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数域与带余除法

多项式理论的根基是数域和带余除法。带余除法是整除理论、最大公因式、辗转相除法的起点。

数域​

定义​

设 PP 是复数集 C\mathbb{C} 的子集,包含 00 和 11。若 PP 对加、减、乘、除(除数不为零)封闭,则称 PP 为一个数域。

常见数域​

数域记号说明
有理数域Q\mathbb{Q}最小的数域
实数域R\mathbb{R}
复数域C\mathbb{C}最大的数域
二次域Q(d)\mathbb{Q}(\sqrt{d}){a+bd∣a,b∈Q}\{a+b\sqrt{d} \mid a,b\in\mathbb{Q}\}

任意数域都包含 Q\mathbb{Q}。因此 Q\mathbb{Q} 是"最小"的数域。

一元多项式​

定义​

数域 PP 上的一元多项式:

f(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0,ai∈Pf(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \cdots + a_1 x + a_0, \quad a_i \in P

若 an≠0a_n \neq 0,称 deg⁡f=n\deg f = n 为 ff 的次数,ana_n 为首项系数。

  • 首项系数为 11 时称为首一多项式
  • 零多项式不定义次数(或 deg⁡0=−∞\deg 0 = -\infty)
  • P[x]P[x] 表示 PP 上全体一元多项式构成的环

多项式环 P[x]P[x] 的性质​

P[x]P[x] 是一个整环(交换、含幺、无零因子):

deg⁡(fg)=deg⁡f+deg⁡g\deg(fg) = \deg f + \deg g

带余除法​

定理:设 f(x),g(x)∈P[x]f(x), g(x) \in P[x],g(x)≠0g(x) \neq 0。则存在唯一的 q(x),r(x)∈P[x]q(x), r(x) \in P[x],使 f(x)=g(x)q(x)+r(x)f(x) = g(x) q(x) + r(x) 其中 r(x)=0r(x) = 0 或 deg⁡r<deg⁡g\deg r < \deg g。

  • q(x)q(x) 称为商
  • r(x)r(x) 称为余式
  • r(x)=0r(x) = 0 时,称 g(x)g(x) 整除 f(x)f(x),记作 g(x)∣f(x)g(x) \mid f(x)

整除的基本性质​

  1. 传递性:f∣gf \mid g 且 g∣h⇒f∣hg \mid h \Rightarrow f \mid h
  2. 线性组合:f∣gf \mid g 且 f∣h⇒f∣(ug+vh)f \mid h \Rightarrow f \mid (ug + vh)
  3. 相伴:f∣gf \mid g 且 g∣f  ⟺  f=cgg \mid f \iff f = cg(c≠0c \neq 0 常数)
  4. 整除关系与数域扩大无关——在某数域可整除,在更大数域也可整除

综合除法​

对于 g(x)=x−ag(x) = x - a 的情形,带余除法可简化为综合除法(Horner法):

f(x)=(x−a)q(x)+f(a)f(x) = (x-a)q(x) + f(a)

特别地,f(a)=0  ⟺  (x−a)∣f(x)f(a) = 0 \iff (x-a) \mid f(x)(余数定理)。

最大公因式的引出​

带余除法自然引向辗转相除法求最大公因式,详见最大公因式与因式分解。