如何判断多项式是否不可约

令环 R R R上的 n n n次多项式为:
a ( x ) = ∑ i = 0 n a i x i ∈ R [ x ] a(x) = \sum_{i=0}^n a_i x^i \in R[x] a(x)=i=0naixiR[x]

复数域上

复数域是的代数封闭的。因此,复数域上的多项式 a ( x ) a(x) a(x)都可以写成:
a ( x ) = ∏ i = 1 n ( x − α i ) a(x) = \prod_{i=1}^{n}(x-\alpha_i) a(x)=i=1n(xαi)
因此, a ( x ) a(x) a(x)在复域上不可约    ⟺    n = 1 \iff n=1 n=1

实数域上

如果 α \alpha α是一个非实的复根,那么共轭 α ˉ \bar \alpha αˉ也是根,且它们的重数相同。从而实数域上的多项式 a ( x ) a(x) a(x)都可以写成
a ( x ) = ∏ α j ∈ R ( x − α j ) ∏ α k ∉ R ( x − α k ) ( x − α ˉ k ) a(x) = \prod_{\alpha_j \in R}(x-\alpha_j) \prod_{\alpha_k \not \in R}(x-\alpha_k)(x-\bar\alpha_k) a(x)=αjR(xαj)αkR(xαk)(xαˉk)
那么:

  1. 如果 n = 1 n=1 n=1,那么它在实数域上不可约
  2. 如果 n = 2 n=2 n=2,它在实数域上不可约    ⟺    Δ = b 2 − 4 a c < 0 \iff \Delta = b^2-4ac < 0 Δ=b24ac<0
  3. 如果 n > 2 n>2 n>2,那么它在实数域上是可约的

如果 n n n是奇数,它包含至少一个实根。

有理数域上

有理数域是整数环的分式域,我们将有理数域上的多项式 f ( x ) f(x) f(x)乘以它系数的最小公倍数,得到整系数的有理数多项式 g ( x ) g(x) g(x),那么 f ( x ) f(x) f(x)在有理域上不可约    ⟺    g ( x ) \iff g(x) g(x)在有理域上不可约。

有理数域上的整系数多项式可约,那么它一定可以写作两个度数大于等于 1 1 1整系数多项式因子的乘积。

如果整系数多项式 a ( x ) a(x) a(x)的系数互素,我们称它为本原多项式。

对于整系数多项式,

  1. 如果 n = 1 n=1 n=1,那么它在有理域上不可约
  2. 如果 n = 2 , 3 n=2,3 n=2,3,在有理域上不可约    ⟺    \iff 有有理根,因此只需验证所有可能的有理根:令 i ∣ a 0 ,    j ∣ a n i | a_0,\,\, j | a_n ia0,jan分别是末项系数和首项系数的因子,所有可能的有理根为 i j ,    ∀ i , j \dfrac{i}{j},\,\, \forall i,j ji,i,j
  3. 注意,如果 n > 3 n>3 n>3,即使没有有理根也可以是可约的,比如 ( x 2 + 1 ) 2 (x^2+1)^2 (x2+1)2可约但没有有理根
  4. 形如 a x 2 + b x + c ax^2+bx+c ax2+bx+c的整系数多项式,如果 a b c abc abc是奇数,那么它在有理数域上不可约

Eisenstein判别法:若存在素数 p p p,使得对于整系数多项式 a ( x ) a(x) a(x)的系数有

  1. p ∤ a n p \nmid a_n pan
  2. p ∣ a i ,    ∀ i = 0 , 1 , ⋯   , n − 1 p \mid a_i,\,\, \forall i=0,1,\cdots,n-1 pai,i=0,1,,n1
  3. p 2 ∤ a 0 p^2 \nmid a_0 p2a0

那么 a ( x ) a(x) a(x)在有理数域上不可约。

实际上,有些多项式无法使用Eisenstein判别法,因此可以做适当变形后再使用Eisenstein判别法。

Eisenstein间接判别法 a ( x ) a(x) a(x)在有理数域上不可约    ⟺    ∀ a ≠ 0 , b ∈ Q \iff \forall a \neq 0,b \in Q a=0,bQ f ( a x + b ) f(ax+b) f(ax+b)在有理数域上不可约。

Eisenstein判别法的派生:若存在素数 p p p,使得对于整系数多项式 a ( x ) a(x) a(x)的系数有

  1. p ∤ a 0 p \nmid a_0 pa0
  2. p ∣ a i ,    ∀ i = 1 , ⋯   , n − 1 , n p \mid a_i,\,\, \forall i=1,\cdots,n-1,n pai,i=1,,n1,n
  3. p 2 ∤ a n p^2 \nmid a_n p2an

那么 a ( x ) a(x) a(x)在有理数域上不可约。

Eisenstein判别法的推广:若存在素数 p p p,令 d = g c d ( a 0 , ⋯   , a n ) d=gcd(a_0,\cdots,a_n) d=gcd(a0,,an),使得对于整系数多项式 a ( x ) a(x) a(x)的系数有

  1. p ∤ a j d ,    ∃ j = 0 , 1 , ⋯   , n p \nmid \dfrac{a_j}{d},\,\, \exists j=0,1,\cdots,n pdaj,j=0,1,,n
  2. p ∣ a i d ,    ∀ i ≠ j p \mid \dfrac{a_i}{d},\,\, \forall i \neq j pdai,i=j
  3. p 2 ∤ a 0 d p^2 \nmid \dfrac{a_0}{d} p2da0
  4. p 2 ∤ a n d p^2 \nmid \dfrac{a_n}{d} p2dan
  5. p ∤ a j d − b p \nmid \dfrac{a_j}{d} - b pdajb,这里 b ∣ a 0 a n d 2 b \mid \dfrac{a_0a_n}{d^2} bd2a0an b ≠ a 0 a n d 2 b \neq \dfrac{a_0a_n}{d^2} b=d2a0an

那么 a ( x ) a(x) a(x)在有理数域上不可约。

上述的Eisenstein判别法都是判断多项式在有理数域上不可约的充分不必要条件。

p p p剩余类判别法:对于整系数多项式 a ( x ) a(x) a(x),令 p ∤ a n p \nmid a_n pan,那么记
a ˉ ( x ) = a ( x ) m o d    p ∈ Z p [ x ] \bar a(x) = a(x) \mod p \in Z_p[x] aˉ(x)=a(x)modpZp[x]
a ˉ ( x ) \bar a(x) aˉ(x)在某个素域 Z p Z_p Zp上不可约,那么 a ( x ) a(x) a(x)在有理数域上不可约。若 a ( x ) a(x) a(x)在有理数域上可约,那么模掉任意的素数 p p p都可约。

奇数次多项式判别法:若存在素数 p p p,使得对于 2 n + 1 2n+1 2n+1次的整系数多项式 a ( x ) a(x) a(x)的系数有

  1. p ∤ a 2 n + 1 p \nmid a_{2n+1} pa2n+1
  2. p ∣ a i ,    ∀ i = n + 1 , n + 2 , ⋯   , 2 n p \mid a_i,\,\, \forall i=n+1,n+2,\cdots,2n pai,i=n+1,n+2,,2n
  3. p 2 ∣ a i ,    ∀ i = 0 , 1 , ⋯   , n p^2 \mid a_i,\,\, \forall i=0,1,\cdots,n p2ai,i=0,1,,n
  4. p 3 ∤ a 0 p^3 \nmid a_0 p3a0

那么 a ( x ) a(x) a(x)在有理数域上不可约。

有限域上

对于任意的 n ∈ Z + n \in Z^+ nZ+,在 G F ( q ) [ x ] GF(q)[x] GF(q)[x]中总存在 n n n次不可约多项式。

G F ( q ) [ x ] GF(q)[x] GF(q)[x]中所有次数整除 n n n的首一不可约多项式的乘积为:
x q n − x = x ( x q n − 1 − 1 ) x^{q^n} - x = x(x^{q^n-1} - 1) xqnx=x(xqn11)
a ( x ) ≠ x a(x) \neq x a(x)=x是在 G F ( q ) [ x ] GF(q)[x] GF(q)[x]中的 n n n次不可约多项式,若 α \alpha α是它在 G F ( q ) GF(q) GF(q)的代数闭包里的一个根,那么

  1. n n n个不同的根,即一组共轭元 α , α q , α q 2 , ⋯   , α q n − 1 \alpha,\alpha^{q},\alpha^{q^2},\cdots,\alpha^{q^{n-1}} α,αq,αq2,,αqn1,且 n n n是满足 α q n = α \alpha^{q^{n}}=\alpha αqn=α的最小正整数
  2. o r d ( α ) = l ord(\alpha)=l ord(α)=l,那么 l ∣ q n − 1 l \mid q^n-1 lqn1,且 n n n是满足 q n ≡ 1 m o d    l q^n \equiv 1 \mod l qn1modl的最小正整数
  3. 这组共轭根的乘法阶都是 l l l

分圆多项式

n ≥ 1 n\ge 1 n1 x n − 1 x^n-1 xn1在域 K K K上的分裂域(splitting field)叫做 n n n次分圆域(cyclotomic field),记做 K ( n ) K^{(n)} K(n),而所有的根叫做 n n n次单位根(roots of unity),记做 E ( n ) E^{(n)} E(n)

K K K的特征为 p p p

  1. ( n , p ) = 1 (n,p)=1 (n,p)=1或者 p = 0 p=0 p=0,那么 E ( n ) E^{(n)} E(n) K ( n ) K^{(n)} K(n)的一个 n n n阶循环乘法子群,其生成元 ξ \xi ξ叫做 n n n次本原单位根(primitive)
  2. n = m p e , ( m , p ) = 1 n=mp^e,(m,p)=1 n=mpe,(m,p)=1,那么 K ( n ) = K ( m ) K^{(n)} = K^{(m)} K(n)=K(m) E ( n ) = E ( m ) E^{(n)} = E^{(m)} E(n)=E(m)

( n , p ) = 1 (n,p)=1 (n,p)=1或者 p = 0 p=0 p=0,那么定义 K K K上的 n n n分圆多项式
Q n ( x ) = ∏ 1 ≤ s ≤ n ,    ( s , n ) = 1 ( x − ξ s ) Q_n(x) = \prod_{1\le s \le n,\,\,(s,n)=1} (x - \xi^s) Qn(x)=1sn,(s,n)=1(xξs)

x n − 1 = ∏ d ∣ n Q d ( x ) x^n - 1 = \prod_{d \mid n} Q_d(x) xn1=dnQd(x)
Q n ( x ) Q_n(x) Qn(x)的度数为 ϕ ( n ) \phi(n) ϕ(n),系数都属于 K K K的素域。若 p = 0 p=0 p=0(素域是有理数域),那么进一步的系数属于整数环。

分圆多项式是有理数域上不可约的整系数多项式,从而也是某一些素域 Z p Z_p Zp上(不是全部)的不可约多项式。

r r r是素数且 ( r , p ) = 1 (r,p)=1 (r,p)=1或者 p = 0 p=0 p=0 k k k是自然数,那么
Q r k ( x ) = x r k − 1 Q 1 ( x ) Q r ( x ) ⋯ Q r k − 1 ( x ) = x r k − 1 x r k − 1 − 1 = 1 + x r k − 1 + x 2 r k − 1 + ⋯ + x ( r − 1 ) r k − 1 \begin{aligned} Q_{r^k}(x) &= \dfrac{x^{r^{k}}-1}{Q_1(x)Q_r(x) \cdots Q_{r^{k-1}}(x)}\\ &= \dfrac{x^{r^{k}}-1}{x^{r^{k-1}}-1}\\ &= 1 + x^{r^{k-1}} + x^{2r^{k-1}} + \cdots + x^{(r-1)r^{k-1}} \end{aligned} Qrk(x)=Q1(x)Qr(x)Qrk1(x)xrk1=xrk11xrk1=1+xrk1+x2rk1++x(r1)rk1
特别的,

  1. k = 1 k=1 k=1,则 Q r ( x ) = 1 + x + x 2 + ⋯ + x r − 1 Q_r(x) = 1 + x + x^2 + \cdots + x^{r-1} Qr(x)=1+x+x2++xr1
  2. r = 2 r=2 r=2,则 Q 2 k ( x ) = 1 + x 2 k − 1 Q_{2^k}(x) = 1 + x^{2^{k-1}} Q2k(x)=1+x2k1

因此,我们容易的构造了上述两类不可约多项式!

你可能感兴趣的:(数学,线性代数,数据挖掘,算法,数学,信息安全)