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=0∑naixi∈R[x]
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=1∏n(x−αi)
因此, a ( x ) a(x) a(x)在复域上不可约 ⟺ n = 1 \iff n=1 ⟺n=1
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)=αj∈R∏(x−αj)αk∈R∏(x−αk)(x−αˉk)
那么:
如果 n n n是奇数,它包含至少一个实根。
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的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,
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
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,b∈Q, 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
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
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。
模 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 p∤an,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)modp∈Zp[x]
若 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
那么 a ( x ) a(x) a(x)在有理数域上不可约。
对于任意的 n ∈ Z + n \in Z^+ n∈Z+,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。
在 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) xqn−x=x(xqn−1−1)
若 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
n ≥ 1 n\ge 1 n≥1, x n − 1 x^n-1 xn−1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)。
域 K K K的特征为 p p p,
若 ( 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次分圆多项式:
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)=1≤s≤n,(s,n)=1∏(x−ξs)
且
x n − 1 = ∏ d ∣ n Q d ( x ) x^n - 1 = \prod_{d \mid n} Q_d(x) xn−1=d∣n∏Qd(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。
令 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)⋯Qrk−1(x)xrk−1=xrk−1−1xrk−1=1+xrk−1+x2rk−1+⋯+x(r−1)rk−1
特别的,
因此,我们容易的构造了上述两类不可约多项式!