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代数学の基本定理のLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

代数学の基本定理

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

この文書では代数学の基本定理の初等的な証明を述べる。前提知識は特に必要ない。まずは次の補題を証明する。

補題 1.

複素係数多項式fに対してその絶対値|f|は複素平面上で最小値を持つ。

証明.

f⁢(z)=zn+an−1⁢zn−1⁢⋯+a1⁢z+a0という風に最高次係数が1(つまりモニックということ)と仮定しても良い。最初にlimz→∞|f⁢(z)|=∞を示そう。この式の意味は

∀K>0⁢∃R>0⁢∀z∈ℂ⁢R<|z|⇒K<|f⁢(z)|

である。f⁢(z)=zn+an−1⁢zn−1+⋯+a1⁢z+a0をznでくくって

f⁢(z)=zn⁢(1+an−1z+⋯+a1zn−1+a0zn)

で明らかに

limn→∞(1+an−1z+⋯+a1zn−1+a0zn)=1

なのでlimz→∞|f⁢(z)|=∞がわかる。さてK=|f⁢(0)|としてRを選べば、

|z|>R⇒|f⁢(0)|<|f⁢(z)|

となる。{z∈ℂ||z|≤R}はコンパクトなのでfはこの上で最小値をとるが、0∈{z∈ℂ||z|≤R}で|z|>R⇒|f⁢(0)|<|f⁢(z)|なので、その最小値がℂ全体でのfの最小値となる。 ∎

補題 2.

定数でない複素係数多項式fについて、f⁢(a)≠0ならば

|f⁢(b)|<|f⁢(a)|

となるbがaの十分小さい近傍に存在する。

証明.

f⁢(a)≠0なので

g⁢(z)=f⁢(z+a)f⁢(a)

が定義できる。g⁢(0)=f⁢(0+a)f⁢(a)=f⁢(a)f⁢(a)=1なので

g⁢(z)=1+b1⁢z+⋯+bn−1⁢zn−1+bn⁢zn

と表せる。b1,…⁢bn−1,bnが0とならない最小の番号をkとして、(つまりi<kならばbi=0で、bk≠0ということ)bk(≠0)を極座標表示してbk=r⁢exp⁡(−1⁢θ)と書き表し、M:=max⁡{|bk+1|,…⁢|bn−1|,|bn|}とする。さて正の実数uを十分小さくとり

u<1, 0<1−r⁢uk, 0<r⁢uk−M⁢uk+11−u<1

と出来る。なぜなら

limu→0(1−r⁢uk)=1,limu→0(r−M⁢u1−u)=r

だからである。さてc:=u⁢exp⁡(π−θk)と置き、

|g⁢(c)|≤|1−r⁢uk|+M⁢(uk+1+⋯+un−1+un)
≤1−r⁢uk+M⁢uk+11−u<1

を得る。 よってg⁢(c)=f⁢(c+a)f⁢(a)よりb=c+aとすれば

|f⁢(b)|<|f⁢(a)|

∎

ここまで来たら後は簡単である。いよいよ本題に入ろう

定理 3 (代数学の基本定理).

定数でない複素係数多項式fはℂに零点を持つ。

証明.

補題1より最小値f⁢(a)が存在するがfに零点がないとするとf⁢(a)≠0なので補題2から

|f⁢(b)|<|f⁢(a)|

となるbが存在するがこれは最小性に矛盾するのでfは零点を持つ。 ∎

References

  • [1] 齋藤正彦『線形代数入門』(基礎数学1)東京大学出版会(1966)