1.多项式中的常见问题

不随数域变化的的一些性质

  • 带余除法的结果

  • 最大公因式及互素性

  • 多项式无重根性

三者由上到下进行推导

整系数多项式问题

命题1 f(x)是一个整系数多项式,如果存在正整数m,满足m\nmid f(0),m\nmid f(1),...,m\nmid f(m-1),则f没有整数根,特别地,如果f是首一的,则f也没有有理根(因为首一整系数多项式有理根都是整数根)
证明:\forall k\in \mathbb{Z},f(k)\not= 0,k=am+b(b=0,1,2,...,m-1)
f(k)=M\cdot m+(a_nb^n+a_{n-1}b^{n-1}+...+a_1b+a_0)=M\cdot m+f(b)
m\mid Mm,m\nmid f(b)\Rightarrow m\nmid f(k)\Rightarrow f(x)\not= 0,\forall x \in \mathbb{Z}

经典例题

(1)设f(x)是一个整系数多项式,已知是一个整系数多项式,且f(0),f(1)都是奇数,则f(x)无整数根。
(2)设f(x)是一个整系数多项式,已知a是偶数,b是奇数,且f(a),f(b)都是奇数,则f(x)无整数根。
(3)已知f(x)=a_nx^{n}+...+a_1x+a_0是一个整系数多项式,已知a_0,a_0+a_1+...+a_n,a_0-a_1+...+(-1)^na_n都不被3整除,则f(x)无整数根

艾森斯坦判别法的应用

此判别法的证明过程相当的重要,务必熟悉课本证明方法,了解每一个整除和不整除的目的。

证明过程梳理

定理叙述

(艾森斯坦判别法)设f(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+...+a_1x+a_0是一个n次整系数多项式,且存在素数p使得(1)p\nmid a_n (2)p\mid a_{n-1},...a_1,a_0 (3)p^2\nmid a_0

证明提要

  • 采用反证法,假设可以分解为两个不可约多项式f(x)=(b_sx^s+b_{s-1}x^{s-1}+...+b_1x+b_0)(c_tx^t+c_{t-1}x^{t-1}+...+c_1x+c_0)
  • 由(1)知p\nmid b_s,c_t,由(2)知p\mid b_0c_0,由(3)知p不同时整除于b_0,c_0
  • 不妨假设p\mid b_0,but,p\nmid c_0,将f(x)左侧分解式从右至左第一个不被p整除的系数记为b_k(一定能找到,由上一点知),考虑a_k=b_kc_0+b_{k-1}c_0+...b_0c_{k}由于p \nmid c_0,b_kp \mid b_{k-1},b_{k-2},...b_0p\nmid a_kk\leq s < n故与已知条件矛盾

典型例题

f(x)=a_nx^n+a{n-1}x^{n-1}+...+a_1x+a_0是一个整系数多项式,并且存在素数p使得p \mid a_0,p\mid a_1,...,p\mid a_{r-1},p\nmid a_n,p^2\nmid a_0,则f(x)有一个次数大于等于r且在有理数域上不可约的因式。

一个经典命题

命题1.2设f(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+...+a_1x+a_0,g(x)=a_0x^n+a_1x^{n-1}+...+a_{n-1}x+a_n其中a_0a_n\not= 0,则f(x),g(x)可约性相同
推论:推广的爱森斯坦判别法,只需满足一个就可知道另一个也是否可约

不可约因式与反证法

利用这二者为强大工具,可以进行一系列证明。

例1.已知(f(x),g(x))=1,(f(x),h(x)=1),则(f(x),g(x)h(x))=1
证明:假设(f(x),g(x)h(x))=d(x),d(x)\not=1,则取d(x)的不可约因式p(x)p(x)\mid f(x),p(x)\mid g(x)h(x),又p(x)不可约,故p(x)\mid g(x)g(x)\mid h(x),就会得到p(x)=(f(x),g(x))p(x)=(f(x),h(x)),不管哪种情况,都与之前的已知矛盾。

例2.已知f(x),g(x)是两个多项式,证明:对任意正整数n,都有(f(x),g(x))^n=(f^n(x),g^n(x))

例3.已知f(x),g(x)是两个多项式,且(f(x),g(x)=d(x)),证明:对任意正整数n有(f^n(x),f^{n-1}(x)g(x),...,f(x)g^{n-1}(x),g^n(x))=d^n(x)

整除问题

首先,引入一个命题,课本上作为习题出现,对于一下题目的证明起到相当粗暴有效的作用。

命题.已知m,n是正整数,则(m,n)=d \Leftarrow \Rightarrow (x^m-1,x^n-1)=x^d-1
证明:\Rightarrow :显然有x^d-1\mid (x^m-1,x^n-1),又假设x_0满足x_0^m=1,x_0^n=1,由(m,n)=d知存在u,v,s.t.mu+vn=d那么x_0^{mu+vn}=x_0^d=1

例.设f(x)=1+x^2+x^4+...x^{2n},g(x)=1+x^4+x^8+...+x^{4n},证明f(x)\mid g(x)充要条件是n为偶数

一类特殊的问题

例.已知a_1,a_2,...a_n是互异的整数,证明:
(1)f(x)=(x-a_1)(x-a_2)...(x-a_n)-1在有理数域上不可约
(2)n是奇数时,g(x)=(x-a_1)(x-a_2)...(x-a_n)+1在有理数域上不可约
(3)^*n是偶数时比较繁琐:可以证明n=2或4时,g(x)=(x-a_1)(x-a_2)...(x-a_n)+1在有理数域上可能可约,但n\geq 6时,g(x)在有理数域上一定不可约(证明过程参见丘维声高等代数教材)
(4)h(x)=(x-a_1)^2(x-a_2)^2...(x-a_n)^2+1在有理数域上不可约

提示:不妨假设可约f(x)=g(x)h(x),(1),(2)中将a_i带入后,可分别得到g(a_i)-h(a_i)=0g(a_i)+h(a_i)=0进一步可得到矛盾,(4)中则利用h(x)\geq 1推导出不可能出现分解式一会儿正,一会儿负的情况,否则由于多项式连续,介值定理知h(x)必存在零点,矛盾,故分解式恒正或恒负,接下来工作就较为简单了。

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