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¿Existe una manera más fácil de demostrar el Teorema Fundamental del Álgebra para polinomios con coeficientes reales?

Mi nivel actual de matemáticas no me permite entender ninguna de las pruebas que pude encontrar en línea para el Teorema Fundamental del Álgebra. Me resulta muy inquietante tener que seguir aprendiendo sobre polinomios sin poder comprender una propiedad tan fundamental de ellos, que existe una raíz compleja para cualquier polinomio con coeficientes complejos.

Mi pregunta es, ¿hay alguna forma de llegar a la misma conclusión del Teorema Fundamental del Álgebra para polinomios con coeficientes reales en lugar de coeficientes complejos? En otras palabras, demostrar que al menos una raíz compleja existe para un polinomio con coeficientes reales. ¿Hacer que los coeficientes sean reales en lugar de complejos hace las cosas más fáciles?

Si la respuesta a mi pregunta anterior es no, entonces apreciaría si pudieras proporcionar fuentes que pudiera haber pasado por alto, que expliquen el Teorema utilizando la menor cantidad de notación matemática y conceptos avanzados posibles.

Si no logro entender esto, tendré que aceptar la existencia de una raíz como un axioma en el futuro, lo cual es algo que realmente no quiero hacer.

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Matt Dawdy Puntos 5479

El teorema fundamental del álgebra es exactamente tan difícil para coeficientes reales como para coeficientes complejos. La razón es que si $f(x) = f_0 + \dots + f_n x^n$ es un polinomio con coeficientes complejos, entonces el polinomio

$$\overline{f(\overline{x})} f(x) = (\overline{f_0} + \dots + \overline{f_n} x^n)(f_0 + \dots + f_n x^n)$$

tiene coeficientes reales (porque es invariante bajo conjugación compleja de los coeficientes), y sus raíces son exactamente las raíces de $f$ junto con sus conjugados complejos (esto es un buen ejercicio). Así que cualquier demostración del TFA para coeficientes reales automáticamente conlleva el TFA para coeficientes complejos.

Es bueno que quieras entender este resultado en lugar de aceptarlo como cierto; desafortunadamente es uno de los primeros resultados "genuinamente difíciles" con los que uno se encuentra en matemáticas. No hay pruebas realmente fáciles, uno tiene que entender realmente algo. Puedes encontrar una excelente colección de pruebas aquí en MO pero todos sus requisitos implican cierta cantidad de análisis o topología o, en un caso, teoría de Galois y esto es inevitable. (La teoría de Galois se utiliza para reducir la cantidad de análisis necesaria al hecho de que un polinomio real de grado impar tiene una raíz real (edición: y, como señala Daniel Schepler, al hecho de que un número real no negativo tiene una raíz cuadrada real), lo que se deduce del teorema del valor intermedio.)

Por cierto, creo que esta prueba compartida por Kevin McGerty es la menos técnica de la lista pero aún requiere cierta familiaridad con el análisis.

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ManuelSchneid3r Puntos 116

El teorema fundamental del álgebra es, en mi opinión, el ejemplo más sorprendente de un hecho que es comprensible y relevante desde muy temprano matemáticamente, pero que realmente no tiene una explicación simple. Lo que podemos hacer en esta situación es tratar de explicar por qué es tan difícil de probar.

Sabemos que el FTA falla para $\mathbb{Q}$: para cualquier $n>1$ el polinomio $$x^n-2$$ es irreducible sobre $\mathbb{Q}$ a pesar de tener coeficientes racionales. Así que la clave que hace que el FTA funcione tiene que estar en la construcción de los números reales. Hay algunas formas diferentes de construir los reales a partir de los racionales - las más comunes son a través de los cortes de Dedekind o de las sucesiones de Cauchy (clases de equivalencia), pero hay otras formas - pero en mi opinión todas ellas tienen algo más que ver con la geometría que con el álgebra (esto es ciertamente cierto para las construcciones Dedekind/Cauchy). Básicamente, observamos que $\mathbb{Q}$ tiene "agujeros" y nuestra construcción de $\mathbb{R}$ consiste en llenar estos huecos de una manera matemáticamente precisa.

Esto significa que para probar el FTA necesitamos de alguna manera relacionar las ideas geométricas que se utilizaron en la construcción de $\mathbb{R}$ con las diversas propiedades algebraicas que $\mathbb{Q}$ carece. Y este tipo de conexión va a ser bastante intrincada. Esto es muy subjetivo, por supuesto, pero creo que cuenta una historia coherente de cómo deberíamos esperar que el FTA sea más difícil de probar que muchas afirmaciones que suenan de manera similar.

(Una sutileza técnica adicional es que no podemos centrarnos en polinomios de un grado fijo: para cualquier $n$ hay campos no algebraicamente cerrados en los que cada polinomio de grado $ tiene una raíz.)

18voto

Khachatur Puntos 113

Aunque los siguientes comentarios no responden directamente a tu pregunta, quizás te sean de ayuda.

Un campo $F$ se dice que es algebraicamente cerrado si todas las raíces de un polinomio con coeficientes en $F$ están en $F$. Con esta terminología, el teorema fundamental del álgebra establece que $\mathbb{C}$, el campo de los números complejos, es algebraicamente cerrado.

Vale la pena señalar que construir algún campo algebraicamente cerrado no es algo tan difícil de hacer. Digamos que comenzamos con $\mathbb{Q}$, el campo de los números racionales, y queremos expandir $\mathbb{Q}$ a un campo algebraicamente cerrado. Conceptualmente, lo más fácil que podríamos intentar es comenzar tomando todas las raíces de todos los polinomios con coeficientes en $\mathbb{Q}$ (este es el conjunto de todos los números algebraicos, denotado por $\overline{\mathbb{Q}}$), y añadiéndolos a $\mathbb{Q}$. Cualquier campo algebraicamente cerrado que contenga a $\mathbb{Q}$ seguramente, como mínimo, debe contener todos los números algebraicos. Luego, podría parecer que tenemos que iterar, y añadir todas las raíces de los polinomios con coeficientes en $\overline{\mathbb{Q}}$. Sin embargo, hay dos hechos muy agradables:

Hecho 1. $\overline{\mathbb{Q}}$ es un campo.

Hecho 2. La raíz de un polinomio con coeficientes en $\overline{\mathbb{Q}}$ ya está en $\overline{\mathbb{Q}}$.

Así que no necesitamos iterar después de todo; obtenemos nuestro campo algebraicamente cerrado después de solo un paso de "añadir manualmente todas las raíces".

Resulta ser mucho más fácil demostrar el Hecho 1 y el Hecho 2 que demostrar el Teorema Fundamental del Álgebra; consulta esta pregunta por ejemplo. Así que si buscas un teorema más fácil de demostrar como un "paso intermedio" en el camino hacia el teorema fundamental del álgebra, podrías comenzar intentando entender las demostraciones del Hecho 1 y el Hecho 2.

Como siguiente paso, resulta que los argumentos utilizados para demostrar el Hecho 1 y el Hecho 2 se pueden adaptar de manera bastante sencilla (si conoces un poco de teoría de conjuntos y utilizas el axioma de elección) para expandir cualquier campo $F$ a un campo más grande $\overline{F}$ que sea algebraicamente cerrado. En particular, podemos tomar $F = \mathbb{R}$, el campo de los números reales, y expandir $\mathbb{R}$ a un campo más grande $\overline{\mathbb{R}}$ que sea algebraicamente cerrado. Este resultado nos acerca bastante al teorema fundamental del álgebra, y solo hemos utilizado argumentos bastante sencillos.

Sin embargo, "bastante cerca" no es suficiente. Lo sorprendente del teorema fundamental del álgebra es que para obtener $\overline{\mathbb{R}}$ (que en realidad es igual a $\mathbb{C}$), todo lo que necesitas añadir a $\mathbb{R}$ son las raíces de la ecuación $x^2+1=0$, y ya está. No es necesario "añadir manualmente" todas las raíces de todos los polinomios con coeficientes reales; esta única ecuación hace el trabajo. Este hecho notable no es cierto para cualquier campo $F$ cualquiera; es una propiedad especial de $\mathbb{R}$ que comparten muy pocos otros campos (principalmente, los llamados campos reales cerrados). Esto explica por qué la demostración del teorema fundamental del álgebra es sutil y complicada; de alguna manera debe utilizar propiedades especiales de $\mathbb{R}$ que no poseen otros campos como $\mathbb{Q}$.

ANEXO: Como Will Jagy insinuó en un comentario, es posible identificar exactamente qué es lo especial acerca de $\mathbb{R}$ en este contexto. Resulta que, aunque no es fácil de demostrar, si $F$ es un campo en el cual cada polinomio cuyo grado es un número primo tiene una raíz, entonces $F$ es algebraicamente cerrado (Shipman, Mejorando el Teorema Fundamental del Álgebra). En el caso de $\mathbb{R}$, es fácil demostrar que cada polinomio (mónico) $f$ de grado impar tiene una raíz. Si $x$ es un número positivo lo suficientemente grande, entonces $f(x)>0$ y $f(-x)<0$, por lo que el teorema del valor intermedio (que, por cierto, es en gran parte la motivación para la definición de los números reales—queremos "llenar todos los espacios" entre los números racionales) implica que $f$ debe tener al menos una raíz en algún lugar entre $-x$ y $x$. Por lo tanto, el único primo "faltante" es 2. Esta es una explicación parcial (aunque no una demostración completa) de por qué todo lo que tiene que hacer para convertir a $\mathbb{R}$ en un campo algebraicamente cerrado es tratar con el hecho de que no contiene todas sus raíces cuadradas.

También me gustaría recomendarte el libro de Fine and Rosenberger, El Teorema Fundamental del Álgebra, que contiene muchas demostraciones diferentes y material complementario. Seguro que encontrarás algo en él que te ayude a comprender este asombroso y difícil teorema.

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Acccumulation Puntos 13

Supongamos que $f$ es una función polinómica con $f(0) \neq 0$. Sea $z = re^{i\theta}$, y sea $C_r$ la curva trazada por los valores de $f(z)$ para un $r$ fijo mientras $\theta$ varía de $0$ a $2\pi$. Para $r$ suficientemente pequeño, $0$ estará fuera de $C_r$. Para $r$ suficientemente grande, $0$ estará dentro de $C_r$. Por lo tanto, existe un $r$ intermedio tal que $0$ esta sobre $C_r$, lo que significa que hay un número $z$ tal que $|z|=r$ y $f(z)=0$. Es decir, $f$ tiene una raíz.

Esta prueba no es completamente rigurosa (por un lado, la pregunta "¿Y si $C_r$ no es una curva simple?" debe ser abordada), pero me parece lo suficientemente simple para ser entendida, y lo suficientemente rigurosa para ser satisfactoria.

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Bob Terrell Puntos 1228

Para la parte de la fuente de la pregunta: Una prueba está esbozada en Cálculo Multivariable con Aplicaciones por P. Lax y M. Terrell, Springer 2017.

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