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KK是一个数域,xx是一个符号,形如下述的表达式,其中n∈N,an,...,a0∈Kn\in \N,a_n,...,a_0\in K称为他们的系数

anxn+...+aixi+...+a1x+a0a_nx^{n}+...+a_ix^{i}+...+a_1x+a_0

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KK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+a0f(x)=a_nx^{n}+...+a_ix^{i}+...+a_1x+a_0,其中aixia_ix^{i}被称为**ii次项**;a0a_0被称为0次项或者常数项;anxna_nx^{n}如果an≠0a_n≠0那么该项就被称为首项

注解3:n称为f(x)f(x)的次数,记作deg f(x)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∗b\in K^{*},即b≠0b≠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=−∞deg~0=-\infty,且规定①−∞<n,②−∞+n=−∞,∀n∈N①-\infty <n,②-\infty+n=-\infty,\forall n\in N,③(−∞)+(−∞)=−∞③(-\infty)+(-\infty)=-\infty

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≥mn≥m

∑i=0naixi+∑i=0mbixi:=∑i=0n(ai+bi)xi\sum_{i=0}^{n}a_ix^{i}+\sum_{i=0}^{m}b_ix^{i}:=\sum^{n}_{i=0}(a_i+b_i)x^{i}

定义3:多项式乘法

规定多项式乘法运算:

(∑i=0naixi)(∑j=0mbjxj):=∑i=0n∑j=0maibjxi+j=∑s=0n+m(∑i+j=saibj)xs(\sum^{n}_{i=0}a_ix^{i})(\sum_{j=0}^{m}b_jx^{j}):=\sum^{n}_{i=0}\sum^{m}_{j=0}a_ib_jx^{i+j}=\sum^{n+m}_{s=0}({\sum_{i+j=s}a_ib_j})x^{s}

根据多项式乘法的定义就有数量乘法的定义:

k(∑i=0naixi)=∑i=0n(kai)xik(\sum^{n}_{i=0}a_ix^{i})=\sum^{n}_{i=0}(ka_i)x^{i}

容易验证:K[x]K[x]对于加法和数量乘法成为数域KK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]K[x]是线性空间是比较显然的,而K[x]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]K[x]中每一个多项式可以由集合Ω={1,x,x2,...,xn,....}\Omega = \{1,x,x^2,...,x^n,....\}中有限多个多项式线性表出
    • 任取Ω1={xi1,xi2,...,xim}\Omega_1=\{x^{i_1},x^{i_2},...,x^{i_m}\},该集合有一个线性组合:k1xi1+...+kmxim=0k_1x^{i_1}+...+k_mx^{i_m}=\mathbf{0}
    • 由多项式定义1可以得到:k1=...=km=0k_1=...=k_m=0,因此Ω1\Omega_1线性无关。
    • 由于Ω1\Omega_1是Ω\Omega任意一个有限子集,从而Ω\Omega线性无关。
    • 所以:Ω={1,x,x2,...,xn,...}\Omega=\{1,x,x^{2},...,x^{n},...\}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]1·f(x)=f(x)·1=f(x),\forall f(x)\in 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]f(x),g(x)\in K[x],不妨设deg[f(x)]=n,deg[g(x)]=mdeg[f(x)]=n,deg[g(x)]=m,且满足n≥mn≥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)]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)≠0f(x)≠0,g(x)≠0\Rightarrow f(x)g(x)≠0

推论2:消去律

设f(x)g(x)=f(x)h(x)f(x)g(x)=f(x)h(x),且f(x)≠0f(x)≠0,则g(x)=h(x)g(x)=h(x)

补充:

f(x)−g(x)=f(x)+[−g(x)]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RR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:

  1. (a+b)+c=a+(b+c),∀a,b∈R(a+b)+c=a+(b+c),\forall a,b\in R
  2. a+b=b+a,∀a,b∈Ra+b=b+a,\forall a,b\in R,强调:其中a+b∈Ra+b \in R,需要保持封闭性。
  3. RR中有一个元素,记作00,由这样的性质:0+a=a+0=0,∀a∈R0+a=a+0=0,\forall a \in R,把00称为RR的零元
  4. 对于a∈Ra\in R,存在b∈Rb\in R使得:a+b=b+a=0a+b= b+a = 0那么就称bb是aa的负元,记作−a-a
  5. (ab)c=a(bc),∀a,b,c∈R(ab)c=a(bc),\forall a,b,c\in R
  6. 满足左分配律:a(b+c)=ab+ac,∀a,b,c∈Ra(b+c)=ab+ac,\forall a,b,c\in R,满足右分配律:(b+c)a=ba+ca,∀a,b,c∈R(b+c)a = ba+ca ,\forall a,b,c \in R

那么称(R,+,⋅)(R,+,·)是一个环Ring

补充:设(R,+,⋅)(R,+,·)是一个环

补充1:若RR的乘法满足交换律,则称RR是一个交换环。

补充2:若RR有一个元素ee具有如下性质:ea=ae=a,∀a∈Rea=ae=a,\forall a\in R,则称ee是RR的单位元(通常地把RR的单位原记作11)

补充3:对于a∈Ra\in R,如果存在b∈Rb\in R且b≠0b≠0,使得ab=0ab = 0,那么称aa是一个左零因子;相同地,对于a∈Ra\in R ,如果存在b∈Rb \in R且b≠0b ≠0,使得ba=0ba=0,那么称aa是一个右零因子。统称为零因子

补充4:环RR中定义减法:a−b:=a+(−b)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RR中,0a=a0=0,∀a∈R0a=a0=0,\forall a \in 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RR的一个非空子集R1R_1,如果对于RR的加法和乘法运算也成为一个环,那么称R1R_1是RR的一个子环。

命题3:

环RR的一个非空子集R1R_1是子环⇔\Leftrightarrow从a,b∈R1a,b \in R_1可以得到ab∈R1,a−b∈R1ab \in R_1, a-b\in R_1

例子1:A∈Mn(K)A\in M_n(K),表达式bmAm+...+b1A+b0Ib_mA^{m}+...+b_1A+b_0I称为矩阵AA的多项式,其中m∈Nm\in N,令K[A]={矩阵A的多项式}K[A]=\{矩阵A的多项式\},容易验证,K[A]K[A]对于矩阵的减法和乘法封闭,从而K[A]K[A]是环Mn(K)M_n(K)的一个子环,且K[A]K[A]是有单位元II的交换环。

同构映射的概念:

引入:KIKI是K[A]K[A]的一个子环,由一个映射τ\tau,满足:K→KIK\to KI,也就是$k\to kI=\begin{bmatrix}k&0&\dots&0\0&k&\dots &0\0&0&\ddots&0\0&0&\dots&k\end{bmatrix} ,显然,显然\tau$是一个双射,保持加法,乘法

定义6:

若环RR到R′R'有一个双射σ\sigma满足如下条件,则称σ\sigma是环RR到环R′R'的一个同构映射,此时称环RR与环R′R'是同构的:

  1. σ(a+b)=σ(a)+σ(b)\sigma(a+b) = \sigma(a)+\sigma (b)

  2. σ(ab)=σ(a)⋅σ(b)\sigma(ab)=\sigma(a)·\sigma(b)

命题4:

若环RR到R′R'有一个同构映射σ\sigma,且RR有单位元ee,则σ(e)\sigma(e)是R′R'的单位元。

  • 命题4证明如下:
    • 任取a′∈R′a'\in R',由于σ\sigma是满射,因此存在a∈Ra\in R,使得a′=σ(a)a' = \sigma(a)
    • 从而满足:
      • σ(e)a′=σ(e)σ(a)=σ(ea)=σ(a)=a′\sigma(e)a'=\sigma(e)\sigma(a)=\sigma(ea)=\sigma(a)=a'
      • a′σ(e)=σ(a)σ(e)=σ(ae)=σ(a)=a′a'\sigma(e)=\sigma(a)\sigma(e)=\sigma(ae)=\sigma(a)=a'
    • 满足环中单位元的定义,因此σ(e)\sigma(e)是环R′R'的单位元。

定理1:一元多项式环的通用性质

设KK是一个数域,RR是一个有单位元1′1'的交换环,且KK到RR的一个子环R1R_1(含有1′1')有一个同构映射τ\tau,那么任给t∈Rt\in R,令σt:K[x]→R\sigma_t:K[x]\to R,f(x)=∑i=0naixi→∑i=0nτ(ai)ti=:f(t)f(x)=\sum ^{n}_{i=0}a_ix^i \to \sum ^{n}_{i=0}\tau(a_i)t^{i}=:f(t),则σt\sigma_t是K[x]K[x]到RR的一个映射σt(x)=t\sigma_t(x)=t且σt\sigma_t保持加法、乘法运算即f(x)+g(x)=h(x),f(x)⋅g(x)=p(x)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)f(t)+g(t)=h(t),f(t)·g(t)=p(t)称σ(t)\sigma(t)是xx用tt带入。

多项式环整除关系

定义7:

设f(x),g(x)∈K[x]f(x),g(x)\in K[x],如果存在h(x)∈K[x]h(x)\in K[x]使得f(x)=h(x)g(x)f(x)=h(x)g(x)则称g(x)g(x)整除f(x)f(x),记作g(x)∣f(x)g(x)|f(x)否则称g(x)g(x)不能整除f(x)f(x),记作g(x)∤f(x)g(x)\nmid f(x)

注意1:∀f(x)∈K[x],∀b∈K\forall f(x)\in K[x],\forall b \in K,由于f(x)=[b−1f(x)]bf(x)=[b^{-1}f(x)]b,因此b∣f(x)b|f(x)

注意2:∀f(x)∈K[x]\forall f(x) \in K[x],由于0=0f(x)0=0f(x),因此f(x)∣0f(x)|0,特别地0∣00|0

注意3:若0∣f(x)0|f(x),则f(x)=h(x)⋅0=0f(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]K[x]中,若g(x)∣f(x)g(x)|f(x),且f(x)≠0f(x)≠0,则deg g(x)≤deg f(x)deg~g(x)≤ deg~f(x)

定义8:

在K[x]K[x]中,若g(x)∣f(x)g(x)|f(x)且f(x)∣g(x)f(x)|g(x),则称f(x)f(x)与g(x)g(x)相伴,记作f(x)∼g(x)f(x)\sim g(x)

命题6:

在K[x]K[x]中,f(x)∼g(x)⇔f(x)=cg(x),c∈K∗f(x)\sim g(x)\Leftrightarrow f(x)=cg(x),c \in K^{*}

命题7:

在K[x]K[x]中,若g(x)∣f(x),i=1,2,...,sg(x)|f(x),i=1,2,...,s则对任意u1(x),...,us(x)u_1(x),...,u_s(x),都有g(x)∣u1(x)f(x)+...+us(x)fs(x)g(x)|u_1(x)f(x)+...+u_s(x)f_s(x)

练习1

典型例题1

习题1

多项式环带余除法

  • 带余除法的定义:

定理8:多项式带余除法

设f(x),g(x)∈K[x]f(x),g(x)\in K[x],且g(x)≠0g(x)≠0,则存在K[x]K[x]中唯一的一对多项式h(x),r(x)h(x),r(x)使得f(x)=h(x)g(x)+r(x),deg r(x)<deg g(x)f(x)=h(x)g(x)+r(x),deg~r(x)<deg~g(x),其中h(x)h(x)称为商式,r(x)r(x)称为余式。

推论3:

设f(x),g(x)∈K[x]f(x),g(x)\in K[x],且g(x)≠0g(x)≠0,如果g(x)∣f(x)g(x)|f(x),则g(x)g(x)除f(x)f(x)的余式一定是00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)≠0f(x),g(x)\in K[x],g(x)≠0,数域E≥KE≥K,则在K[x]K[x]中,g(x)∣f(x)⇔g(x)|f(x)\Leftrightarrow,则在E[x]E[x]中g(x)∣f(x)g(x)|f(x)

  • 辗转相除法:

定义8:公因式

k[x]k[x]中,若c(x)∣f(x)c(x)|f(x)且c(x)∣g(x)c(x)|g(x),则称c(x)c(x)是f(x)f(x)与g(x)g(x)的一个公因式。

定义9:最大公因式

设f(x),g(x)∈K[x]f(x),g(x)\in K[x],如果有K[x]K[x]中的一个多项式d(x)d(x)满足如下,则称d(x)d(x)是f(x)f(x)与g(x)g(x)的一个最大公因式:

  1. d(x)∣f(x)d(x)|f(x)且d(x)∣g(x)d(x)|g(x)
  2. f(x)f(x)与g(x)g(x)的任一公因式c(x)∣d(x)c(x)|d(x)

注意1:∀f(x)∈K[x]\forall f(x)\in K[x],由于f(x)∣f(x)f(x)|f(x),且f(x)∣0f(x)|0,因此f(x)f(x)是f(x)f(x)与00的一个公因式。且f(x)f(x)与00的任一公因式c(x)∣f(x)c(x)|f(x),则f(x)f(x)与00的一个最大公因式是f(x)f(x)

注意2:00多项式是00多项式与00多项式的一个最大公因式。

引理1:

设f(x),g(x)∈K[x]f(x),g(x)\in K[x],且g(x)≠0g(x)≠0如果f(x)=h(x)g(x)+r(x)f(x)=h(x)g(x)+ r(x),那么c(x)∣f(x)c(x)|f(x)且c(x)∣f(x)⇒c(x)∣g(x)c(x)|f(x)\Rightarrow c(x)|g(x)且c(x)∣r(x)c(x)|r(x)。

  • 引理1证明:
    • 因为f(x)=h(x)g(x)+r(x)f(x)=h(x)g(x)+r(x),移项整理可以得到r(x)=f(x)−h(x)g(x)r(x)=f(x)-h(x)g(x)
    • 由于c(x)∣f(x),c(x)∣g(x)c(x)|f(x),c(x)|g(x),可以得到c(x)∣f(x)−h(x)g(x)c(x)|f(x)-h(x)g(x)
    • 所以c(x)∣r(x)c(x)|r(x)

引理1推论:

从而得到d(x)d(x)是f(x)f(x)与g(x)g(x)的一个最大公因式⇔d(x)\Leftrightarrow d(x)是r(x)r(x)与f(x)f(x)的一个最大公因式。

定理9:

K[x]K[x]中任意一对多项式f(x)f(x)与g(x)g(x)都有一个最大公因式d(x)d(x),且存在u(x),v(x)∈K[x]u(x),v(x)\in K[x]使得u(x)f(x)+v(x)g(x)=d(x)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)d_1(x),d_2(x)都是f(x)f(x)与g(x)g(x)的最大公因式则d2(x)∣d1(x)d_2(x)|d_1(x),且d1(x)∣d2(x)d_1(x)|d_2(x)从而d1(x)∼d2(x)d_1(x)\sim d_2(x)

注解2:当f(x)f(x)与g(x)g(x)不全为00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))(g(x),f(x))表示f(x)f(x)与g(x)g(x)的首先系数为11的最大公因式

  • 辗转相除法:

    • 设f(x),g(x)∈K[x]f(x),g(x)\in K[x]且g(x)≠0g(x)≠0,作带余除法:
      • f(x)=h1(x)g(x)+r1(x),deg r1(x)<deg g(x)f(x)=h_1(x)g(x)+r_1(x),deg~r_1(x)<deg~g(x)
      • 若r1(x)≠0r_1(x)≠0,则g(x)=h2(x)r1(x)+r2(x),deg r2(x)<deg r1(x)g(x)=h_2(x)r_1(x)+r_2(x),deg~r_2(x)<deg~r_1(x)
      • 若r2(x)≠0r_2(x)≠0,则g(x)=h3(x)r2(x)+r3(x),deg r3(x)<deg r2(x)g(x)=h_3(x)r_2(x)+r_3(x),deg~r_3(x)<deg~r_2(x)
      • ⋅⋅⋅⋅⋅·····
      • 若rs−1(x)≠0r_{s-1}(x)≠0,则rs−2(x)=hs(x)rs−1(x)+rs(x),deg rs(x)<deg rs−1(x)r_{s-2}(x)=h_s(x)r_{s-1}(x)+r_s(x),deg~r_s(x)<deg~r_{s-1}(x)
      • 若rs(x)≠0r_{s}(x)≠0,则rs−1(x)=hs+1(x)rs(x)+0r_{s-1}(x)=h_{s+1}(x)r_{s}(x)+0
      • 通过引理1和引理1的推论,可以得到rs(x)∣rs−1r_s(x)|r_{s-1}进而得到rs(x)∣f(x),rs(x)∣g(x)r_s(x)|f(x),r_s(x)|g(x),从而得到rs(x)r_s(x)是f(x)f(x)与g(x)g(x)的一个最大公因式。
    • 并且通过不断的代换余式就可以得到,这个其实就是数论中的裴蜀定理在多项式上的表示。

    rs(x)=rs−2(x)−hs(x)rs−1=rs−4(x)−hs−1(x)rs−2(x)=....=u(x)f(x)+v(x)g(x)\begin{array}{l} r_s(x)&=r_{s-2}(x)-h_s(x)r_{s-1}\\ &=r_{s-4}(x)-h_{s-1}(x)r_{s-2}(x)\\ &=....\\ &=u(x)f(x)+v(x)g(x) \end{array}

命题9:

设f(x),g(x)∈K[x]f(x),g(x)\in K[x],且g(x)≠0g(x)≠0,数域E≥KE≥K,则f(x)f(x)与g(x)g(x)在K[x]K[x]中的首一最大公因式等于f(x)f(x)与g(x)g(x)在E[x]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]K[x]中,若(f(x),g(x))=1(f(x),g(x))=1,则称f(x)f(x)和g(x)g(x)互素

注解:由此定义可以得到f(x)f(x)与g(x)g(x)的任一公因式c(x)c(x)是零次多项式

定理10:

在K[x]K[x]中,f(x)f(x)与g(x)g(x)互素⇔\Leftrightarrow存在u(x),v(x)∈K[x]u(x),v(x)\in K[x],使得u(x)f(x)+v(x)g(x)=1u(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]f(x),g(x)\in K[x],且g(x)≠0g(x)≠0,数域E≥KE≥K,则f(x)f(x)与g(x)g(x)在K[x]K[x]中互素⇔\Leftrightarrowf(x)f(x)与g(x)g(x)在E[x]E[x]中互素。

性质1:

在K[x]K[x]中,若f(x)∣g(x)h(x)f(x)|g(x)h(x),(f(x),g(x))=1(f(x),g(x))=1,则f(x)∣h(x)f(x)|h(x)

性质2:

在K[x]K[x]中,若f(x)∣h(x),g(x)∣h(x)f(x)|h(x),g(x)|h(x),且(f(x),g(x))=1(f(x),g(x))=1,则f(x)g(x)∣h(x)f(x)g(x)|h(x)

性质3:

在K[x]K[x]中,若(f(x),h(x))=1(f(x),h(x))=1,且(g(x),h(x))=1(g(x),h(x))=1,则(f(x)g(x),h(x))=1(f(x)g(x),h(x))=1

不可约多项式

定义11:

设f(x)∈K[x]f(x)\in K[x],deg f(x)>0deg~f(x)>0,如果f(x)f(x)的因式只有零次多项式和f(x)f(x)的相伴元,那么称f(x)f(x)是数域KK上不可约的;否则称f(x)f(x)在KK上是可约的。

定理11:

设p(x)∈K[x]p(x)\in K[x],且deg p(x)>0deg~p(x)>0,则下列命题等价:

  1. p(x)p(x)在KK上不可约
  2. ∀f(x)∈K[x]\forall f(x) \in K[x],则有(p(x),f(x))=1(p(x),f(x))=1或者p(x)∣f(x)p(x)|f(x)
  3. 在K[x]K[x]中,从p(x)∣f(x)g(x)p(x)|f(x)g(x)可推出p(x)∣f(x)p(x)|f(x)或p(x)∣g(x)p(x)|g(x)
  4. 在K[x]K[x]中,p(x)p(x)不能分解成两个次数比p(x)p(x)次数低的多项式乘积

推论4:

K[x]K[x]中,若p(x)∣f1(x)⋅⋅⋅fs(x)p(x)|f_1(x)···f_s(x),则p(x)∣fj(x)p(x)|f_j(x),其中j∈{1,...,s}j\in \{1,...,s\}

推论5:

K[x]K[x]中,一次多项式是不可约的。

推论6:

K[x]K[x]中,f(x)f(x)可约当且仅当f(x)f(x)能够分解成两个次数比f(x)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)>0deg~f(x)>0,若f(x)f(x)可约f(x)=f1(x)f2(x)f(x)=f_1(x)f_2(x)次数,其中deg fi(x)<deg f(x),i=1,2deg~f_i(x)<deg~f(x),i=1,2;K[x]K[x]中每一个次数大于00的多项式f(x)f(x)都能分解成数域KK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)f(x)=p_1(x)···p_s(x)=q_1(x)···q_t(x),则s=ts=t,且适当排列因式的次序有pi(x)∼qi(x),i=1,...,sp_i(x)\sim q_i(x),i=1,...,s。一般分解f(x)f(x)的形式如下:f(x)=ap1l1p2l2⋅⋅⋅pmlm(x)f(x)=ap_1^{l_1}p_2^{l_2}···p_m^{l_m}(x),其中p1(x),...,pm(x)p_1(x),...,p_m(x)是两两不等的首一不可约多项式,其中li>0,i=1,...,ml_i>0,i=1,...,m,称为f(x)f(x)的标准分解式。

注解:从标准分解式可以看出f(x)f(x)中p1(x)p_1(x)出现了l1l_1次,所以将p1(x)p_1(x)叫做f(x)f(x)的l1l_1重的因子。

定义12:

设f(x)∈K[x]f(x)\in K[x],deg f(x)>0deg~f(x)>0,若不可约多项式p(x)p(x)满足:pk(x)∣f(x)p^{k}(x)|f(x),且pk+1(x)∤f(x)p^{k+1}(x)\nmid f(x),则称p(x)p(x)是f(x)f(x)的kk重因式

注意:当k=0k=0时,p(x)p(x)不是f(x)f(x)的因式,当k=1k=1时,则称p(x)p(x)为f(x)f(x)的单因式;当k≥2k≥2,p(x)p(x)称为f(x)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]K[x]中,次数大于11的多项式f(x)f(x)有一次因式⇒f(x)\Rightarrow f(x)可约

定理13:

K[x]K[x]中,x−c∣f(x)⇔f(c)=0x-c|f(x)\Leftrightarrow 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]f(x)\in K[x],若c∈Kc\in K使得f(c)=0f(c)=0,则称cc是f(x)f(x)在KK中的一个根。设数域E⊇KE\supseteq K,若α∈E\alpha \in E使得f(α)=0f(\alpha)=0,则称α\alpha在域EE中的一个根。

定理14:对定理1313的另一种说法,也是Bezout定理

在K[x]K[x]中,x−c∣f(x)⇔cx-c|f(x)\Leftrightarrow c是f(x)f(x)在KK中的一个根。如果x−cx-c是f(x)f(x)的kk重因式,则称cc是f(x)f(x)的一个kk重根

注解:x−c∣f(x)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]K[x]中n(n≥0)n(n≥0)次多项式f(x)f(x)在KK中至多有nn个根。

推论7:设h(x)∈K[x],deg h(x)≤nh(x)\in K[x],deg~h(x)≤n,若h(x)h(x)在KK中有n+1n+1个根,则h(x)=0h(x)=0

命题11:

在K[x]K[x]中,deg f(x)≤n,deg g(x)≤ndeg ~f(x)≤n,deg~g(x)≤n,若KK中有n+1n+1个不同的数c1,...,cn+1c_1,...,c_{n+1}使得f(ci)=g(ci),i=1,...,n+1f(c_i)=g(c_i),i=1,...,n+1,则f(x)=g(x)f(x)=g(x)

  • 证明命题11:
    • 设h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x),则deg h(x)≤max{deg f(x),deg g(x)}≤ndeg~h(x)≤max\{deg~f(x),deg~g(x)\}≤n
    • 由已知xx用cic_i带入h(ci)=f(ci)−g(ci)=0,i=1,...,n+1h(c_i)=f(c_i)-g(c_i)=0,i=1,...,n+1
    • 因此cic_i是h(x)h(x)在KK中的根,所以h(x)h(x)在KK中至少写出了n+1n+1个根,但是deg h(x)≤ndeg~h(x)≤n
    • 因此由推论11可以得到h(x)=0h(x)=0
    • 最终得到f(x)=g(x)f(x)=g(x)

定义12:多项式函数

设f(x)=∑i=0naixi∈K[x]f(x)=\sum ^{n}_{i=0}a_{i}x^{i}\in K[x],将xx用t∈Kt\in K带入,得到f(t)=∑i=0naiti,∀t∈Kf(t)=\sum^{n}_{i=0}a_it^{i},\forall t \in K,把函数ff称为多项式f(x)f(x)诱导的多项式函数,或称为数域KK上的一元多项式函数。

记Kpol:={数域K上的一元多项式函数}K_{pol}:=\{数域K上的一元多项式函数\}

规定加法:(f+g)(t):=f(t)+g(t)(f+g)(t):=f(t)+g(t),其是由f(x)+g(x)f(x)+g(x)诱导的多项式函数

规定乘法:(fg)(t):=f(t)⋅g(t)(fg)(t):=f(t)·g(t),其是由f(x)⋅g(x)f(x)·g(x)诱导的多项式函数

易验证:(Kpol,+,⋅)(K_{pol},+,·)构成一个有单位元11的交换环,并且零元是零函数O(t)=0O(t)=0,单位元是1(t)=11(t)=1

命题12:

设f(x),g(x)∈K[x]f(x),g(x)\in K[x],若f=gf=g,则f(x)=g(x)f(x)=g(x)

命题13:

定义映射:σ:K[x]→Kpol\sigma:K[x]\rightarrow K{pol},可以得到σ\sigma是环上的同构映射从而可以得到结论:f(x)f(x)在KK中的一个根⇔f\Leftrightarrow f在cc处的函数值f(c)=0f(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11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00的多项式f(x)=a(x−c1)l1...(x−cs)lsf(x)=a(x-c_1)^{l_1}...(x-c_s)^{l_s}

推论4:

在\C[x]中,nn次多项f(x)f(x)有nn个复根,重根按重数计算。

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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00的本原多项式g(x)g(x)在QQ上可约⇔g(x)\Leftrightarrow g(x)能分解成两个次数比g(x)g(x)的次数低的本原多项式的乘积。

推论1:

次数大于00的本原多项式一定能分解成有限多个在QQ上不可约的本原多项式的乘积。

推论2:

次数大于00的整系数多项式在QQ上可约⇔f(x)\Leftrightarrow f(x)能够分解成两个次数比f(x)f(x)的次数低的整系数多项式的乘积。

定理1:

设f(x)=∑i=0naixif(x)=\sum^{n}_{i=0}a_{i}x^{i}是一个次数n>0n>0的本原多项式,若f(x)f(x)有一个有理根pq\frac{p}{q},其中(p,q)=1(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)f(x)没有有理根⇔f(x)\Leftrightarrow f(x)在QQ上不可约。

推论4:

次数n≥4n≥4的整系数多项式没有有理根⇏g(x)\nRightarrow g(x)不可约

定理2:Eisenstein判别式

设f(x)=∑i=0naixif(x)=\sum^{n}_{i=0}a_ix_i是一个次数n>0n>0的整系数多项式如果有一个素数pp满足

  1. p∤a0,p∣an−1,...,p∣a0p\nmid a_0,p\mid a_{n-1},...,p\mid a_0
  2. p2∤a0p^{2}\nmid a_0

那么f(x)f(x)在QQ上不可约

定理3:

在Q[x]Q[x]中,存在任意次数的不可约多项式。

次数大于00的整系数多项式f(x)f(x)在QQ上不可约⇔f(x+1)\Leftrightarrow f(x+1)在QQ上不可约或f(x−1)f(x-1)在QQ上不可约。