F[x]F[x] 环的基本定义

设 FF 是一个域 (Field)。

定义:多项式 (Polynomial)

环 F[x]F[x] 中的一个多项式 f(x)f(x) 定义为:

f(x)=∑i=0naixi=anxn+⋯+a1x+a0f(x) = \sum_{i=0}^{n} a_i x^i = a_n x^n + \dots + a_1 x + a_0

其中 ai∈Fa_i \in F。

  • ana_n (当 an≠0a_n \neq 0) 称为最高次项系数 (leading coefficient)。
  • a0a_0 称为常数项 (constant term)。
  • nn 称为多项式的次数 (degree),记为 deg(f)=ndeg(f) = n。
  • 零多项式 f(x)=0f(x) = 0 (即所有 ai=0a_i = 0),其次数约定为 deg(0)=−∞deg(0) = -\infty。

多项式次数的性质

对于 f,g∈F[x]f, g \in F[x]:

  1. deg(f⋅g)=deg(f)+deg(g)deg(f \cdot g) = deg(f) + deg(g)
  2. deg(f+g)≤max⁡(deg(f),deg(g))deg(f + g) \le \max(deg(f), deg(g))
    • 注: 当 deg(f)≠deg(g)deg(f) \neq deg(g) 时,等号成立。当 deg(f)=deg(g)deg(f) = deg(g) 且最高次项系数相反时,次数会降低。

F[x]F[x] 环的整除结构

F[x]F[x] 是一个欧几里得整环,因此它也是一个主理想整环 (PID) 和唯一分解整环 (UFD)。

单位 (Units):F[x]F[x] 环中的单位是 F∗F^*,即所有非零的常数多项式。

定义:不可约多项式 (Irreducible Polynomial)

一个非常数多项式 f∈F[x]f \in F[x] 称为不可约的,如果 f=g⋅hf = g \cdot h,则 gg 或 hh 必为一个单位。

  • 例如,任何一次多项式 x−ax - a 都是不可约的。

最大公因式 (GCD) 与理想

定义:GCD

对于 f(x),g(x)∈F[x]f(x), g(x) \in F[x],其最大公因式 d(x)=gcd(f,g)d(x) = gcd(f, g) 是一个首1 (monic) 多项式,满足:

  1. d(x)∣f(x)d(x) \mid f(x) 且 d(x)∣g(x)d(x) \mid g(x)
  2. 如果 e(x)∣f(x)e(x) \mid f(x) 且 e(x)∣g(x)e(x) \mid g(x),则 e(x)∣d(x)e(x) \mid d(x)

如果 gcd(f,g)=1gcd(f, g) = 1,称 ff 和 gg 互素。

在主理想整环 F[x]F[x] 中,由 ff 和 gg 生成的理想 ⟨f,g⟩\langle f, g \rangle 等于由它们的 GCD 生成的主理想:

⟨f,g⟩={f⋅a+g⋅b∣a,b∈F[x]}=⟨gcd(f,g)⟩\langle f, g \rangle = \{ f \cdot a + g \cdot b \mid a, b \in F[x] \} = \langle gcd(f, g) \rangle

定理:GCD 的域无关性

设 F⊂EF \subset E 均为域, f,g∈F[x]f, g \in F[x]。则在 F[x]F[x] 中计算的 gcd(f,g)gcd(f, g) 与在 E[x]E[x] 中计算的 gcd(f,g)gcd(f, g) 是相同的。

证明:

  • 考虑 K<LK<L 两个域,以及 f(x),g(x)∈K[x]⊆L[x]f(x), g(x) \in K[x] \subseteq L[x]
  • f,gf, g 在 KK 中生成的理想记为 IK=⟨f,g⟩K=f⋅K[x]+g⋅K[x]=⟨rk(x)⟩KI_K = \langle f,g \rangle_{K} = f\cdot K[x] + g\cdot K[x] = \langle r_k(x) \rangle_{K}
  • 同时根据主理想整环的性质,在 K[x]K[x] 上有 rK=gcd⁡(f,g)r_K = \operatorname{gcd}(f, g)
  • 同理,在 LL 上有 IL=⟨f,g⟩L=⟨rL(x)⟩LI_{L} = \langle f,g \rangle_{L}=\langle r_{L}(x) \rangle_{L},以及 rL=gcd⁡(f,g)r_{L} = \operatorname{gcd}(f,g)
  • 在 L[x]L[x] 上考虑,因为 f,g∈⟨rL⟩⇒rK∈⟨rL⟩f, g \in \langle r_{L} \rangle \Rightarrow r_{K} \in \langle r_{L} \rangle
  • 所以 rL∣rKr_{L} \mid r_{K}
  • 继续在 L[x]L[x] 上考虑,由于 rKr_{K} 是 f,gf, g 的公约数,而 rLr_{L} 是最大公约数
  • 所以 rK∣rLr_{K} \mid r_{L}
  • 令两者都是首一多项式,有 rK=rLr_{K} = r_{L}
  • 因此 gcd⁡(f,g)\operatorname{gcd}(f, g) 无论在哪个域上都一样

推论:

  • f,g∈F[x]f, g \in F[x] 在 F[x]F[x] 上有非常数公因子,当且仅当 f,gf, g 在 E[x]E[x] 上有非常数公因子。
  • f,gf,g 在 F[x]F[x] 上互素   ⟺  \iff f,gf,g 在 E[x]E[x] 上互素。

多项式的根 (Roots)

定义:根 (Root)

设 f(x)∈F[x]f(x) \in F[x],a∈Fa \in F。如果 f(a)=∑aiai=0f(a) = \sum a_i a^i = 0,则称 aa 是 f(x)f(x) 的一个根或零点。

多项式 vs. 多项式函数

一个多项式 f(x)∈F[x]f(x) \in F[x] 可以定义一个多项式函数 f:F→Ff: F \to F。

  • f(x)=0f(x) = 0 (零多项式)   ⟹  \implies ff 是零函数 (即 f(a)=0,∀a∈Ff(a) = 0, \forall a \in F)。
  • 反之不然。
  • 例: 在 Fp=Z/pZF_p = \mathbb{Z}/p\mathbb{Z} 上,考虑 f(x)=xp−xf(x) = x^p - x。根据费马小定理,对任意 a∈Fpa \in F_p,ap−a≡0(modp)a^p - a \equiv 0 \pmod p,所以 f(a)=0f(a) = 0。因此 ff 是零函数,但 f(x)f(x) 并不是零多项式。

根与因式分解

定理:因式定理 (Factor Theorem)

a∈Fa \in F 是 f(x)∈F[x]f(x) \in F[x] 的一个根,当且仅当 (x−a)∣f(x)(x-a) \mid f(x)。

  • 证明:
    • (⇐\Leftarrow):如果 f(x)=(x−a)q(x)f(x) = (x-a)q(x),则 f(a)=(a−a)q(a)=0f(a) = (a-a)q(a) = 0。
    • (⇒\Rightarrow):根据带余除法, f(x)=q(x)(x−a)+r(x)f(x) = q(x)(x-a) + r(x),其中 deg(r)<deg(x−a)=1deg(r) < deg(x-a) = 1。
    • 因此 r(x)=rr(x) = r 是一个常数。
    • 代入 x=ax=a:f(a)=q(a)(a−a)+r  ⟹  f(a)=rf(a) = q(a)(a-a) + r \implies f(a) = r。
    • 已知 aa 是根,所以 f(a)=0f(a) = 0,故 r=0r = 0。
    • 因此 f(x)=q(x)(x−a)f(x) = q(x)(x-a),即 (x−a)∣f(x)(x-a) \mid f(x)。

命题:根的个数

一个非零多项式 f(x)∈F[x]f(x) \in F[x] 且 deg(f)=ndeg(f) = n,则 f(x)f(x) 在 FF 中至多有 nn 个根。

  • 证明(归纳法):
    • n=1n=1:f(x)=ax+bf(x) = ax+b (a≠0a \neq 0)。有唯一根 x=−b/ax = -b/a。
    • 假设 deg(g)=kdeg(g) = k 的多项式至多有 kk 个根。
    • 考虑 deg(f)=k+1deg(f) = k+1。如果 ff 在 FF 中没有根,则 0≤k+10 \le k+1,成立。
    • 如果 ff 有一个根 a∈Fa \in F,则 f(x)=(x−a)q(x)f(x) = (x-a)q(x),其中 deg(q)=kdeg(q) = k。
    • ff 的任何其他异于 aa 的根 β\beta 必须满足 f(β)=(β−a)q(β)=0f(\beta) = (\beta-a)q(\beta) = 0。
    • 由于 β−a≠0\beta-a \neq 0,必有 q(β)=0q(\beta) = 0,即 β\beta 也是 q(x)q(x) 的根。
    • 根据归纳假设,q(x)q(x) 至多有 kk 个根。
    • 因此,f(x)f(x) 至多有 kk (来自 qq) + 11 (来自 aa) = k+1k+1 个根。

推论:

如果 f(x)∈F[x]f(x) \in F[x] 满足 deg(f)≤ndeg(f) \le n,但 f(x)f(x) 在 FF 中有多于 nn 个根,则 f(x)f(x) 必为零多项式。

根与域扩张

定理 (Kronecker):

设 f(x)∈F[x]f(x) \in F[x] 是一个非常数多项式。存在 FF 的一个域扩张 EE (即 F⊂EF \subset E),使得 f(x)f(x) 在 EE 中有一个根。

  • 证明思路 (当 f(x)f(x) 不可约时):
    1. 由于 f(x)f(x) 不可约,F[x]F[x] 是 PID,所以理想 ⟨f(x)⟩\langle f(x) \rangle 是一个极大理想。
    2. 因此,商环 E=F[x]/⟨f(x)⟩E = F[x] / \langle f(x) \rangle 是一个域。
    3. FF 可以通过 a↦a+⟨f(x)⟩a \mapsto a + \langle f(x) \rangle 自然地嵌入到 EE 中(可以证明这个映射是单射),所以 EE 是 FF 的扩张。
    4. 考虑到 EE 中包含的实际是 FF 的同构而非 FF,因此改写 f:F→Ff: F \to F 为 fˉ:E→E\bar{f}: E \to E 以示区别
    5. 令 α=xˉ=x+⟨f(x)⟩∈E\alpha = \bar{x} = x + \langle f(x) \rangle \in E。(这里的 xx 指的是 F[x]F[x] 中的一个特定的元素)
    6. 在 EE 中计算 fˉ(α)\bar{f}(\alpha):

      fˉ(α)=∑i=0na‾ixˉi=∑i=0nai‾⋅xi‾=∑i=0naixi‾=∑i=0naixi‾=fˉ=⟨f⟩=0ˉ\begin{aligned} \bar{f}(\alpha) &= \sum_{i=0}^{n} \overline{a}_i \bar{x}^{i} = \sum_{i=0}^{n} \overline{a_i} \cdot \overline{x^{i}} = \sum_{i=0}^{n} \overline{a_i x^{i}} \\ &= \overline{\sum_{i=0}^{n} a_i x^{i}} = \bar{f} = \langle f \rangle = \bar{0} \\ \end{aligned}

    7. EE 包含 f(x)f(x) 的一个根 α\alpha。

分裂域 (Splitting Field):

通过重复应用上述定理,我们可以构造一个域 EE,使得 f(x)f(x) 在 E[x]E[x] 中可以被分解为一次因子的乘积:

f(x)=c(x−α1)(x−α2)…(x−αn)f(x) = c(x-\alpha_1)(x-\alpha_2)\dots(x-\alpha_n)

其中 α1,…,αn∈E\alpha_1, \dots, \alpha_n \in E。
包含 f(x)f(x) 所有根的最小扩张域 E=F(α1,…,αn)E = F(\alpha_1, \dots, \alpha_n) 称为 f(x)f(x) 在 FF 上的分裂域。

极小多项式 (Minimal Polynomial)

定义:代数元 (Algebraic Element)

设 F⊂EF \subset E,a∈Ea \in E。如果存在一个非零多项式 p(x)∈F[x]p(x) \in F[x] 使得 p(a)=0p(a) = 0,则称 aa 是 FF 上的代数元;否则称 aa 在 FF 上超越。

  • 在 Q⊂C\mathbb{Q} \subset \mathbb{C} 中,Q\mathbb{Q} 上的代数元称为代数数 (Algebraic Number)。例如 ii ( x2+1=0x^2+1=0 ) 和 2\sqrt{2} ( x2−2=0x^2-2=0 )。

定义:极小多项式 (Minimal Polynomial)

设 aa 是 FF 上的代数元。aa 在 FF 上的极小多项式,记为 min(a,F)min(a, F),是 F[x]F[x] 中满足 p(a)=0p(a) = 0 的唯一、首1、最低次的多项式。

  • 例如:min(2,Q)=x2−2min(\sqrt{2}, \mathbb{Q}) = x^2 - 2。

极小多项式的性质

令 p(x)=min(a,F)p(x) = min(a, F)。

  1. p(x)p(x) 在 F[x]F[x] 上是不可约的。
  2. 对于任意 g(x)∈F[x]g(x) \in F[x], g(a)=0  ⟺  p(x)∣g(x)g(a) = 0 \iff p(x) \mid g(x)。
  • 证明 (1):
    • 假设 p(x)=g(x)h(x)p(x) = g(x)h(x),其中 deg(g)<deg(p)deg(g) < deg(p) 且 deg(h)<deg(p)deg(h) < deg(p)。
    • p(a)=g(a)h(a)=0p(a) = g(a)h(a) = 0。由于 EE 是一个域(至少是整环),则 g(a)=0g(a) = 0 或 h(a)=0h(a) = 0。
    • 这与 p(x)p(x) 是 aa 的最低次多项式相矛盾。
  • 证明 (2):
    • (⇐\Leftarrow):若 g(x)=q(x)p(x)g(x) = q(x)p(x),则 g(a)=q(a)p(a)=q(a)⋅0=0g(a) = q(a)p(a) = q(a) \cdot 0 = 0。
    • (⇒\Rightarrow):若 g(a)=0g(a) = 0,用 g(x)g(x) 除以 p(x)p(x):
      g(x)=q(x)p(x)+r(x)g(x) = q(x)p(x) + r(x),其中 deg(r)<deg(p)deg(r) < deg(p) 或 r(x)=0r(x) = 0。
    • 代入 aa:g(a)=q(a)p(a)+r(a)  ⟹  0=0+r(a)g(a) = q(a)p(a) + r(a) \implies 0 = 0 + r(a)。
    • r(a)=0r(a) = 0。由于 deg(r)<deg(p)deg(r) < deg(p),根据 pp 的最低次性, r(x)r(x) 必须是零多项式。
    • 因此 g(x)=q(x)p(x)g(x) = q(x)p(x),即 p(x)∣g(x)p(x) \mid g(x)。

重根与可分性 (Multiple Roots & Separability)

定义:根的重数 (Multiplicity)

称 aa 是 f(x)f(x) 的 mm 重根,如果 (x−a)m∣f(x)(x-a)^m \mid f(x) 但 (x−a)m+1∤f(x)(x-a)^{m+1} \nmid f(x)。

  • m=1m=1:单根 (Simple root)。
  • m>1m > 1:重根 (Multiple root)。

形式导数 (Formal Derivative)

定义:形式导数

对于 f(x)=∑i=0naixif(x) = \sum_{i=0}^{n} a_i x^i,其形式导数 f′(x)f'(x) 定义为:

f′(x)=∑i=1n(i⋅ai)xi−1f'(x) = \sum_{i=1}^{n} (i \cdot a_i) x^{i-1}

注: i⋅aii \cdot a_i 指的是 aia_i 连加 ii 次。

求导性质:(与微积分中相同)

  1. (f+g)′=f′+g′(f + g)' = f' + g'
  2. (cf)′=cf′(c f)' = c f' (c 为常数)
  3. (fg)′=f′g+fg′(f g)' = f' g + f g' (乘法法则)

定理:重根判别法

aa 是 f(x)f(x) 的重根,当且仅当 f(a)=0f(a) = 0 且 f′(a)=0f'(a) = 0。

  • 证明:
    • (⇒\Rightarrow):设 aa 为 mm 重根,m≥2m \ge 2。
      f(x)=(x−a)mq(x)f(x) = (x-a)^m q(x)。
      f(a)=0f(a)=0 显然成立。
      f′(x)=m(x−a)m−1q(x)+(x−a)mq′(x)f'(x) = m(x-a)^{m-1}q(x) + (x-a)^m q'(x)。
      由于 m≥2m \ge 2,m−1≥1m-1 \ge 1,所以 f′(x)f'(x) 的两项都含有 (x−a)(x-a) 因子。
      因此 f′(a)=0f'(a) = 0。
    • (⇐\Leftarrow):已知 f(a)=0f(a) = 0。由因式定理,f(x)=(x−a)q(x)f(x) = (x-a)q(x)。
      f′(x)=q(x)+(x−a)q′(x)f'(x) = q(x) + (x-a)q'(x)。
      已知 f′(a)=0f'(a) = 0,代入得 f′(a)=q(a)+(a−a)q′(a)=q(a)f'(a) = q(a) + (a-a)q'(a) = q(a)。
      所以 q(a)=0q(a) = 0。
      再次应用因式定理,q(x)=(x−a)r(x)q(x) = (x-a)r(x)。
      代回原式:f(x)=(x−a)q(x)=(x−a)2r(x)f(x) = (x-a)q(x) = (x-a)^2 r(x)。
      因此 aa 至少是 f(x)f(x) 的 2 重根。

推论: f(x)f(x) 有重根   ⟺  gcd(f,f′)≠1\iff gcd(f, f') \neq 1。

说明:有重根时,假如某个重根为 aa,不难发现 ff 与 f′f' 的公因子包含 x−ax-a。

可分多项式 (Separable Polynomials)

定义:可分多项式

一个不可约多项式 f(x)∈F[x]f(x) \in F[x] 称为可分的 (separable),如果它在分裂域中没有重根。否则称为不可分的 (inseparable)。

定理:可分性判别法

一个不可约多项式 f(x)f(x) 是不可分的   ⟺  f′(x)=0\iff f'(x) = 0 (零多项式)。

  • 证明:
    • (⇒\Rightarrow):ff 不可分   ⟹  f\implies f 有重根 aa。
        ⟹  f(a)=0\implies f(a) = 0 且 f′(a)=0f'(a) = 0。
        ⟹  f(x)\implies f(x) 是 aa 的极小多项式(因为 ff 不可约)。
        ⟹  f(x)∣f′(x)\implies f(x) \mid f'(x) (根据极小多项式性质 2)。
      但 deg(f′)<deg(f)deg(f') < deg(f) (除非 ff 是常数,但这与 ff 不可约矛盾)。
      唯一的可能是 f′(x)f'(x) 必须是零多项式。
    • (⇐\Leftarrow):f′(x)=0f'(x) = 0。
        ⟹  gcd(f,f′)=gcd(f,0)=f(x)\implies gcd(f, f') = gcd(f, 0) = f(x)。
        ⟹  gcd(f,f′)≠1\implies gcd(f, f') \neq 1 (因为 ff 不可约,不是常数 1)。
        ⟹  f(x)\implies f(x) 有重根,因此 ff 是不可分的。

何时 f′(x)=0f'(x) = 0?

f′(x)=∑iaixi−1=0f'(x) = \sum i a_i x^{i-1} = 0 意味着所有系数 i⋅ai=0i \cdot a_i = 0。

  1. 若 char(F)=0char(F) = 0 (如 Q,R,C\mathbb{Q}, \mathbb{R}, \mathbb{C}):
    i⋅ai=0  ⟹  ai=0i \cdot a_i = 0 \implies a_i = 0 (对于 i≥1i \ge 1)。
    这意味着 f(x)f(x) 必须是一个常数。但这与 f(x)f(x) 不可约相矛盾。

推论:特征 00 域(即 char(F)=0char(F)=0)上的所有不可约多项式 ff 都是可分的。

  1. 若 char(F)=p>0char(F) = p > 0 (如 FpF_p):
    i⋅ai=0  ⟹  p∣ii \cdot a_i = 0 \implies p \mid i 或 ai=0a_i = 0。
    这意味着 f(x)f(x) 的所有非零项 aixia_i x^i 都必须满足 p∣ip \mid i。
    因此 f(x)f(x) 是一个 xpx^p 的多项式,即 f(x)=g(xp)f(x) = g(x^p)。
    • 如果 FF 是有限域,可以证明 pp 为素数且 F∗F^{*} 在乘法上为循环群。但是由于对于 ∀b∈F,∃c s.t b=cp\forall b\in F, \exists c \text{ s.t } b = c^{p},使得 g(xp)g(x^{p}) 总可以写成 [h(x)]p\left[ h(x) \right]^{p} 的形式,与 f(x)f(x) 不可约矛盾。因此这种情况下 f(x)f(x) 可分。

    • 如果 FF 是无限域,那么就存在 f(x)f(x) 不可分的情形。考虑:

      F2(t)={f(t)g(t)∣g(t)≠0},F2(t2)={f(t2)g(t2)∣g(t2)≠0}F_2(t) = \left\{ \frac{f(t)}{g(t)} | g(t)\neq 0 \right\}, \quad F_2(t^{2}) = \left\{ \frac{f(t^{2})}{g(t^{2})} | g(t^{2})\neq 0 \right\}

      这两个无限域满足 F2(t2)<F2(t)F_2(t^{2})<F_2(t)。在无限域 F2(t2)F_2(t^{2}) 上考虑多项式环 F2(t)[x]F_2(t)[x],其中某个不可约多项式 f(x)f(x) 为 x2−t2x^{2} - t^{2};但是在扩域 F2(t)F_2(t) 中,x2−t2=(x−t)2x^{2} - t^{2} = (x-t)^{2},存在重根。因此在这个例子中,f(x)f(x) 可分。

综上讨论,其实可以发现,在大多数情况下,不可约多项式都是不可分的。