餘數定理

多項式除以一線性多項式的余式

餘數定理(Polynomial remainder theorem)是指一個多項式f(x) 除以一個線性多項式(x-a)的餘數是 f(a)。若f(a)=0,則(x-a)為多項式f(x)的因式。例如,(5x³+4x²-12x+1)/(x-3) 的余式是 5·3³+4·3²-12·3+1=136。

設n為大於1的奇數,當連續整數列:0,1,2,3,…,n-1各項都分別乘以一個與n互素的自然數m,再除以n后,若把所得餘數按從小到大的順序排列起來仍為0,1,2,3,……,n-1共n項的連續整數列。

介紹


多項式除以所得的餘數等於。
推論:

證明


根據除法的定義及性質可知,。
設多項式 除以一次式 所得的商為,餘數為R,根據上面的性質可以列出下列恆等式
令,代入上式即得,因此得到結論:除以 后的餘數。
注意:若除式不為 的類型,依然可以利用上面的方法來求餘數(式),即先求出使除式為0的x的值,再代入恆等號兩邊。

推廣形式


設 是 n 個不同的數,而,對任意多項式 用除所得 的余式為

例題


一次項係數不為1

例:求 的餘數。
解:在這裡,使除式為 0的,所以餘數為。

除式次數大於1

例1:求 的余式。
解:由於除式是2次多項式,所以設余式為(余式的次數要比除式低1)。
的解為 或,代入恆等式 的兩邊得:
解得。
故余式為
例2:求 的余式。
解:除式的次數為3,所以設余式為。由於的解為或,代入恆等式得:
出現等式個數少於待定係數的個數時需要把恆等式兩邊對x求導,再把解代入求導后的等式中。
對 左右兩邊求導得
再把代入,得到第三個等式:
解方程組得
所以余式為

因式分解

因式分解
解:易知當時,。當 與 時亦有
∴將多項式展開后應含有因式
設原式,則展開后比較係數可得:
∴原式

推論


如果數a是多項式的根(即),那麼用去除這個多項式沒有餘數。
例如,從這個定理可以知道,用去除多項式,沒有餘數,事實上,用a代替x得到。建議讀者證明:多項式和能被除盡。

應用


餘數定理可以用來求餘數,要求除以一次式時,只需以b代入多項式f(x)中的x即得,在計算時以用綜合除法為便。餘數定理主要用於分解因式,若能檢驗出有一個常數b能使,則就有了一個因子在解方程的過程中,可以逐次用視察法與綜合除法結合,求出的一個因式,就可以將求解的方程次數降低一次。

中國餘數定理


一盤圍棋下完后,同學甲突然問同學乙:“棋盤上黑子有多少?”同學乙將棋盤上黑子數了一下,似乎有所悟,只是說:“如果三個三個地數,最後餘下兩個,五個五個地數,最後餘下三個,七個七個地數,最後餘下四個。棋盤上黑子的數目正好符合這個情況。”說完他們倆都會心地笑了。
棋盤上黑子到底有多少個呢?原來他們正好碰上類似《孫子算經》中講到的一道題了。《孫子算經》是我國古代的一部優秀數學著作。對這類問題,我國古代數學史上還稱為“鬼谷算”、“秦王暗點兵”、“剪管術”、“隔牆算”、“神奇妙算”、“大行求一術”等等。
這個問題的解法並不難。用數學語言敘述這道題就是: 
某數除以3餘2,除以5餘3,除以7餘4,求某數。我們先來考慮一下什麼數除以3餘2?很清楚,既然2是餘數,那麼把2再加上3得5,5除以3還是餘2。繼續這樣做,得8,它除了除以3餘2外,而且除以5餘數是3。8是同時滿足上述問題中,“三個三個地數,最後餘下兩個,五個五個地數,最後餘下三個”這兩個條件的。最後再在8這個數上每次加15(3和5的最小公倍數)。
, 
, 
。 
我們發覺53不但除以3餘2,除以5餘3,而且被7除餘4。這樣答數就是53了。當然,53是符合上述問題要求的最小一個正整數,除此之外還有;
等等,它們都有此性質。一個棋盤上共有192=361格,這兩位同學經過了一百多次來回的廝殺,才宜告戰鬥結束。於是可以知道棋盤上黑子共有158個。這個問題的解題思路是,先從用3去除餘2的數中去找用5去除餘3的數,再從“3除餘2,5除餘3”的數中去找用7去除餘4的數,並得到答數。古人經過精心研究,找出解題規律,並用口訣形式來表示;
“三人同行七十稀,
五樹梅花廿一枝,
七子團圓正半月,
除百零五便得知。”
它的意思是:用70乘“3除”所得的餘數,21乘“5除”所得的餘數,15乘“7除”所得餘數,然後總加起來。如果它大於105,則減105,還大再減,直到最後得到答數。
具體算式是 :
 
 ,
 。
這裡挑選了70,21,15去乘餘數,主要是考慮到70是3除餘1,5與7都除盡的數;21是5除餘1,3與7都除盡的數;15是7除餘1,3與5都除盡的數;而105又是3,5,7都能除盡的數。
有了這個口訣后,我們可以做各種各樣餘數的這一類題目了。不妨再舉一例:某數除以3餘1,除以5餘2,除以7餘6,求某數。
具體演演算法如下;
所以某數是97。驗算一下果真不差。
這個向題以及它的解法得到世界各國的數學家重視,大家都把它叫做“孫子定理”或“中國餘數定理”。而且在電子計算機的設計中也有它的重要應用。