Лемма Гаусса (полином) - Gausss lemma (polynomial)
В алгебра, Лемма Гаусса,[1] названный в честь Карл Фридрих Гаусс, это заявление о многочлены над целые числа, или, в более общем смысле, более уникальная область факторизации (это звенеть который имеет уникальное свойство факторизации, подобное основная теорема арифметики ). Лемма Гаусса лежит в основе всей теории факторизация и наибольшие общие делители таких многочленов.
Лемма Гаусса утверждает, что произведение двух примитивные полиномы примитивен (многочлен с целыми коэффициентами примитивный если он имеет 1 в качестве наибольшего общего делителя его коэффициентов).
Следствие леммы Гаусса, иногда также называемое Лемма Гаусса, состоит в том, что примитивный многочлен несводимый над целыми числами тогда и только тогда, когда оно неприводимо над рациональное число. В более общем смысле, примитивный многочлен имеет одинаковую полную факторизацию по целым и рациональным числам. В случае коэффициентов в единственной области факторизации р, "рациональные числа" необходимо заменить на "поле дробей из р". Это означает, что если р является либо поле, кольцо целых чисел или уникальная область факторизации, то каждый кольцо многочленов (в одном или нескольких индетерминатах) более р это уникальная область факторизации. Другое следствие состоит в том, что факторизация и вычисление наибольшего общего делителя многочленов с целыми числами или рациональными коэффициентами могут быть сведены к аналогичным вычислениям над целыми числами и примитивными многочленами. Это систематически используется (явно или неявно) во всех реализованных алгоритмах (см. Наибольший общий делитель полинома и Факторизация многочленов ).
Лемма Гаусса и все ее следствия, не предполагающие существования полной факторизации, остаются верными для любого GCD домен (ан область целостности над которыми существуют наибольшие общие делители). В частности, кольцо многочленов над областью НОД также является областью НОД. Если позвонить примитивный многочлен такой, что коэффициенты порождают единица идеальная, Лемма Гаусса верна на всех коммутативное кольцо.[2] Однако следует соблюдать осторожность при использовании этого определения примитивный, as, по уникальной области факторизации, которая не является главная идеальная область, есть многочлены, которые примитивны в указанном выше смысле и не примитивны в этом новом смысле.
Лемма о целых числах
Если - многочлен с целыми коэффициентами, то называется примитивный если наибольший общий делитель всех коэффициентов равно 1; другими словами, нет простое число делит все коэффициенты.
Лемма Гаусса (примитивность) — Если п и Q примитивные полиномы над целыми числами, то произведение PQ тоже примитивен.
Доказательство: Ясно продукт ж(Икс).грамм(Икс) двух примитивных многочленов имеет целые коэффициенты. Следовательно, если он не примитивен, должно быть простое число п который является общим делителем всех его коэффициентов. Но п не может разделить все коэффициенты ни ж(Икс) или же грамм(Икс) (иначе они не были бы примитивными). Позволять арИкср быть первым сроком ж(Икс) не делится на п и разреши бsИксs быть первым сроком грамм(Икс) не делится на п. Теперь рассмотрим термин Иксг + с в продукте. Его коэффициент должен иметь вид:
Первый член не делится на п (потому что п простое число), а все остальные простые, поэтому вся сумма не может делиться на п. По предположению все коэффициенты в произведении делятся на п, что приводит к противоречию. Следовательно, коэффициенты произведения не могут иметь общего делителя и поэтому являются примитивными.
Лемма Гаусса (неприводимость) — Непостоянный многочлен от Z[Икс] неприводима в Z[Икс] тогда и только тогда, когда они оба неприводимы в Q[Икс] и примитив в Z[Икс].
Доказательство для более общего случая приводится ниже. Отметим, что неприводимый элемент Z (простое число) по-прежнему неприводимо, если рассматривать его как постоянный многочлен от Z[Икс]; это объясняет необходимость использования «непостоянства» в заявлении.
Утверждения для уникальных доменов факторизации
Лемма Гаусса верна в более общем случае над произвольными уникальные домены факторизации. Там содержание c(п) полинома п можно определить как наибольший общий делитель коэффициентов п (как и gcd, содержимое на самом деле представляет собой набор ассоциировать элементы ). Полином п с коэффициентами в UFD называется примитивный если единственные элементы р которые делят все коэффициенты п сразу являются обратимыми элементами р; т.е. gcd коэффициентов равен единице.
Заявление о примитивности: Если р является УФД, то множество примитивных многочленов от р[Икс] замкнуто относительно умножения. В более общем смысле, содержание продукта многочленов - произведение их содержания.
Заявление о несводимости: Позволять р быть уникальной областью факторизации и F это поле дробей. Непостоянный многочлен в неприводимо в тогда и только тогда, когда они оба неприводимы в и примитивный в .
(Доказательства см. # Общая версия ниже.)
Позволять - уникальная факторизационная область с полем дробей . Если является полиномом над , то для некоторых , имеет коэффициенты в итак, за вычетом gcd коэффициентов можно записать: для некоторого примитивного полинома . Как можно проверить, этот многочлен уникален с точностью до умножения на единичный элемент и называется примитивная часть (или же примитивный представитель) из и обозначается . Процедура совместима с продуктом: .
Конструкцию можно использовать для отображения инструкции:
- Кольцо полиномов над UFD - это UFD.
Действительно, по индукции достаточно показать УрФО, когда это УФО. Позволять ненулевой многочлен. Сейчас же, является единственной областью факторизации (поскольку это область главных идеалов) и, следовательно, как многочлен от , можно разложить на множители как:
куда неприводимые многочлены от . Теперь мы пишем для gcd коэффициентов (и это примитивная часть), а затем:
Сейчас же, является произведением простых элементов (поскольку является УФД) и простым элементом является основным элементом , так как является областью целостности. Следовательно, допускает разложение на простые множители (или единственное разложение на неприводимые). Затем заметьте, что является единственной факторизацией на неприводимые элементы , поскольку (1) каждый неприводимо по утверждению о неприводимости и (2) единственно, поскольку факторизация также можно рассматривать как факторизацию в и факторизация там уникальна. С однозначно определяются , с точностью до единичных элементов, указанная выше факторизация является единственной факторизацией на неприводимые элементы.
Условие, что "р является единственной областью факторизации "не является лишним, поскольку из нее следует, что каждый неприводимый элемент этого кольца также является главный элемент, что, в свою очередь, означает, что каждый ненулевой элемент р имеет не более одной факторизации в продукт неприводимых элементов и единицу до упорядоченных и ассоциированных отношений. В кольце, где факторизация не уникальна, скажем, па = qb с п и q неприводимые элементы, которые не разделяют ни один из факторов с другой стороны, продукт (п + qX)(а + qX) = па + (п+а)qX + q2Икс2 = q(б + (п+а)Икс + qX2) показывает несостоятельность утверждения о примитивности. В качестве конкретного примера можно взять р = Z[я√5], п = 1 + я√5, а = 1 - я√5, q = 2, б = 3. В этом примере многочлен 3 + 2X + 2X2 (получено делением правой части на q = 2) дает пример отказа утверждения о неприводимости (оно неприводимо над р, но приводимая над своим полем дробей Q[я√5]). Другой хорошо известный пример - полином Икс2 − Икс − 1, корнями которых являются Золотое сечение φ = (1 + √5)/2 и его сопряженный (1 − √5)/2 показывая, что он приводим над полем Q[√5], хотя она неприводима по не-УФО Z[√5] у которого есть Q[√5] как поле дробей. В последнем примере кольцо можно превратить в UFD, взяв его целостное закрытие Z[φ] в Q[√5] (кольцо целых чисел Дирихле), над которым Икс2 − Икс − 1 становится приводимым, но в предыдущем примере р уже полностью закрыто.
Общая версия
Позволять коммутативное кольцо. Если является многочленом от , то пишем для идеала порождается всеми коэффициентами при ; это называется содержанием . Обратите внимание, что для каждого . Следующее предложение утверждает более существенное свойство.
Предложение[3] — Для каждой пары многочленов в ,
куда обозначает радикал идеала. Более того, если является доменом GCD (например, уникальным доменом факторизации), то
куда обозначает единственный минимальный главный идеал, содержащий конечно порожденный идеал .[примечание 1]
Полином как говорят примитивный если это идеальная единица.[4] Когда (или в более общем смысле Безу домен ), это согласуется с обычным определением примитивного многочлена. (Но если является только UFD, это определение несовместимо с определением примитивности в # Заявления для уникальных доменов факторизации.)
Следствие[2] — Два полинома примитивны тогда и только тогда, когда продукт примитивен.
Доказательство: Это легко использовать факт[5] который подразумевает
Следствие[6] — Предполагать является областью НОД (например, уникальной областью факторизации) с полем дробей . Тогда непостоянный многочлен в неприводимо тогда и только тогда, когда оно неприводимо в и НОД коэффициентов при равно 1.
Доказательство: () Прежде всего отметим, что НОД коэффициентов равно 1, поскольку в противном случае мы можем вынести некоторый элемент из коэффициентов написать , что противоречит несводимости . Далее предположим для некоторых непостоянных многочленов в . Тогда для некоторых , многочлен имеет коэффициенты в и поэтому, вычленив НОД коэффициентов запишем . Сделайте то же самое для и мы можем написать для некоторых . Теперь позвольте для некоторых . потом . Отсюда, используя предложение, получаем:
- .
То есть, разделяет . Таким образом, а затем факторизация составляет противоречие с несводимостью .
() Если неприводимо над , то либо оно неприводимо над или он содержит в качестве множителя постоянный многочлен, вторая возможность исключена предположением.
Доказательство предложения: Четко, . Если простой идеал, содержащий , тогда по модулю . С является кольцом многочленов над областью целостности и, следовательно, является областью целостности, это влечет либо или же по модулю . Следовательно, либо или же содержится в . С является пересечением всех простых идеалов, содержащих и выбор был произвольным, .
Теперь докажем часть «более того». Вынося за скобки НОД из коэффициентов, мы можем написать и где НОД коэффициентов оба равны 1. Ясно, что достаточно доказать утверждение, когда заменены на ; таким образом, мы предполагаем, что НОД коэффициентов равны 1. Остальная часть доказательства проста и прозрачна, если - уникальная область факторизации; таким образом, мы приводим здесь доказательство в этом случае (см. [заметка 2] для доказательства для случая НОД). Если , то доказывать нечего. Итак, предположим иначе; то есть неединичный элемент, делящий коэффициенты . Факторизуя этот элемент в произведении простых элементов, мы можем принять этот элемент как простой элемент. . Теперь у нас есть:
- .
Таким образом, либо содержит или же ; что противоречит НОД коэффициентов при оба 1.
- Замечание: В области НОД (например, в области уникальной факторизации) НОД всех коэффициентов многочлена , уникальный с точностью до единичных элементов, также называется содержимым .
Приложения
Из леммы Гаусса следует, что для каждого уникальная область факторизации , кольцо многочленов также является уникальной областью факторизации (см. # Заявления для уникальных доменов факторизации ). Лемму Гаусса можно также использовать, чтобы показать Критерий неприводимости Эйзенштейна. Наконец, его можно использовать, чтобы показать, что циклотомические многочлены (унитарные единицы с целыми коэффициентами) неприводимы.
Из леммы Гаусса следует следующее утверждение:
- Если - монический многочлен от одной переменной с коэффициентами в единственной области факторизации (или, в более общем смысле, домен GCD), затем корень то есть в поле дробей из в .[заметка 3]
Если , то он говорит, что рациональный корень монического многочлена по целым числам является целым числом (см. теорема о рациональном корне ). Чтобы увидеть заявление, позвольте быть корнем в и предполагать относительно просты. В , мы можем написать с для некоторых . потом
- ,
это факторизация в . Но примитивен (в смысле UFD) и, следовательно, делит коэффициенты при по лемме Гаусса, поэтому
- ,
с в . С моник, это возможно только когда это единица.
Аналогичный аргумент показывает:
- Позволять - НОД с полем дробей и . Если для некоторого полинома это примитивно в смысле UFD и , тогда .
Из утверждения о неприводимости также следует, что минимальный многочлен над рациональными числами алгебраическое целое число имеет целые коэффициенты.
Примечания и ссылки
- ^ Генератор главного идеала - это НОД некоторых образующих я (и существует, потому что является доменом GCD).
- ^ Доказательство для случая НОД: Доказательство здесь взято из Мины, р .; Richman, F .; Руйтенбург, В. (1988). Курс конструктивной алгебры. Universitext. Springer-Verlag. ISBN 0-387-96640-4. Нам понадобится следующая простая лемма о НОД:
- Если , тогда .
- .
- ^ Другими словами, он говорит, что уникальная область факторизации целиком закрытый.
- ^ Статья 42 Карл Фридрих Гаусс с Disquisitiones Arithmeticae (1801)
- ^ а б Атья и Макдональд, Гл. 1., упражнение 2. (iv) и упражнение 3.
- ^ Эйзенбуд, Упражнение 3.4. (а)
- ^ Атья и Макдональд, Гл. 1., упражнение 2. (iv )
- ^ Атья и Макдональд, Гл. 1., упражнение 1.13.
- ^ Эйзенбуд, Exercise 3.4.c; Случай, когда р это УФО.
- Атья, Майкл Фрэнсис; Макдональд, И. (1969), Введение в коммутативную алгебру, Westview Press, ISBN 978-0-201-40751-8
- Эйзенбуд, Дэвид (1995), Коммутативная алгебра, Тексты для выпускников по математике, 150, Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag, Дои:10.1007/978-1-4612-5350-1, ISBN 978-0-387-94268-1, МИСТЕР 1322960, ISBN 978-0-387-94269-8