)^2(x-3)` je mnohočlen, jen neroznásobený. Po roznásobení vyjde `x^3-x^2-5x-3`.
- `\dfrac{1}{x^2}+5` není mnohočlen, protože `\frac{1}{x^2}=x^{-2}` má záporný exponent.
- `\sqrt{x}+1` není mnohočlen, `\sqrt{x}=x^{1/2}`.
- `x^2+2^x` není mnohočlen, proměnná je v exponentu.
- `\dfrac{x^2-1}{x-1}` není mnohočlen, je to lomený výraz. Pro `x\ne 1` se sice rovná `x+1`, ale v čísle 1 definovaný není, viz podmínky lomeného výrazu.
Sčítání, odčítání a násobení mnohočlenů
Sčítat se dají jen členy se stejnou mocninou, a to tak, že se sečtou jejich koeficienty: `3x^2+5x^2=8x^2`, ale `3x^2+5x` už zjednodušit nejde. Při odčítání otočí minus před závorkou znaménko každého členu v závorce.
Příklad 1
Odečtěte `(3x^3-2x^2+5)-(x^3+4x^2-x+1)`.
`\begin{aligned}&3x^3-2x^2+5-x^3-4x^2+x-1\\[6pt] &=2x^3-6x^2+x+4\end{aligned}`
Kontrola: dosadíme `x=1`. Zadání dá `6-5=1`, výsledek `2-6+1+4=1`. Souhlasí. Dosazení jedničky je nejrychlejší zkouška, hodnota mnohočlenu v 1 je prostě součet jeho koeficientů.
Násobí se každý člen s každým a pak se sečtou členy se stejnou mocninou.
Příklad 2
Vynásobte `(2x-3)(x^2+4x-1)`.
`\begin{aligned}&2x^3+8x^2-2x-3x^2-12x+3\\[6pt] &=2x^3+5x^2-14x+3\end{aligned}`
Kontrola v 1: `(2-3)\cdot(1+4-1)=-4` a `2+5-14+3=-4`. Postup po krocích pro jiné zadání ukáže sčítání a násobení mnohočlenů online.
Ze stupňů se dá odhadnout výsledek dřív, než se počítá. Stupeň součinu je součet stupňů: tady `1+2=3`. Stupeň součtu je nejvýš ten větší ze dvou, a může být i menší, když se vedoucí členy odečtou: `(x^2+x)+(-x^2+1)=x+1`.
Na součiny, které se opakují pořád, jsou vzorce, `(a+b)^2=a^2+2ab+b^2` a `a^2-b^2=(a+b)(a-b)`; procvičit se dají v příkladech na druhou mocninu dvojčlenu. Dělení mnohočlenu mnohočlenem má svůj článek Dělení mnohočlenů a dělení dvojčlenem `x-c` jde nejrychleji Hornerovým schématem (Hornerovo schéma).
Hodnota mnohočlenu a kořen
Hodnota mnohočlenu v čísle `c` je číslo, které vyjde po dosazení `c` za `x`. Pro `P(x)=2x^3-3x^2+x-4` je
`P(2)=16-12+2-4=2` `P(-1)=-2-3-1-4=-10`
U vyšších stupňů je rychlejší dosazovat Hornerovým schématem, bez počítání mocnin; vyzkoušet se to dá v procvičování hodnoty mnohočlenu.
Číslo `c`, pro které `P(c)=0`, je kořen mnohočlenu. Platí důležitá věta: `c` je kořen právě tehdy, když jde mnohočlen napsat jako
`P(x)=(x-c)\cdot Q(x)`
Dvojčlenu `x-c` se říká kořenový činitel a `Q(x)` má o jedna menší stupeň. Když se činitel v rozkladu opakuje, třeba `(x-1)^2`, je 1 dvojnásobný kořen. Z toho plynou dvě věci, které se hodí pořád:
- mnohočlen stupně `n` má nejvýš `n` kořenů, i když se každý počítá tolikrát, kolikanásobný je,
- mnohočlen lichého stupně má aspoň jeden reálný kořen, protože jeho graf přichází z jedné strany osy `x` a odchází na druhou.
V komplexních číslech má mnohočlen stupně `n` kořenů přesně `n`, počítáno s násobností. To je základní věta algebry.
Graf polynomické funkce
Polynomická funkce je `f(x)=a_nx^n+\cdots+a_1x+a_0`. Přibližný tvar jejího grafu se dá načrtnout bez tabulky hodnot, stačí tři věci.
1. Konce grafu. Pro velká kladná i záporná `x` přebije vedoucí člen `a_nx^n` všechny ostatní, takže konce grafu určuje jen stupeň a znaménko vedoucího koeficientu:
↑ ↑
↓ ↓
↓ ↑
↑ ↓
Sudý stupeň má oba konce na stejnou stranu, jako parabola. Lichý stupeň má konce na opačné strany, jako přímka nebo `x^3`.
2. Kořeny a jejich násobnost. V kořenech graf osu `x` potká. Jednoduchý kořen ji protne. Kořen se sudou násobností se jí jen dotkne a graf se vrátí na stejnou stranu, jako `x^2` v nule. Kořen s lichou násobností 3, 5, ... osu protne, ale v tom místě se k ní přimkne naplocho, jako `x^3` v nule.
3. Průsečík s osou y. Je to bod `[0;\ a_0]`, protože `f(0)=a_0`.
Na obrázku je `y=(x+2)(x-1)^2`: stupeň 3 a kladný vedoucí koeficient, tedy vlevo dolů a vpravo nahoru. V jednoduchém kořeni `-2` graf osu protne, ve dvojnásobném kořeni 1 se jí dotkne. Osu `y` protíná v bodě `[0;\ 2]`.
Příklad 3
Načrtněte graf funkce `f(x)=-x(x+2)(x-2)^2`.
Stupeň a konce. Stupně činitelů se sečtou: `1+1+2=4`. Vedoucí koeficient je součin vedoucích koeficientů činitelů, tady `-1`. Sudý stupeň a záporný koeficient, takže oba konce jdou dolů. (Po roznásobení vyjde `-x^4+2x^3+4x^2-8x`, souhlasí.)
Kořeny. Každý činitel položíme roven nule: `x=0` a `x=-2` jsou jednoduché, tam graf osu protne. `x=2` je dvojnásobný, tam se jí dotkne.
Kreslení. Zleva graf přichází zespodu, v bodě `-2` protne osu nahoru, v bodě 0 ji protne zpátky dolů, v bodě 2 se osy zespodu dotkne a pokračuje dolů. Konec vpravo jde dolů, jak má. Kontrola jedním bodem v každém úseku: `f(-1)=9\gt 0` a `f(1)=-3\lt 0`.
Náčrt neřekne, kde přesně jsou vrcholy „kopců“ a „údolí“. Na to je derivace, viz Průběh funkce - Hledání extrémů.
Pozor na vedoucí koeficient, když je `x` v závorce s číslem. U `-\frac{1}{20}(2x+3)^3x^2` je stupeň `3+2=5`, ale vedoucí koeficient je `-\frac{1}{20}\cdot 2^3=-\frac{2}{5}`, ne `-\frac{1}{20}`. Na směr konců to vliv nemá, znaménko zůstane, ale na roznásobený tvar ano.
Jak najít kořeny mnohočlenu
Pro mnohočlen stupně 1 je to Lineární rovnice, pro stupeň 2 vzorec s diskriminantem, viz Kvadratická rovnice. Pro stupně 3 a 4 vzorce také existují (Cardanův vzorec pro stupeň 3, Ferrariho pro stupeň 4), jsou ale tak dlouhé, že se ve škole nepoužívají. Pro stupeň 5 a vyšší obecný vzorec neexistuje, to je dokázaná věta (Abel, 1824). Ve škole se proto rovnice vyšších stupňů řeší třemi obraty:
- vytýkání: `x^3-4x=x(x^2-4)=x(x-2)(x+2)`, viz vytýkání před závorku,
- vzorce `a^2-b^2`, `(a\pm b)^2` a podobně,
- racionální kořeny: uhodnout jeden kořen, vydělit a snížit tak stupeň.
Ten třetí obrat stojí na větě o racionálních kořenech. Má-li mnohočlen celočíselné koeficienty a je-li zlomek `\frac{p}{q}` v základním tvaru jeho kořenem, pak
`p \text{ dělí } a_0 \qquad q \text{ dělí } a_n`
Kandidátů je tedy konečně mnoho a každý se vyzkouší, nejlépe Hornerovým schématem. Pozor, `p` a `q` jsou všichni dělitelé, ne jen prvočinitelé: u absolutního členu 12 přicházejí v úvahu i 4, 6 a 12.
Příklad 4
Řešte rovnici `3x^3-5x^2+5x-2=0`.
Dělitelé absolutního členu 2 jsou 1 a 2, dělitelé vedoucího koeficientu 3 jsou 1 a 3. Kandidáti jsou
`\pm 1,\ {\pm 2},\ {\pm\frac{1}{3}},\ {\pm\frac{2}{3}}`
Číslo 1 nevyjde (součet koeficientů je 1, ne 0). Vyjde `\frac{2}{3}`:
`\begin{array}{r|rrrr} & 3 & -5 & 5 & -2 \\
\frac{2}{3} & & 2 & -2 & 2 \\ \hline
& 3 & -3 & 3 & \boxed{0}\end{array}`
Zbytek je nula, takže
`\begin{aligned}&3x^3-5x^2+5x-2\\[6pt] &=\left(x-\tfrac{2}{3}\right)(3x^2-3x+3)\\[6pt] &=(3x-2)(x^2-x+1)\end{aligned}`
Kvadratická rovnice `x^2-x+1=0` má diskriminant `1-4=-3`, reálné kořeny tedy nemá. Rovnice má jediný reálný kořen `x=\frac{2}{3}`.
V komplexních číslech by ze zbylé rovnice vyšly ještě `x=\frac{1\pm i\sqrt{3}}{2}` (Rovnice s komplexními čísly).
Příklad 5
Rozložte na součin `x^5+x^3-2x^2-12x-8`.
Vedoucí koeficient je 1, kandidáti jsou dělitelé čísla 8: `\pm 1,\ {\pm 2},\ {\pm 4},\ {\pm 8}`. Pozor, člen s `x^4` chybí a jeho koeficient 0 se do schématu musí napsat. Číslo 1 dá `-20`, zkusíme `-1`:
`\begin{array}{r|rrrrrr} & 1 & 0 & 1 & -2 & -12 & -8 \\
-1 & & -1 & 1 & -2 & 4 & 8 \\ \hline
& 1 & -1 & 2 & -4 & -8 & \boxed{0}\end{array}`
Kořen může být vícenásobný, a tak zkusíme `-1` znovu, na podíl:
`\begin{array}{r|rrrrr} & 1 & -1 & 2 & -4 & -8 \\
-1 & & -1 & 2 & -4 & 8 \\ \hline
& 1 & -2 & 4 & -8 & \boxed{0}\end{array}`
Zbyl kubický mnohočlen `x^3-2x^2+4x-8`. Třetí kolo s číslem 2:
`\begin{array}{r|rrrr} & 1 & -2 & 4 & -8 \\
2 & & 2 & 0 & 8 \\ \hline
& 1 & 0 & 4 & \boxed{0}\end{array}`
Poslední podíl `x^2+4` reálné kořeny nemá, protože `x^2+4` je vždy aspoň 4. Dál tedy rozložit nejde. Výsledek:
`(x+1)^2(x-2)(x^2+4)`
Kontrola stupněm: `2+1+2=5`. V komplexních číslech by šlo ještě `x^2+4=(x-2i)(x+2i)`. Stejný rozklad i s násobností kořenů najde kalkulačka kořenů mnohočlenu.
Descartovo pravidlo znamének
Ještě před hledáním se dá odhadnout, kolik kladných a kolik záporných kořenů mnohočlen má. Koeficienty se napíšou od nejvyšší mocniny, nuly se vynechají, a spočítá se, kolikrát se mezi sousedy změní znaménko.
- Počet kladných kořenů je roven počtu změn znaménka, nebo je o sudé číslo menší.
- Počet záporných kořenů se zjistí stejně, jen z `f(-x)`, tedy po otočení znamének u lichých mocnin.
Proč „o sudé číslo menší“: některé kořeny nemusí být reálné, a komplexní kořeny mnohočlenu s reálnými koeficienty chodí vždy v párech.
Příklad 6
Kolik kladných a záporných kořenů může mít `f(x)=x^3-5x^2+4x+2`?
Znaménka jsou `{+}\ {-}\ {+}\ {+}`, mění se dvakrát. Kladné kořeny jsou tedy 2, nebo 0. Pak
`f(-x)=-x^3-5x^2-4x+2`
se znaménky `{-}\ {-}\ {-}\ {+}`, jedna změna, takže záporný kořen je přesně jeden. Skutečně: kořeny jsou přibližně `-0{,}34`, `1{,}53` a `3{,}81`.
Pravidlo dává jen horní mez. U `-x^4+5x^3-8x^2+6x-9` se znaménko mění čtyřikrát, kladných kořenů tedy může být 4, 2 nebo 0, a v `f(-x)=-x^4-5x^3-8x^2-6x-9` se nemění vůbec. Tento mnohočlen ve skutečnosti nemá žádný reálný kořen, všechny čtyři jsou komplexní.
Časté chyby
- Chybějící mocnina bez nuly. U `x^3-5` jsou koeficienty `1,\ 0,\ 0,\ {-5}`. Bez nul vyjde v Hornerově schématu i v kalkulačce úplně jiný mnohočlen.
- Minus jen u prvního členu. `-(x^2-3x+1)=-x^2+3x-1`, znaménko se otáčí u všech tří členů.
- Zapomenutý prostřední člen. `(x+3)^2=x^2+6x+9`, ne `x^2+9`.
- Stupeň mocniny závorky. `(x+1)^4` má stupeň 4 a `(x^2+1)^3` stupeň `2\cdot 3=6`. Při násobení se stupně sčítají.
- Prvočinitelé místo dělitelů. Kandidáti na kořen jsou všichni dělitelé absolutního členu, i složená čísla a jednička.
- Odmocnina ze záporného diskriminantu. `\sqrt{-3}=i\sqrt{3}`, ne `\sqrt{3i}`. To druhé je úplně jiné číslo.
Příklady k procvičení
1. Určete stupeň, vedoucí koeficient a absolutní člen mnohočlenu `P(x)=4-3x^2+x^5-2x`.
Seřazeno od nejvyšší mocniny: `x^5-3x^2-2x+4`. Stupeň je 5, vedoucí koeficient 1 (u `x^5` se jednička nepíše), absolutní člen 4. Koeficienty u `x^4` a `x^3` jsou nulové.
2. Které z výrazů jsou mnohočleny? a) `3x^4-\dfrac{{x}}{{2}}`; b) `\dfrac{{2}}{{x}}+1`; c) `\sqrt{{3}}\,x^2-1`; d) `\sqrt{{x}}+1`; e) `(x-1)^3`; f) `x^2+2^x`.
Mnohočleny jsou a) `3x^4-\frac{{x}}{{2}}` (dělí se číslem 2), c) `\sqrt{{3}}\,x^2-1` (odmocnina je jen v koeficientu) a e) `(x-1)^3`. Ostatní ne: `\frac{{2}}{{x}}=2x^{{-1}}`, `\sqrt{{x}}=x^{{1/2}}` a v `2^x` je proměnná v exponentu.
3. Vypočítejte `(2x^2-3x+1)-(x^2-5x+4)` a `(x-2)(x^2+2x+4)`.
První:
`\begin{aligned}&2x^2-3x+1-x^2+5x-4\\[6pt] &=x^2+2x-3\end{aligned}`
Druhý:
`\begin{aligned}&x^3+2x^2+4x-2x^2-4x-8\\[6pt] &=x^3-8\end{aligned}`
Prostřední členy se odečtou, je to vzorec pro rozdíl třetích mocnin. Zkouška v 1: `(-1)\cdot 7=-7` a `1-8=-7`.
4. Pro `P(x)=x^3-2x^2-5x+6` ověřte, že 3 je kořen, a rozložte `P` na součin.
`P(3)=27-18-15+6=0`, takže 3 je kořen a `x-3` je kořenový činitel. Hornerovo schéma:
`\begin{array}{r|rrrr} & 1 & -2 & -5 & 6 \\
3 & & 3 & 3 & -6 \\ \hline
& 1 & 1 & -2 & \boxed{0}\end{array}`
Podíl `x^2+x-2=(x+2)(x-1)`. Celkem `P(x)=(x-3)(x+2)(x-1)`.
5. Bez počítání kořenů popište graf `f(x)=x(x+3)^2(x-1)^3`: směr konců, kde osu `x` protne a kde se jí dotkne.
Stupeň `1+2+3=6`, vedoucí koeficient 1, tedy oba konce nahoru. V 0 graf osu protne (jednoduchý kořen), v `-3` se jí dotkne (dvojnásobný), v 1 ji protne, ale naplocho jako `x^3` (trojnásobný). Kontrola znaménka: mezi `-3` a 0 je třeba `f(-1)=(-1)\cdot 4\cdot(-8)=32\gt 0` a mezi 0 a 1 je `f\left(\frac{{1}}{{2}}\right)\lt 0`.
6. Ze čtverce plechu o straně 12 cm se v rozích vystřihnou čtverečky o straně `x` a okraje se ohnou na otevřenou krabici. Vyjádřete objem jako mnohočlen, spočítejte ho pro `x=1,\ 2,\ 3\ \mathrm{{cm}}` a zjistěte, pro které `x` je objem `128\ \mathrm{{cm^3}}`.
Dno je čtverec o straně `12-2x`, výška `x`:
`\begin{aligned}V(x)&=x(12-2x)^2\\[6pt] &=4x^3-48x^2+144x\end{aligned}`
Mnohočlen třetího stupně. `V(1)=100`, `V(2)=128` a `V(3)=108\ \mathrm{cm^3}`. Pro objem 128 řešíme `4x^3-48x^2+144x=128`, po vydělení čtyřmi
`x^3-12x^2+36x-32=0`
Kořen 2 už známe:
`\begin{array}{r|rrrr} & 1 & -12 & 36 & -32 \\
2 & & 2 & -20 & 32 \\ \hline
& 1 & -10 & 16 & \boxed{0}\end{array}`
Podíl `x^2-10x+16=(x-2)(x-8)`, takže 2 je dvojnásobný kořen a třetí kořen je 8. Jenže `x=8` nedává smysl, strana dna by vyšla `12-16\lt 0`. Objem 128 cm³ má jen krabice s `x=2\ \mathrm{cm}`. Dvojnásobný kořen tu má i názorný význam: `V(x)-128=4(x-2)^2(x-8)` a pro `0\lt x\lt 6` je to součin nezáporného čtverce a záporného čísla, tedy nejvýš nula. Víc než 128 cm³ se do žádné takové krabice nevejde.
Kam dál
- Procvičování: hodnota mnohočlenu - dosazování do mnohočlenu s kontrolou každé odpovědi.
- Kořeny mnohočlenu a rozklad na součin - všechny racionální kořeny i s násobností.
- Sčítání, odčítání a násobení mnohočlenů - s rozepsaným postupem.
- Procvičování vzorců (a + b)² a a² − b².
- Hornerovo schéma - dosazování, dělení dvojčlenem a hledání kořenů v jedné tabulce.
- Dělení mnohočlenů - dělení mnohočlenu mnohočlenem pod sebou.
- Kvadratická rovnice - kořeny mnohočlenu druhého stupně.