對稱多項式與牛頓恆等式

對稱多項式

Vieta 公式

Vieta 公式給出了多項式方程根與係數的關係, 而不必實際地把這些根求出來, 由於高次多項式方程的求解一般而言非常困難, 該公式極大地簡化了對多項式方程的研究.

由代數基本定理知, 一個 nn 次多項式方程在複數域上必有 nn 個根 (含重根), 所以任何一個 nn 次首一多項式 f(x)=xn+i=1naixnif(x)=x^n+\sum_{i=1}^{n}a_i x^{n-i} 必能表示為如下形式:

f(x)=(xx1)(xx2)(xxn)f(x)=(x-x_1)(x-x_2)\cdots(x-x_n)

直接展開比較係數即得

{a1=(1)i=1nxia2=(1)2i<jxixjak=(1)ki1<<ikxi1xi2xikan=(1)nx1x2xn \begin{cases} a_1 = (-1)\sum_{i=1}^n x_i \\ a_2 = (-1)^2\sum_{i<j} x_i\thinspace x_j \\ \cdots\cdots \\ a_k = (-1)^k\sum_{i_1<\cdots<i_k} x_{i_1}x_{i_2}\cdots x_{i_k} \\ \cdots\cdots \\ a_n = (-1)^n x_1 x_2\cdots x_n \end{cases}

我們得到 nn 個關於 x1,,xnx_1,\cdots,x_n 的多項式, 分別記作

{s1=i=1nxis2=i<jxixjsk=i1<<ikxi1xi2xiksn=x1x2xn \begin{cases} s_1 = \sum_{i=1}^n x_i \\ s_2 = \sum_{i<j} x_i\thinspace x_j \\ \cdots\cdots \\ s_k = \sum_{i_1<\cdots<i_k} x_{i_1}x_{i_2}\cdots x_{i_k} \\ \cdots\cdots \\ s_n = x_1 x_2\cdots x_n \end{cases}

注意到 sk(x1,,xn)s_k(x_1,\cdots,x_n)(x1,,xn)(x_1,\cdots,x_n) 的任意置換下保持不變, 即

sk(x1,x2,,xn)=sk(xσ(1),xσ(2),,xσ(n))s_k(x_1,x_2,\cdots,x_n)=s_k\left(x_{\sigma(1)},x_{\sigma(2)},\cdots,x_{\sigma(n)}\right)

恆成立, 其中 σSn\sigma\in S_n(1,,n)(1,\cdots,n) 的任一置換.

因此, 我們稱多項式 sks_knn 元初等對稱多項式 (elementary symmetric polynomial).

對稱多項式

一般地, 設 AA 為整環, nn 元多項式 fA[x1,,xn]f\in A\left[x_1,\cdots,x_n\right], 若對任意 σSn\sigma\in S_n 都有

f(x1,x2,,xn)=f(xσ(1),xσ(2),,xσ(n))f(x_1,x_2,\cdots,x_n) = f\left(x_{\sigma(1)},x_{\sigma(2)},\cdots,x_{\sigma(n)}\right)

則稱 ff 為對稱多項式.

fA[x1,,xn]f\in A\left[x_1,\cdots,x_n\right]σSn\sigma\in S_n, 令

(σf)(x1,x2,,xn)=f(xσ(1),xσ(2),,xσ(n))(\sigma\circ f)(x_1,x_2,\cdots,x_n) = f\left(x_{\sigma(1)},x_{\sigma(2)},\cdots,x_{\sigma(n)}\right)

σSnσf\sum_{\sigma\in S_n}\sigma\circ fσSnσf\prod_{\sigma\in S_n}\sigma\circ f 都是對稱多項式, 又

σ(fg)=(σf)(σg)σ(f+g)=σf+σg \begin{align*} \sigma\circ (fg) &= (\sigma\circ f)(\sigma\circ g) \\ \sigma\circ (f+g) &= \sigma\circ f+\sigma\circ g \end{align*}

所以 AA 上的全體 nn 元對稱多項式構成多項式環 R=A[x1,,xn]R=A\left[x_1,\cdots,x_n\right] 的一個子環. 進而, 對任意 FA[y1,,ym]F\in A\left[y_1,\cdots,y_m\right] 和對稱多項式 f1,,fmRf_1,\cdots,f_m\in R, F(f1,,fm)F(f_1,\cdots,f_m)RR 中的對稱多項式.

對稱多項式基本定理

對稱多項式基本定理是說, 整環 AA 上的對稱多項式必可唯一表成初等對稱多項式的多項式, 即任意對稱多項式 fA[x1,,xn]f\in A\left[x_1,\cdots,x_n\right], 必存在 gA[y1,,ym]g\in A\left[y_1,\cdots,y_m\right] 使得

f(x1,x2,,xn)=g(si1,si2,,sim)f(x_1,x_2,\cdots,x_n) = g(s_{i_1},s_{i_2},\cdots,s_{i_m})

其中 si1,,sims_{i_1},\cdots,s_{i_m} (0i1<<imn0\leq i_1<\cdots<i_m\leq n) 為 mmnn 元初等對稱多項式.

證明即給出表示法. 首先容易看出, 任意對稱多項式可以表為若干齊次對稱多項式之和, 故只需分別處理齊次部分即可. 設 f(x1,,xn)f(x_1,\cdots,x_n) 為齊次對稱多項式, 我們為它的每一項 aix1li,1x2li,2xnli,na_{i}x_1^{l_{i,1}}x_2^{l_{i,2}}\cdots x_n^{l_{i,n}} 指派一個有序多元組 Li=(li,1,,li,n)L_i=(l_{i,1},\cdots,l_{i,n}), 定義字典序如下:

  1. li,1<lj,1l_{i,1}<l_{j,1}, 則 Li<LjL_i<L_j,
  2. li,1=lj,1l_{i,1}=l_{j,1}, \cdots, li,k=lj,kl_{i,k}=l_{j,k}, li,k+1<lj,k+1l_{i,k+1}<l_{j,k+1}, 則 Li<LjL_i<L_j.

按字典序由大到小排列 ff 的項, 那麼其首項 a1x1l1x2l2xnlna_1 x_1^{l_1}x_2^{l_2}\cdots x_n^{l_n} 必滿足 l1ln0l_1\geq\cdots\geq l_n\geq 0, 否則由對稱性立即能推出矛盾. 令 φ1=a1s1l1l2s2l2l3snln\varphi_1=a_1 s_1^{l_1-l_2}s_2^{l_2-l_3}\cdots s_n^{l_n}, 則 φ1\varphi_1 的首項恰為

a1x1l1l2(x1x2)l2l3(x1xn)ln=a1x1l1x2l2xnlna_1 x_1^{l_1-l_2}(x_1x_2)^{l_2-l_3}\cdots(x_1\cdots x_n)^{l_n}=a_1 x_1^{l_1}x_2^{l_2}\cdots x_n^{l_n}

φ1\varphi_1 的其餘項按字典序均小於該項. 因此, g1=fφ1g_1=f-\varphi_1 是一個有更 “小” 首項的對稱多項式 (對稱多項式之和仍為對稱多項式), 並且 g1g_1 顯然是齊次的.

這樣做下去便得到一串多項式 g1,g2,g_1,g_2,\cdots, 由每個 gig_i 的對稱性知, 其首項中 x1x_1 的次數必不為 00 (除非 gi=0g_i=0), 由於 L1L_1 逐次減小, 在有限次操作後, 必然有 l1,1=1l_{1,1}=1. 又因為 l1,1l1,n0l_{1,1}\geq\cdots\geq l_{1,n}\geq 0, 不妨假設 gmg_m 的首項為 a1x1xra_1'x_1\cdots x_r, 其中 rnr\leq n, 由齊次性和對稱性可知, gm=a1i1<<irxi1xi2xirg_m=a_1'\sum_{i_1<\cdots<i_r} x_{i_1}x_{i_2}\cdots x_{i_r}, 而這正是 a1sra_1' s_r, 只需再減一次就能得到 00. 把上述過程逆回去就得到要求的關於 ss 的多項式.

Newton 恆等式

接下來引入一類特殊的對稱多項式 pk(x1,,xn)=i=1nxip_k(x_1,\cdots,x_n)=\sum_{i=1}^n x_i, 稱之為 kk 次等冪和. Newton 恆等式給出了等冪和 pp 與基本對稱多項式 ss 的關係.

規定 s0=1s_0=1, sm=0s_m=0 (m>n)(m>n), 則

ksk+i=1k(1)ipiski=0ks_k + \sum_{i=1}^k(-1)^i p_is_{k-i} = 0

特別地, 當 k>nk>n 時,

i=knk(1)ipiski=0\sum_{i=k-n}^k(-1)^i p_is_{k-i} = 0

下面提供兩種證明.

第一種證明

(聽說這是 Kostrikin 的證法. )

f(x)=i=1n(xxi)=i=1n(1)isixnif(x)=\prod_{i=1}^n(x-x_i)=\sum_{i=1}^n(-1)^i s_i x^{n-i}, 兩邊對數求導得

f(x)f(x)=i=1n1xxi\frac{f'(x)}{f(x)} = \sum_{i=1}^n \frac{1}{x-x_i}

1/(xxi)1/(x-x_i) 展開為冪級數

1xxi=1xj=0(xix)j\frac{1}{x-x_i} = \frac{1}{x}\sum_{j=0}^{\infty}\left(\frac{x_i}{x}\right)^j

所以

RHS=1xi=1nj=0xijxj=1xj=0pjxj\text{RHS} = \frac{1}{x}\sum_{i=1}^n\sum_{j=0}^{\infty}\frac{x_i^j}{x^j} = \frac{1}{x}\sum_{j=0}^{\infty}\frac{p_j}{x^j}

xf(x)=i=1n(1)iisixni=(i=1n(1)isixni)(j=0pjxj)xf'(x) = \sum_{i=1}^n(-1)^i is_i x^{n-i} = \left(\sum_{i=1}^n(-1)^i s_i x^{n-i}\right)\left(\sum_{j=0}^{\infty}\frac{p_j}{x^j}\right)

knk\leq n 時, 比較 nkn-k 次項係數即得

(1)kksk=i=0k1(1)ipkisi(-1)^k ks_k = \sum_{i=0}^{k-1} (-1)^i p_{k-i} s_i

k>nk>n 時, 左側負次冪項係數為 00, 所以

0=i=knk(1)ipkisi0 = \sum_{i=k-n}^k (-1)^i p_{k-i} s_i

(右式仍為 nkn-k 次項係數和) \square

第二種證明

下面是一種非常巧妙的組合證明, 由 Doron Zeilberger 發表於1984年.

考慮由有序對 (A,jl)(A,j^l) 構成的集合 A(n,k)\mathscr{A}(n,k), 其中

  1. AA{1,,n}\lbrace 1,\cdots,n\rbrace 的子集,
  2. j{1,,n}j\in\lbrace 1,\cdots,n\rbrace,
  3. A+l=k|A|+l=k, 其中 A|A| 表示 AA 中元素個數,
  4. l0l\geq 0, 若 l=0l=0jAj\in A.

定義 (A,jl)(A,j^l) 的權重 w(A,jl)w(A,j^l)w(A,jl)=(1)A(aAxa)xjlw(A,j^l)=(-1)^{|A|}(\prod_{a\in A}x_a)x_j^l. 那麼顯然,

(A,jl)Aw(A,jl)=i=0k1(1)ipkisi+(1)kksk\sum_{(A,j^l)\in\mathscr{A}}w(A,j^l) = \sum_{i=0}^{k-1} (-1)^i p_{k-i} s_i + (-1)^k ks_k

在右側和式中令 i=A<ki=|A|<k, ki=lk-i=l.

故只需證明所有權重的和為 00 即可. 為此, 我們定義映射 T:AAT:\mathscr{A}\to\mathscr{A} 如下:

T(A,jl)={(A{j},jl+1),jA(A{j},jl1),j∉A T(A,j^l)=\begin{cases} (A\setminus\lbrace j\rbrace,j^{l+1}), &j\in A \\ (A\cup\lbrace j\rbrace,j^{l-1}), &j\not\in A \end{cases}

於是有 w(A,jl)=w(T(A,jl))w(A,j^l)=-w(T(A,j^l)), 且 TT=idAT\circ T=\text{id}_{\mathscr{A}}. 因此 TT 為雙射, w(A,jl)w(A,j^l)w(T(A,jl))w(T(A,j^l)) 可配成互相抵消的對, 所以權重的總和為 00. \square

這種證法也暗示了 Newton 恆等式在本質上是容斥原理的一種特殊形式.

應用

通過 Newton 恆等式, 我們可以遞歸地用 pp 表示出 sks_k

sk=1ki=1k(1)i1pisk1s_k=\frac{1}{k}\sum_{i=1}^k (-1)^{i-1}p_i s_{k-1}

前文已經證明, AA 上的任意對稱多項式可以表示為 ss 的多項式, 進而, 它們都能表示為 pp 的多項式. 因此, kk 次等冪和 (k=1,,nk=1,\cdots,n) 之集生成了 nn 元對稱多項式環. 但需注意一點, 任何整係數對稱多項式表示為 ss 的多項式, 其係數仍是整數 (從構造過程可以看出), 而 sks_k 關於 pp 的多項式表示則不一定是整係數的.

進一步地, 我們可以用行列式來求出 sspp 的顯式表達式. 根據 Newton 恆等式列出如下方程組:

{s1p1=02s2p1s1+p2=03s3p1s2+p2s1p3=0kskp1sk1++(1)kpk=0 \begin{cases} s_1 - p_1 = 0 \\ 2s_2 - p_1s_1 + p_2 = 0 \\ 3s_3 - p_1s_2 +p_2s_1 - p_3 =0 \\ \cdots\cdots \\ ks_k - p_1s_{k-1} + \cdots + (-1)^k p_k = 0 \end{cases}

p1,,pkp_1,\cdots,p_k 看作 kk 個未知數, 用 Cramer 法則解方程組

(1000s1100s2s110sk1sk2sk3(1)k)(p1p2p3pk)=(s12s23s3ksk) \begin{pmatrix} -1&0&0&\cdots&0\\ -s_1&1&0&\cdots&0\\ -s_2&s_1&-1&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ -s_{k-1}&s_{k-2}&-s_{k-3}&\cdots&(-1)^k \end{pmatrix} \begin{pmatrix}p_1\\p_2\\p_3\\\vdots\\p_k\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}-s_1\\-2s_2\\-3s_3\\\vdots\\-ks_k\end{pmatrix}

得到

pk=10s1s112s2sk1sk2ksk/100s110sk1sk2(1)k=(1)k110s1s112s2sk1sk2ksk=s110002s2s11003s3s2s110(k1)sk1sk2sk3sk41ksksk1sk2sk3s1 \begin{align*} p_k &= \left.\begin{vmatrix} -1&0&\cdots&-s_1\\ -s_1&1&\cdots&-2s_2\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ -s_{k-1}&s_{k-2}&\cdots&-ks_k \end{vmatrix} \middle/ \begin{vmatrix} -1&0&\cdots&0\\ -s_1&1&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ -s_{k-1}&s_{k-2}&\cdots&(-1)^k \end{vmatrix}\right. \\ &= (-1)^{k-1} \begin{vmatrix} 1&0&\cdots&s_1\\ s_1&1&\cdots&2s_2\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ s_{k-1}&s_{k-2}&\cdots&ks_k \end{vmatrix} \\ &= \begin{vmatrix} s_1&1&0&0&\cdots&0\\ 2s_2&s_1&1&0&\cdots&0\\ 3s_3&s_2&s_1&1&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ (k-1)s_{k-1}&s_{k-2}&s_{k-3}&s_{k-4}&\cdots&1\\ ks_k&s_{k-1}&s_{k-2}&s_{k-3}&\cdots&s_1 \end{vmatrix} \end{align*}

反過來把 s1,,sks_1,\cdots,s_k 看作未知數, 解方程組

(1000p1200p2p130pk1pk2pk3(1)k1k)(s1s2s3sk)=(p1p2p3pk) \begin{pmatrix} 1&0&0&\cdots&0\\ p_1&-2&0&\cdots&0\\ p_2&-p_1&3&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ p_{k-1}&-p_{k-2}&p_{k-3}&\cdots&(-1)^{k-1}k \end{pmatrix} \begin{pmatrix}s_1\\s_2\\s_3\\\vdots\\s_k\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}p_1\\p_2\\p_3\\\vdots\\p_k\end{pmatrix}

得到

sk=(1)k110p1p12p2pk1pk2pk/100p120pk1pk2k=1k!p11000p2p1200p3p2p130pk1pk2pk3pk4k1pkpk1pk2pk3p1 \begin{align*} s_k &= (-1)^{k-1}\left.\begin{vmatrix} 1&0&\cdots&p_1\\ p_1&2&\cdots&p_2\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ p_{k-1}&p_{k-2}&\cdots&p_k \end{vmatrix} \middle/ \begin{vmatrix} 1&0&\cdots&0\\ p_1&2&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ p_{k-1}&p_{k-2}&\cdots&k \end{vmatrix}\right. \\ &= \frac{1}{k!} \begin{vmatrix} p_1&1&0&0&\cdots&0\\ p_2&p_1&2&0&\cdots&0\\ p_3&p_2&p_1&3&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ p_{k-1}&p_{k-2}&p_{k-3}&p_{k-4}&\cdots&k-1\\ p_k&p_{k-1}&p_{k-2}&p_{k-3}&\cdots&p_1 \end{vmatrix} \end{align*}

例如當 k=3k=3 時, 據此很容易就能求出

s3=16p110p2p12p3p2p1=16(p133p1p2+2p3) s_3 = \frac{1}{6}\begin{vmatrix} p_1&1&0\\ p_2&p_1&2\\ p_3&p_2&p_1 \end{vmatrix} = \frac{1}{6}(p_1^3-3p_1p_2+2p_3)

計算判別式

nn 次多項式 f(x)=xn+i=1naixnif(x)=x^n+\sum_{i=1}^{n}a_i x^{n-i} 有重根的判別式 DfD_f 定義為 Df=i<j(xixj)2=111x1x2xnx12x22xn2x1n1x2n1xnn12 D_f = \prod_{i<j}(x_i-x_j)^2 = \begin{vmatrix} 1&1&\cdots&1\\ x_1&x_2&\cdots&x_n\\ x_1^2&x_2^2&\cdots&x_n^2\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ x_1^{n-1}&x_2^{n-1}&\cdots&x_n^{n-1} \end{vmatrix}^2

其中,

V=111x1x2xnx12x22xn2x1n1x2n1xnn1=i<j(xixj) V = \begin{vmatrix} 1&1&\cdots&1\\ x_1&x_2&\cdots&x_n\\ x_1^2&x_2^2&\cdots&x_n^2\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ x_1^{n-1}&x_2^{n-1}&\cdots&x_n^{n-1} \end{vmatrix} = \prod_{i<j}(x_i-x_j)

是一個 Vandermonde 行列式. 之所以要取平方, 是因為平方後成為一個對稱多項式, 更容易計算. 顯然, ff 有重根當且僅當 Df=0D_f=0.

根據 Vandermonde 行列式的性質, 我們有

Df=det(VVT)=det(np1p2pn1p1p2p3pnp2p3p4pn+1pn1pnpn+1p2n2) D_f = \det(V\cdot V^T) = \det\begin{pmatrix} n&p_1&p_2&\cdots&p_{n-1}\\ p_1&p_2&p_3&\cdots&p_n\\ p_2&p_3&p_4&\cdots&p_{n+1}\\ \vdots&\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ p_{n-1}&p_{n}&p_{n+1}&\cdots&p_{2n-2} \end{pmatrix}

上文已給出 pkp_k 關於 ss 的表達式, 又由 Vieta 公式 sk=(1)kaks_k=(-1)^k a_k, 代入上式即可得到 DfD_f 關於係數的表達式.

若多項式有 n 個實根…

首先來看實係數二次方程 a0x2+a1x+a2=0a_0 x^2+a_1 x+a_2=0, 假設該方程有兩個非 00 實根且 a1=0a_1=0, 則必有 a0a2<0a_0 a_2<0. 那麼, 對 nn 次多項式方程是否有類似的結論成立?

——這是前不久我的一個同學遇到的面試題. 結論並不難猜, 若 nn 次實係數多項式 f(x)=i=0naixni=0f(x)=\sum_{i=0}^{n}a_i x^{n-i}=0nn 個非 00 實根且 ak=0a_k=0 (k<nk<n), 則必有 ak1ak+1<0a_{k-1}a_{k+1}<0, 問題在於該如何證明. 如果 nn 個實根都為正數, 那麼證明是很容易的, 只需直接計算 sk1sk+1sk2s_{k-1}s_{k+1}-s_k^2 就能看出該值恆小於 00; 而對於一般情況, 我想了半個下午無果, 所以就去網上找答案了 (懶了).

最後在 Hardy et al. 的名著《不等式》中找到了這個結論. 事實上, 書中證明的是一個更強的不等式, 但很容易從中推導出我們所需的結論. (書裡說這是 Newton 的結果, 但我沒有找到原始出處. )

!F(a1,,an)=σSnF(aσ(1),,aσ(n))\sum!F(a_1,\cdots,a_n)=\sum_{\sigma\in S_n}F\left(a_{\sigma(1)},\cdots,a_{\sigma(n)}\right) 為對 aa 進行任意置換形成的 n!n! 個項的和 (即對稱和). 令

[α1,,αn]=1n!!F(a1α1,,anαn)\left[\alpha_1,\cdots,\alpha_n\right] = \frac{1}{n!}\sum!F(a_1^{\alpha_1},\cdots,a_n^{\alpha_n})

nn 個不同 aia_i 的若干次冪相乘形成的 n!n! 項的算術平均, 它在 α\alpha 的任意置換下保持不變, 故稱為對稱平均.

x1,,xnx_1,\cdots,x_nnn 個非 00 實數, 則

sk=1k!(nk)!!x1xks_k = \frac{1}{k!(n-k)!}\sum!x_1\cdots x_k

其中 k!(nk)!k!(n-k)! 為等價的項被計數的次數 (也就是組合數的分母). 令

dk=k!(nk)!n!sk=[1,,1k,0,,0]d_k = \frac{k!(n-k)!}{n!}s_k = [\underbrace{1,\cdots,1}_{k},0,\cdots,0]

規定 d0=s0=1d_0=s_0=1. 下面就來證明 dk1dk+1<dk2d_{k-1}d_{k+1}<d_k^2.

f(x,y)=(xx1y)(xx2y)(xxny)=d0xn+(n1)d1xn1y+(n2)d2xn2y2++dnyn \begin{align*} f(x,y) &= (x-x_1 y)(x-x_2 y)\cdots(x-x_n y)\\ &= d_0 x^n+\binom{n}{1}d_1 x^{n-1}y+\binom{n}{2}d_2 x^{n-2}y^2+\cdots+d_n y^n \end{align*}

對其多次微分得到導出方程

dk1x2+2dkxy+dk+1y2=0d_{k-1}x^2 + 2d_k xy + d_{k+1}y^2 = 0

由於 xi0x_i\not=0, x/y=0x/y=0 不是原方程的根. 因此, x/y=0x/y=0 不是導出方程的重根, 所以任意兩個相鄰的 dd 不同時為 00, 故導出方程不是恆等方程. 根據廣義 Rolle 定理, 導出方程必有兩個實根. 於是有

dk1dk+1dk2d_{k-1}d_{k+1}\leq d_k^2

等號成立, 當且僅當所有 xix_i 均相等.

進而,

sk1sk+1=n!(k1)!(nk+1)!dk1n!(k+1)!(nk1)!dk+1=kk+1nknk+1(k!(nk)!n!)2dk1dk+1<(k!(nk)!n!)2dk1dk+1(k!(nk)!n!)2dk2=sk2 \begin{align*} s_{k-1}s_{k+1} &= \frac{n!}{(k-1)!(n-k+1)!}d_{k-1}\cdot\frac{n!}{(k+1)!(n-k-1)!}d_{k+1}\\ &= \frac{k}{k+1}\cdot\frac{n-k}{n-k+1}\cdot\left(\frac{k!(n-k)!}{n!}\right)^2 d_{k-1}d_{k+1}\\ &< \left(\frac{k!(n-k)!}{n!}\right)^2 d_{k-1}d_{k+1}\\ &\leq \left(\frac{k!(n-k)!}{n!}\right)^2 d_k^2 = s_k^2 \end{align*}

特別地, 當 sk=0s_k=0 時, sk1sk+1<0s_{k-1}s_{k+1}<0. \square

這樣, 原問題大致就解決了. 唯一留下的一個小瑕疵是所有實根都非 00 這個條件, 書中說要求非 00 是為了簡化取等條件的討論, 如果進一步推廣該結論, 應該可以把這個條件去掉. 另外, 這裡得到的僅僅是 nn 次多項式有 nn 個非 00 實根的必要條件, 而不是充分條件, 是否能找到一個充分條件甚至充要條件? 這些問題就留待以後思考了.