פולינום סימטרי אלמנטרי

באלגברה, הפולינומים הסימטריים האלמנטריים הם סוג אפשרי של אבני בניין של פולינומים סימטריים, במובן שכל פולינום סימטרי ניתן לביטוי כפולינום בפולינומים הסימטריים האלמנטריים. ישנו פולינום סימטרי אלמנטרי אחד ממעלה d ב-n משתנים בעבור כל מעלה שמקיימת d ≤ n, והוא נוצר על ידי חיבור כל המכפלות האפשריות של d משתנים שונים מתוך האוסף של n משתנים.

הגדרה

הפולינומים הסימטריים האלמנטריים ב-n משתנים X₁, …, X_n, שנסמנם (e_k(X₁, …, X_n בעבור k = 0, 1, …, n, מוגדרים כך:

${\begin{aligned}e_{0}(X_{1},X_{2},\dots ,X_{n})&=1,\\[10pt]e_{1}(X_{1},X_{2},\dots ,X_{n})&=\sum _{1\leq j\leq n}X_{j},\\e_{2}(X_{1},X_{2},\dots ,X_{n})&=\sum _{1\leq j<k\leq n}X_{j}X_{k},\\e_{3}(X_{1},X_{2},\dots ,X_{n})&=\sum _{1\leq j<k<l\leq n}X_{j}X_{k}X_{l},\\\end{aligned}}$

וכך הלאה, עד הפולינום האלמנטרי האחרון: $e_{n}(X_{1},X_{2},\dots ,X_{n})=X_{1}X_{2}\cdots X_{n}.$

באופן כללי, עבור k ≥ 0, מגדירים:

$e_{k}(X_{1},\ldots ,X_{n})=\sum _{1\leq j_{1}<j_{2}<\cdots <j_{k}\leq n}X_{j_{1}}\dotsm X_{j_{k}},$

כך ש-e_k(X₁, …, X_n) = 0 אם k > n.

לכן, בעבור כל שלם אי-שלילי k הקטן או שווה ל-n ישנו בדיוק פולינום סימטרי אלמנטרי אחד ממעלה k ב-n משתנים. כדי ליצור את הפולינום האלמנטרי ממעלה k, יש לקחת את הסכום של כל המכפלות של תת-קבוצות בעלות k איברים שונים של קבוצת המשתנים המקורית (בשונה מכך, אם מבצעים את אותה פעולה באמצעות מולטי-קבוצות של משתנים, כלומר על ידי בחירה עם חזרות של משתנים, אז מקבלים את הפולינום ההומוגני השלם ממעלה k ב-n משתנים).

דוגמאות

להלן רשימה של כל הפולינומים הסימטריים האלמנטריים בעבור מספר משתנים בין אחד לארבע (בכל מקרה, e₀ = 1 הוא גם אחד הפולינומים):

בעבור n = 1:

$e_{1}(X_{1})=X_{1}.$

בעבור n = 2:

${\begin{aligned}e_{1}(X_{1},X_{2})&=X_{1}+X_{2},\\e_{2}(X_{1},X_{2})&=X_{1}X_{2}.\,\\\end{aligned}}$

בעבור n = 3:

${\begin{aligned}e_{1}(X_{1},X_{2},X_{3})&=X_{1}+X_{2}+X_{3},\\e_{2}(X_{1},X_{2},X_{3})&=X_{1}X_{2}+X_{1}X_{3}+X_{2}X_{3},\\e_{3}(X_{1},X_{2},X_{3})&=X_{1}X_{2}X_{3}.\,\\\end{aligned}}$

בעבור n = 4:

${\begin{aligned}e_{1}(X_{1},X_{2},X_{3},X_{4})&=X_{1}+X_{2}+X_{3}+X_{4},\\e_{2}(X_{1},X_{2},X_{3},X_{4})&=X_{1}X_{2}+X_{1}X_{3}+X_{1}X_{4}+X_{2}X_{3}+X_{2}X_{4}+X_{3}X_{4},\\e_{3}(X_{1},X_{2},X_{3},X_{4})&=X_{1}X_{2}X_{3}+X_{1}X_{2}X_{4}+X_{1}X_{3}X_{4}+X_{2}X_{3}X_{4},\\e_{4}(X_{1},X_{2},X_{3},X_{4})&=X_{1}X_{2}X_{3}X_{4}.\,\\\end{aligned}}$

תכונות

הפולינומים הסימטריים האלמנטריים מופיעים כאשר מפתחים פירוק לגורמים ליניאריים של פולינום במשתנה אחד; ישנה הזהות: $\prod _{j=1}^{n}(\lambda -X_{j})=\lambda ^{n}-e_{1}(X_{1},\ldots ,X_{n})\lambda ^{n-1}+e_{2}(X_{1},\ldots ,X_{n})\lambda ^{n-2}+\cdots +(-1)^{n}e_{n}(X_{1},\ldots ,X_{n}).$

כלומר, כאשר מציבים ערכים מספריים במשתנים X₁, X₂, …, X_n מקבלים את מקדמי הפולינום ששורשיו הם הערכים שהוצבו עבור X₁, X₂, …, X_n. הקשרים בין השורשים למקדמים של הפולינום נקראים נוסחאות ויאטה.

הפולינום האופייני של מטריצה ריבועית הוא דוגמה ליישום של נוסחאות ויאטה. השורשים של הפולינום הזה הם הערכים העצמיים של המטריצה. כאשר מציבים את הערכים העצמיים הללו בפולינומים הסימטריים האלמנטריים מקבלים, עד כדי סימן, את המקדמים של הפולינום האופייני. למשל, העקבה של המטריצה (סכום האיברים על האלכסון הראשי) הוא הערך של e₁, ולפיכך הוא גם סכום הערכים העצמיים שלה - או העקבה של הצורה האלכסונית של המטריצה. בדומה לכך, הדטרמיננטה היא, עד כדי סימן, האיבר הקבוע של הפולינום האופייני; כלומר היא שווה ל-e_n. לכן הדטרמיננטה של מטריצה היא מכפלת הערכים העצמיים.

האוסף של פולינומים סימטריים אלמנטריים ב-n משתנים יוצר את חוג הפולינומים הסימטריים ב-n משתנים. באופן פורמלי יותר, חוג הפולינומים הסימטריים עם מקדמים שלמים שווה לחוג הפולינומי ℤ[e₁(X₁, …, X_n), …, e_n(X₁, …, X_n)] (ראו למטה בעבור קביעה כללית והוכחה). עובדה זאת היא אחת מהיסודות של תורת האינווריאנטים.

המשפט היסודי של פולינומים סימטריים

בעבור חוג חילופי A, נסמן את החוג של פולינומים סימטריים במשתנים X₁, …, X_n עם מקדמים ב-A על ידי A[X₁, …, X_n]^S_n. לפי המשפט היסודי של פולינומים סימטריים, זהו חוג פולינומי ב-n הפולינומים הסימטריים האלמנטריים e_k(X₁, …, X_n) בעבור k = 1, …, n.

הוכחה

את המשפט ניתן להוכיח בעבור פולינומים הומוגניים סימטריים באמצעות אינדוקציה כפולה ביחס למספר המשתנים n וביחס למעלת הפולינום (צעד האינדוקציה ביחס למעלה נעשה כאשר n נלקח כקבוע). המקרה הכללי יותר של פולינום סימטרי אי-הומוגני מתקבל מהמשפט היסודי דרך פירוק הפולינום הסימטרי למרכיבים ההומוגניים שלו (שהם בהכרח סימטריים בעצמם).

במקרה n = 1 התוצאה מובנת מאליה כי כל פולינום במשתנה אחד הוא בהכרח סימטרי. לכן בסיס האינדוקציה מתקיים.

נניח כעת שהמשפט הוכח בעבור כל הפולינומים ב-m < n משתנים ובעבור כל הפולינומים הסימטריים ב-n משתנים ממעלה קטנה מ-d. כל פולינום סימטרי הומוגני P ב-A[X₁, …, X_n]^S_n ניתן לפירוק כסכום של פולינומים הומוגניים סימטריים באופן הבא:

$P(X_{1},\ldots ,X_{n})=P_{\text{lacunary}}(X_{1},\ldots ,X_{n})+X_{1}\cdots X_{n}\cdot Q(X_{1},\ldots ,X_{n}).$

כאן "החלק הלקוני" P_lacunary מוגדר כסכום כל המונומים של P אשר הגורמים שלהם נלקחים מתוך תת-קבוצה חלקית של n המשתנים X₁, …, X_n, כלומר, כל המונומים אשר לפחות משתנה אחד X_j חסר בהם.

בגלל ש-P סימטרי, החלק הלקוני נקבע באופן חד-חד ערכי על ידי איברי P שמכילים רק את n-1 המשתנים הראשונים, דהיינו X₁, …, X_{n − 1}, כלומר אלו שאינם מכילים את X_n. ביותר דיוק, אם A ו-B הם שני פולינומים הומוגניים סימטריים ב-X₁, …, X_n בעלי אותה מעלה, ואם המקדם לפני כל מונום של A שמכיל רק את המשתנים X₁, …, X_{n − 1} שווה למקדם המתאים של B, אז ל-A ו-B יש חלקים לקוניים זהים. זה נובע מכך שכל מונום שמופיע בחלק הלקוני חייב להיות בעל לפחות משתנה חסר אחד, וכמו כן P נשמר תחת פעולת החבורה הסימטרית $S_{n}$, ולכן ניתן באמצעות תמורה מתאימה של המשתנים להפוך אותו למונום שמכיל רק את המשתנים X₁, …, X_{n − 1}. כדוגמה מוחשית, נסתכל על הפולינום הסימטרי ההומוגני $P(x_{1},x_{2})=x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{1}x_{2}$ - החלק הלקוני שלו הוא $x_{1}^{2}+x_{2}^{2}$, ואמנם הוא מכיל גם את $x_{2}^{2}$, אך את איבר זה למעשה ניתן היה לקבל מראש על בסיס האיבר $x_{1}^{2}$ - אם זוכרים ש-P סימטרי - כך שניתן להפעיל את התמורה $\sigma =(1,2)$ על האינדקסים של המשתנים.

האיברים של P שמכילים רק את המשתנים X₁, …, X_{n − 1} הם בדיוק האיברים ששורדים תחת הפעולה של הצבת הערך של X_n על 0, כך שסכומם שווה (P(X₁, …, X_{n − 1}, 0, שהוא פולינום סימטרי במשתנים X₁, …, X_{n − 1} שנסמנו כעת (P̃(X₁, …, X_{n − 1}. מהנחת האינדוקציה, הפולינום הזה ניתן לכתיבה כ-:

${\tilde {P}}(X_{1},\ldots ,X_{n-1})={\tilde {Q}}(\sigma _{1,n-1},\ldots ,\sigma _{n-1,n-1})$

בעבור פולינום כלשהו Q̃, כאשר σ_{j,n − 1} מייצג את הפולינום הסימטרי האלמנטרי ממעלה j ב-n-1 משתנים.

נתייחס כעת לפולינום

$R(X_{1},\ldots ,X_{n}):={\tilde {Q}}(\sigma _{1,n},\ldots ,\sigma _{n-1,n})\ .$

(R(X₁, …, X_n הוא פולינום סימטרי ב-X₁, …, X_n, ממעלה זהה ל-P_lacunary, אשר מקיים

$R(X_{1},\ldots ,X_{n-1},0)={\tilde {Q}}(\sigma _{1,n-1},\ldots ,\sigma _{n-1,n-1})=P(X_{1},\ldots ,X_{n-1},0)$

במילים אחרות, המקדם של R לפני כל מונום אשר מכיל רק את המשתנים X₁, …, X_{n − 1} שווה למקדם המתאים של P. פירוש הדבר הוא שהחלק הלקוני של R זהה לזה של הפולינום המקורי P. לפיכך להפרש P − R אין חלק לקוני, ולכן הוא מתחלק במכפלה X₁···X_n של כל המשתנים, אשר שווה לפולינום הסימטרי האלמנטרי σ_n,n. כיוון ש-P − R = σ_n,nQ, המנה Q היא פולינום הומוגני סימטרי ממעלה קטנה מ-d (למעשה ממעלה לכל היותר d-n) אשר לפי הנחת האינדוקציה ניתנת לביטוי כפולינום בפולינומים הסימטריים האלמנטריים. באמצעות שילוב ההצגות של P − R ו-R ניתן לבנות הצגה פולינומית של הפולינום המקורי P.

היחידות של ההצגה ניתנת להוכחה באמצעות טכניקה אינדוקטיבית דומה. היא שקולה לעובדה ש-n הפולינומים e₁, …, e_n הם בלתי תלויים אלגברית מעל החוג A.

דוגמה

• נציג את הפולינום הסימטרי $f(x_{1},x_{2})=x_{1}^{4}+x_{2}^{4}$ כפולינום בפולינומים האלמנטריים.

בהתאם לתהליך בהוכחה, נציג את $f(x_{1},x_{2})$ כהפרש בין חזקה של פולינום סימטרי אלמנטרי לבין פולינום סימטרי הומוגני ממעלה נמוכה יותר: $x_{1}^{4}+x_{2}^{4}=e_{1}^{4}(x_{1},x_{2})-(4x_{1}^{3}x_{2}+6x_{1}^{2}x_{2}^{2}+4x_{1}x_{2}^{3})=e_{1}^{4}(x_{1},x_{2})-e_{2}(x_{1},x_{2})(4x_{1}^{2}+6x_{1}x_{2}+4x_{2}^{2})$

לפי הנחת האינדוקציה על מעלת הפולינום, את הפולינום $4x_{1}^{2}+6x_{1}x_{2}+4x_{2}^{2}$ בהכרח ניתן להציג בדרך המבוקשת, ונראה זאת: $4x_{1}^{2}+6x_{1}x_{2}+4x_{2}^{2}=4e_{1}^{2}(x_{1},x_{2})-2e_{2}(x_{1},x_{2})$. לכן קיבלנו הצגה בפולינומים האלמנטריים:

$x_{1}^{4}+x_{2}^{4}=e_{1}^{4}(x_{1},x_{2})-4e_{1}^{2}(x_{1},x_{2})e_{2}(x_{1},x_{2})+2e_{2}^{2}(x_{1},x_{2})$.

ניתן להרחיב את הבנייה למקרה של סכום חזקות רביעיות של n משתנים, תוך התבססות על התוצאה ל-2 משתנים ושימוש בחלק השני של הנחת האינדוקציה; ביחס למספר המשתנים.

ראו גם

• פולינום סימטרי

קישורים חיצוניים

• פולינום סימטרי אלמנטרי, באתר MathWorld (באנגלית)   

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

26784401פולינום סימטרי אלמנטרי