现在研究一下解一元高次方程的问题。解一元高次方程最核心的方法就是多项式的因式分解。所以这就需要研究多项式。
一元多项式
定义1:一元多项式的定义
设K是一个数域,x是一个符号,形如下述的表达式,其中n∈N,an,...,a0∈K称为他们的系数
anxn+...+aixi+...+a1x+a0
如果满足:两个这种形式的表达式相等当且仅当它们含有完全相同的项(除去系数为0的项以外),那么就称这种表达式是数域K上的一个一元多项式,x称为不定元
注解1:零多项式:系数全为0的一元多项式称为零多项式,记作0
注解2:一元多项式通常记作f(x)=anxn+...+aixi+...+a1x+a0,其中aixi被称为**i次项**;a0被称为0次项或者常数项;anxn如果an=0那么该项就被称为首项
注解3:n称为f(x)的次数,记作deg f(x),deg的英文全称为degree
注解4:0次多项式形如b,其中b∈K∗,即b=0
注解5:0多项式与0次多项式要区分开来,0多项式所有系数都为零,而0次多项式常数项不为0。为了区分开来0多项式记作:deg 0=−∞,且规定①−∞<n,②−∞+n=−∞,∀n∈N,③(−∞)+(−∞)=−∞
多项式的运算律:
定义2:多项式的加法
规定多项式加法运算:有两个多项式,设n≥m
i=0∑naixi+i=0∑mbixi:=i=0∑n(ai+bi)xi
定义3:多项式乘法
规定多项式乘法运算:
(i=0∑naixi)(j=0∑mbjxj):=i=0∑nj=0∑maibjxi+j=s=0∑n+m(i+j=s∑aibj)xs
根据多项式乘法的定义就有数量乘法的定义:
k(i=0∑naixi)=i=0∑n(kai)xi
容易验证:K[x]对于加法和数量乘法成为数域K上的一个线性空间,并且这个线性空间的维数是无限维的。K[x]是线性空间是比较显然的,而K[x]是无限维的这就需要证明一下。
- 要证明这个线性空间是无限维的,就需要证明这个线性空间需要使用无限个元素线性无关。
- 要证明无限个元素线性表出,需要证明这个线性空间的任意一个有限子集线性无关。
- 下面证明:
- K[x]中每一个多项式可以由集合Ω={1,x,x2,...,xn,....}中有限多个多项式线性表出
- 任取Ω1={xi1,xi2,...,xim},该集合有一个线性组合:k1xi1+...+kmxim=0
- 由多项式定义
1可以得到:k1=...=km=0,因此Ω1线性无关。
- 由于Ω1是Ω任意一个有限子集,从而Ω线性无关。
- 所以:Ω={1,x,x2,...,xn,...}是无限维的线性空间。
一元多项式乘法满足:交换律、结合律以及对加法的分配律且1⋅f(x)=f(x)⋅1=f(x),∀f(x)∈K[x]
命题1:两个多项式相加、相乘后得到的多项式与原来多项式次数之间的关系
设f(x),g(x)∈K[x],不妨设deg[f(x)]=n,deg[g(x)]=m,且满足n≥m则:
deg[f(x)+g(x)]≤max{deg[f(x)],deg[g(x)]}deg[f(x)∗g(x)]=deg[f(x)]+deg[g(x)]
推论1:
f(x)=0,g(x)=0⇒f(x)g(x)=0
推论2:消去律
设f(x)g(x)=f(x)h(x),且f(x)=0,则g(x)=h(x)
补充:
f(x)−g(x)=f(x)+[−g(x)]
一元多项式环
环的概念:
定义4:环的定义
一个非空集合R如果有两个代数运算,一个叫做加法,一个叫做乘法,并且满足:
- (a+b)+c=a+(b+c),∀a,b∈R
- a+b=b+a,∀a,b∈R,强调:其中a+b∈R,需要保持封闭性。
- R中有一个元素,记作0,由这样的性质:0+a=a+0=0,∀a∈R,把0称为R的零元
- 对于a∈R,存在b∈R使得:a+b=b+a=0那么就称b是a的负元,记作−a
- (ab)c=a(bc),∀a,b,c∈R
- 满足左分配律:a(b+c)=ab+ac,∀a,b,c∈R,满足右分配律:(b+c)a=ba+ca,∀a,b,c∈R
那么称(R,+,⋅)是一个环Ring
补充:设(R,+,⋅)是一个环
补充1:若R的乘法满足交换律,则称R是一个交换环。
补充2:若R有一个元素e具有如下性质:ea=ae=a,∀a∈R,则称e是R的单位元(通常地把R的单位原记作1)
补充3:对于a∈R,如果存在b∈R且b=0,使得ab=0,那么称a是一个左零因子;相同地,对于a∈R ,如果存在b∈R且b=0,使得ba=0,那么称a是一个右零因子。统称为零因子
补充4:环R中定义减法:a−b:=a+(−b)
注意:在环的定义中0只是由加法定义的,而在补充中零因子是由乘法定义的。
命题2:加法零在乘法中的性质
在环R中,0a=a0=0,∀a∈R,从而0是零因子,称它为平凡的零因子。而矩阵构成的环中是有非平凡零因子的,多项式构成的环是没有非平凡零因子的。
子环的概念:
定义5:
环R的一个非空子集R1,如果对于R的加法和乘法运算也成为一个环,那么称R1是R的一个子环。
命题3:
环R的一个非空子集R1是子环⇔从a,b∈R1可以得到ab∈R1,a−b∈R1
例子1:A∈Mn(K),表达式bmAm+...+b1A+b0I称为矩阵A的多项式,其中m∈N,令K[A]={矩阵A的多项式},容易验证,K[A]对于矩阵的减法和乘法封闭,从而K[A]是环Mn(K)的一个子环,且K[A]是有单位元I的交换环。
同构映射的概念:
引入:KI是K[A]的一个子环,由一个映射τ,满足:K→KI,也就是$k\to kI=\begin{bmatrix}k&0&\dots&0\0&k&\dots &0\0&0&\ddots&0\0&0&\dots&k\end{bmatrix} ,显然\tau$是一个双射,保持加法,乘法
定义6:
若环R到R′有一个双射σ满足如下条件,则称σ是环R到环R′的一个同构映射,此时称环R与环R′是同构的:
-
σ(a+b)=σ(a)+σ(b)
-
σ(ab)=σ(a)⋅σ(b)
命题4:
若环R到R′有一个同构映射σ,且R有单位元e,则σ(e)是R′的单位元。
- 命题4证明如下:
- 任取a′∈R′,由于σ是满射,因此存在a∈R,使得a′=σ(a)
- 从而满足:
- σ(e)a′=σ(e)σ(a)=σ(ea)=σ(a)=a′
- a′σ(e)=σ(a)σ(e)=σ(ae)=σ(a)=a′
- 满足环中单位元的定义,因此σ(e)是环R′的单位元。
定理1:一元多项式环的通用性质
设K是一个数域,R是一个有单位元1′的交换环,且K到R的一个子环R1(含有1′)有一个同构映射τ,那么任给t∈R,令σt:K[x]→R,f(x)=∑i=0naixi→∑i=0nτ(ai)ti=:f(t),则σt是K[x]到R的一个映射σt(x)=t且σt保持加法、乘法运算即f(x)+g(x)=h(x),f(x)⋅g(x)=p(x),有f(t)+g(t)=h(t),f(t)⋅g(t)=p(t)称σ(t)是x用t带入。
多项式环整除关系
定义7:
设f(x),g(x)∈K[x],如果存在h(x)∈K[x]使得f(x)=h(x)g(x)则称g(x)整除f(x),记作g(x)∣f(x)否则称g(x)不能整除f(x),记作g(x)∤f(x)
注意1:∀f(x)∈K[x],∀b∈K,由于f(x)=[b−1f(x)]b,因此b∣f(x)
注意2:∀f(x)∈K[x],由于0=0f(x),因此f(x)∣0,特别地0∣0
注意3:若0∣f(x),则f(x)=h(x)⋅0=0
注意4:整除关系是一个二元关系,满足反身性,传递性,但不满足对称性
命题5:
在K[x]中,若g(x)∣f(x),且f(x)=0,则deg g(x)≤deg f(x)
定义8:
在K[x]中,若g(x)∣f(x)且f(x)∣g(x),则称f(x)与g(x)相伴,记作f(x)∼g(x)
命题6:
在K[x]中,f(x)∼g(x)⇔f(x)=cg(x),c∈K∗
命题7:
在K[x]中,若g(x)∣f(x),i=1,2,...,s则对任意u1(x),...,us(x),都有g(x)∣u1(x)f(x)+...+us(x)fs(x)
练习1
典型例题1
习题1
多项式环带余除法
定理8:多项式带余除法
设f(x),g(x)∈K[x],且g(x)=0,则存在K[x]中唯一的一对多项式h(x),r(x)使得f(x)=h(x)g(x)+r(x),deg r(x)<deg g(x),其中h(x)称为商式,r(x)称为余式。
推论3:
设f(x),g(x)∈K[x],且g(x)=0,如果g(x)∣f(x),则g(x)除f(x)的余式一定是0多项式。
命题8:整除性不随数域的扩大改变
设f(x),g(x)∈K[x],g(x)=0,数域E≥K,则在K[x]中,g(x)∣f(x)⇔,则在E[x]中g(x)∣f(x)
定义8:公因式
k[x]中,若c(x)∣f(x)且c(x)∣g(x),则称c(x)是f(x)与g(x)的一个公因式。
定义9:最大公因式
设f(x),g(x)∈K[x],如果有K[x]中的一个多项式d(x)满足如下,则称d(x)是f(x)与g(x)的一个最大公因式:
- d(x)∣f(x)且d(x)∣g(x)
- f(x)与g(x)的任一公因式c(x)∣d(x)
注意1:∀f(x)∈K[x],由于f(x)∣f(x),且f(x)∣0,因此f(x)是f(x)与0的一个公因式。且f(x)与0的任一公因式c(x)∣f(x),则f(x)与0的一个最大公因式是f(x)
注意2:0多项式是0多项式与0多项式的一个最大公因式。
引理1:
设f(x),g(x)∈K[x],且g(x)=0如果f(x)=h(x)g(x)+r(x),那么c(x)∣f(x)且c(x)∣f(x)⇒c(x)∣g(x)且c(x)∣r(x)。
- 引理1证明:
- 因为f(x)=h(x)g(x)+r(x),移项整理可以得到r(x)=f(x)−h(x)g(x)
- 由于c(x)∣f(x),c(x)∣g(x),可以得到c(x)∣f(x)−h(x)g(x)
- 所以c(x)∣r(x)
引理1推论:
从而得到d(x)是f(x)与g(x)的一个最大公因式⇔d(x)是r(x)与f(x)的一个最大公因式。
定理9:
K[x]中任意一对多项式f(x)与g(x)都有一个最大公因式d(x),且存在u(x),v(x)∈K[x]使得u(x)f(x)+v(x)g(x)=d(x)
注解1:这里的最大公因式和最大公因数需要区别开来,因为最大公因式可能不唯一。设d1(x),d2(x)都是f(x)与g(x)的最大公因式则d2(x)∣d1(x),且d1(x)∣d2(x)从而d1(x)∼d2(x)
注解2:当f(x)与g(x)不全为0时,它们的最大公因式是非零多项式,进而我们使用(g(x),f(x))表示f(x)与g(x)的首先系数为1的最大公因式
命题9:
设f(x),g(x)∈K[x],且g(x)=0,数域E≥K,则f(x)与g(x)在K[x]中的首一最大公因式等于f(x)与g(x)在E[x]中的首一最大公因式。
从而得出首一最大公因式不随数域的扩大而改变。
定义10:两个多项式互素的定义
在K[x]中,若(f(x),g(x))=1,则称f(x)和g(x)互素
注解:由此定义可以得到f(x)与g(x)的任一公因式c(x)是零次多项式
定理10:
在K[x]中,f(x)与g(x)互素⇔存在u(x),v(x)∈K[x],使得u(x)f(x)+v(x)g(x)=1
命题10:互素性不随数域的扩大而改变
设f(x),g(x)∈K[x],且g(x)=0,数域E≥K,则f(x)与g(x)在K[x]中互素⇔f(x)与g(x)在E[x]中互素。
性质1:
在K[x]中,若f(x)∣g(x)h(x),(f(x),g(x))=1,则f(x)∣h(x)
性质2:
在K[x]中,若f(x)∣h(x),g(x)∣h(x),且(f(x),g(x))=1,则f(x)g(x)∣h(x)
性质3:
在K[x]中,若(f(x),h(x))=1,且(g(x),h(x))=1,则(f(x)g(x),h(x))=1
不可约多项式
定义11:
设f(x)∈K[x],deg f(x)>0,如果f(x)的因式只有零次多项式和f(x)的相伴元,那么称f(x)是数域K上不可约的;否则称f(x)在K上是可约的。
定理11:
设p(x)∈K[x],且deg p(x)>0,则下列命题等价:
- p(x)在K上不可约
- ∀f(x)∈K[x],则有(p(x),f(x))=1或者p(x)∣f(x)
- 在K[x]中,从p(x)∣f(x)g(x)可推出p(x)∣f(x)或p(x)∣g(x)
- 在K[x]中,p(x)不能分解成两个次数比p(x)次数低的多项式乘积
推论4:
K[x]中,若p(x)∣f1(x)⋅⋅⋅fs(x),则p(x)∣fj(x),其中j∈{1,...,s}
推论5:
K[x]中,一次多项式是不可约的。
推论6:
K[x]中,f(x)可约当且仅当f(x)能够分解成两个次数比f(x)的次数低的多项式的乘积。
定理12:唯一因式分解定理
设deg f(x)>0,若f(x)可约f(x)=f1(x)f2(x)次数,其中deg fi(x)<deg f(x),i=1,2;K[x]中每一个次数大于0的多项式f(x)都能分解成数域K上有限多个不可约多项式的乘积。所谓唯一性是指若f(x)=p1(x)⋅⋅⋅ps(x)=q1(x)⋅⋅⋅qt(x),则s=t,且适当排列因式的次序有pi(x)∼qi(x),i=1,...,s。一般分解f(x)的形式如下:f(x)=ap1l1p2l2⋅⋅⋅pmlm(x),其中p1(x),...,pm(x)是两两不等的首一不可约多项式,其中li>0,i=1,...,m,称为f(x)的标准分解式。
注解:从标准分解式可以看出f(x)中p1(x)出现了l1次,所以将p1(x)叫做f(x)的l1重的因子。
定义12:
设f(x)∈K[x],deg f(x)>0,若不可约多项式p(x)满足:pk(x)∣f(x),且pk+1(x)∤f(x),则称p(x)是f(x)的k重因式
注意:当k=0时,p(x)不是f(x)的因式,当k=1时,则称p(x)为f(x)的单因式;当k≥2,p(x)称为f(x)的重因式。
多项式的根与复数域上的不可约多项式
在K[x]中,次数大于1的多项式f(x)有一次因式⇒f(x)可约
定理13:
K[x]中,x−c∣f(x)⇔f(c)=0.由这个定理自然就引入了根的概念
定义12:
设f(x)∈K[x],若c∈K使得f(c)=0,则称c是f(x)在K中的一个根。设数域E⊇K,若α∈E使得f(α)=0,则称α在域E中的一个根。
定理14:对定理13的另一种说法,也是Bezout定理
在K[x]中,x−c∣f(x)⇔c是f(x)在K中的一个根。如果x−c是f(x)的k重因式,则称c是f(x)的一个k重根
注解:x−c∣f(x)是从多项式环中乘法运算的角度得出的结论,右边是从根的角度也就是带入得到的值。
定理15:K[x]中n(n≥0)次多项式f(x)在K中至多有n个根。
推论7:设h(x)∈K[x],deg h(x)≤n,若h(x)在K中有n+1个根,则h(x)=0
命题11:
在K[x]中,deg f(x)≤n,deg g(x)≤n,若K中有n+1个不同的数c1,...,cn+1使得f(ci)=g(ci),i=1,...,n+1,则f(x)=g(x)
- 证明命题11:
- 设h(x)=f(x)−g(x),则deg h(x)≤max{deg f(x),deg g(x)}≤n
- 由已知x用ci带入h(ci)=f(ci)−g(ci)=0,i=1,...,n+1
- 因此ci是h(x)在K中的根,所以h(x)在K中至少写出了n+1个根,但是deg h(x)≤n
- 因此由推论1可以得到h(x)=0
- 最终得到f(x)=g(x)
定义12:多项式函数
设f(x)=∑i=0naixi∈K[x],将x用t∈K带入,得到f(t)=∑i=0naiti,∀t∈K,把函数f称为多项式f(x)诱导的多项式函数,或称为数域K上的一元多项式函数。
记Kpol:={数域K上的一元多项式函数}
规定加法:(f+g)(t):=f(t)+g(t),其是由f(x)+g(x)诱导的多项式函数
规定乘法:(fg)(t):=f(t)⋅g(t),其是由f(x)⋅g(x)诱导的多项式函数
易验证:(Kpol,+,⋅)构成一个有单位元1的交换环,并且零元是零函数O(t)=0,单位元是1(t)=1
命题12:
设f(x),g(x)∈K[x],若f=g,则f(x)=g(x)
命题13:
定义映射:σ:K[x]→Kpol,可以得到σ是环上的同构映射从而可以得到结论:f(x)在K中的一个根⇔f在c处的函数值f(c)=0
定理16:代数基本定理
每一个次数大于零的复系数多项式都有复根。
结论:
根据代数学基本定理可以得到,\C[x]中,次数大于1的多项式有一次因式。
推论2:
在\C[x],不可约多项式只有一次因式
推论3:
在\C[x]中次数大于0的多项式f(x)=a(x−c1)l1...(x−cs)ls
推论4:
在\C[x]中,n次多项f(x)有n个复根,重根按重数计算。

实数域上的不可约多项式
二次三次不可约有理多项式判断
命题1:
次数大于0的本原多项式g(x)在Q上可约⇔g(x)能分解成两个次数比g(x)的次数低的本原多项式的乘积。
推论1:
次数大于0的本原多项式一定能分解成有限多个在Q上不可约的本原多项式的乘积。
推论2:
次数大于0的整系数多项式在Q上可约⇔f(x)能够分解成两个次数比f(x)的次数低的整系数多项式的乘积。
定理1:
设f(x)=∑i=0naixi是一个次数n>0的本原多项式,若f(x)有一个有理根qp,其中(p,q)=1,则$p\mid a_{n},q\mid a_0 $
注解1:定理1中"本原"可以替换成整系数,定理仍然成立
推论3:
二次或三次整系数多项式f(x)没有有理根⇔f(x)在Q上不可约。
推论4:
次数n≥4的整系数多项式没有有理根⇏g(x)不可约
定理2:Eisenstein判别式
设f(x)=∑i=0naixi是一个次数n>0的整系数多项式如果有一个素数p满足
- p∤a0,p∣an−1,...,p∣a0
- p2∤a0
那么f(x)在Q上不可约
定理3:
在Q[x]中,存在任意次数的不可约多项式。
次数大于0的整系数多项式f(x)在Q上不可约⇔f(x+1)在Q上不可约或f(x−1)在Q上不可约。