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最大公因式与因式分解

最大公因式​

定义​

设 f(x),g(x)∈P[x]f(x), g(x) \in P[x] 不全为零。若 d(x)d(x) 满足:

  1. d(x)d(x) 是 ff 和 gg 的公因式(d∣fd \mid f 且 d∣gd \mid g)
  2. ff 和 gg 的任意公因式都整除 d(x)d(x)

则称 d(x)d(x) 为 ff 与 gg 的一个最大公因式,记作 (f(x),g(x))(f(x), g(x))。

在相伴意义下(差一个非零常数倍),最大公因式是唯一的,习惯取首一的那个。

最大公因式的存在性:辗转相除法​

对不全为零的 f,gf, g(设 deg⁡f≥deg⁡g\deg f \geq \deg g),反复做带余除法:

f=gq1+r1,deg⁡r1<deg⁡gf = g q_1 + r_1, \quad \deg r_1 < \deg g

g=r1q2+r2,deg⁡r2<deg⁡r1g = r_1 q_2 + r_2, \quad \deg r_2 < \deg r_1

⋮\vdots

rk−2=rk−1qk+rk,deg⁡rk<deg⁡rk−1r_{k-2} = r_{k-1} q_k + r_k, \quad \deg r_k < \deg r_{k-1}

rk−1=rkqk+1+0r_{k-1} = r_k q_{k+1} + 0

则最后一个非零余式 rkr_k 就是 ff 与 gg 的最大公因式。

最大公因式的组合表示​

裴蜀等式:存在 u(x),v(x)∈P[x]u(x), v(x) \in P[x],使

(f(x),g(x))=u(x)f(x)+v(x)g(x)(f(x), g(x)) = u(x)f(x) + v(x)g(x)

互素​

若 (f,g)=1(f, g) = 1(即最大公因式为非零常数),则称 ff 与 gg 互素。

互素判定:ff 与 gg 互素   ⟺  \iff ∃u,v∈P[x]\exists u, v \in P[x] 使 uf+vg=1uf + vg = 1

重要性质:

  • 若 (f,g)=1(f, g) = 1 且 f∣ghf \mid gh,则 f∣hf \mid h
  • 若 (f,g)=1(f, g) = 1 且 (f,h)=1(f, h) = 1,则 (f,gh)=1(f, gh) = 1
  • 互素性也与数域扩大无关

不可约多项式​

定义​

设 p(x)∈P[x]p(x) \in P[x] 是非常数多项式。若 p(x)p(x) 不能写为两个次数更低的多项式的乘积,则称 p(x)p(x) 在 PP 上不可约。

注意:不可约性依赖于数域。例如 x2−2x^2 - 2 在 Q\mathbb{Q} 上不可约,但在 R\mathbb{R} 上可约。

不可约多项式的基本性质​

  1. 若 pp 不可约且 p∣fgp \mid fg,则 p∣fp \mid f 或 p∣gp \mid g
  2. 不可约多项式类似于整数中的"素数"

因式分解唯一性定理​

定理:P[x]P[x] 中每个次数 ≥1\geq 1 的多项式可唯一地分解为不可约多项式的乘积(不计顺序和常数因子)。

即:

f(x)=a⋅p1k1(x)⋅p2k2(x)⋯psks(x)f(x) = a \cdot p_1^{k_1}(x) \cdot p_2^{k_2}(x) \cdots p_s^{k_s}(x)

其中 aa 是 ff 的首项系数,pi(x)p_i(x) 是两两互素的不可约多项式。

这是代数基本定理的推广——P[x]P[x] 是唯一分解整环 (UFD)。

多项式函数与多项式根​

根(零点)​

a∈Pa \in P 是 f(x)f(x) 的根   ⟺  \iff f(a)=0f(a) = 0   ⟺  \iff (x−a)∣f(x)(x-a) \mid f(x)。

重数​

若 (x−a)k∣f(x)(x-a)^k \mid f(x) 而 (x−a)k+1∤f(x)(x-a)^{k+1} \nmid f(x),则称 aa 是 ff 的 kk 重根。

nn 次多项式最多有 nn 个根​

在任意数域中,非零的 nn 次多项式最多有 nn 个不同的根(计重数最多 nn 个)。