代数 736 字 约 2 分钟 2 图

证明多项式不可约

解答学生问的一道题,之前在26道多项式问题中已整理过此题。

证明多项式不可约

设$p$为素数.求证:$f(x)=x^{p-1}+2x^{p-2}+\cdots+p$在有理数域上不可约.

证明以下两个引理:

若多项式$f(x)=a_{n}x^{n}+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_{0}$的所有系数均为正实数.则$f(x)$的所有复根$z$均满足$|z|\ge \min\limits_{1\le k\le n}\dfrac{a_{k-1}}{a_{k}}$.

若不然,设$m=\min\limits_{1\le k\le n}\dfrac{a_{k-1}}{a_{k}}$,则存在某个$f(x)$的复根$z$满足:对任意$1\le k\le n$,都有$|z|<m$.由$f(z)=0$知:$(z-m)f(z)=0$,即$$a_{n}z^{n+1}+(a_{n-1}-ma_{n})z^{n}+\cdots+(a_{0}-ma_{1})z-ma_{0}=0$$于是$$\begin{aligned}|ma_{0}|=&|a_{n}z^{n+1}+(a_{n-1}-ma_{n})z^{n}+\cdots+(a_{0}-ma_{1})z|\\\le&a_{n}|z^{n+1}|+(a_{n-1}-ma_{n})|z^{n}|+\cdots+(a_{0}-ma_{1})|z|\\<&a_{n}m^{n+1}+(a_{n-1}-ma_{n})m^{n}+\cdots+(a_{0}-ma_{1})m\\=&ma_{0}\end{aligned}$$矛盾,于是引理1证毕.

$f(x)$为首一的整系数多项式,若$f(x)$的所有复根模长均大于$1$,且$|f(0)|$为素数,则$f(x)$在有理数域上不可约.

由高斯引理,只需证$f(x)$在整数域上不可约.
若不然,设$f(x)=g(x)h(x)$,其中$g(x),h(x)$均为整系数多项式.
由$|f(0)|=|g(0)|\cdot |h(0)|$为素数,可不妨设$|g(0)|=1$.
设$g(x)$的所有复根为$z_{1},z_{2},\cdots,z_{k}$,由韦达定理:$$|g(0)|=|z_{1}z_{2}\cdots z_{k}|=|z_{1}|\cdots|z_{k}|>1$$矛盾,于是$f(x)$在有理数域上不可约,引理2证毕.

回到原题,对$f(x)=x^{p-1}+2x^{p-2}+\cdot+p$,由引理1知,$f(x)$的所有复根$z$均满足$$|z|\ge\min\limits_{1\le k\le p-1}\dfrac{p+1-k}{p-k}=\dfrac{p}{p-1}>1$$又$|f(0)=p$为素数,由引理2知$f(x)$在有理数域上不可约,证毕.

查看本文 LaTeX 源码
\section*{证明多项式不可约}设$p$为素数.求证:$f(x)=x^{p-1}+2x^{p-2}+\cdots+p$在有理数域上不可约.\begin{proof}证明以下两个引理:\begin{lemma}若多项式$f(x)=a_{n}x^{n}+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_{0}$的所有系数均为正实数.则$f(x)$的所有复根$z$均满足$|z|\ge \min\limits_{1\le k\le n}\dfrac{a_{k-1}}{a_{k}}$.\end{lemma}\begin{proof}若不然,设$m=\min\limits_{1\le k\le n}\dfrac{a_{k-1}}{a_{k}}$,则存在某个$f(x)$的复根$z$满足:对任意$1\le k\le n$,都有$|z|<m$.由$f(z)=0$知:$(z-m)f(z)=0$,即$$a_{n}z^{n+1}+(a_{n-1}-ma_{n})z^{n}+\cdots+(a_{0}-ma_{1})z-ma_{0}=0$$于是$$\begin{aligned}|ma_{0}|=&|a_{n}z^{n+1}+(a_{n-1}-ma_{n})z^{n}+\cdots+(a_{0}-ma_{1})z|\\\le&a_{n}|z^{n+1}|+(a_{n-1}-ma_{n})|z^{n}|+\cdots+(a_{0}-ma_{1})|z|\\<&a_{n}m^{n+1}+(a_{n-1}-ma_{n})m^{n}+\cdots+(a_{0}-ma_{1})m\\=&ma_{0}\end{aligned}$$矛盾,于是引理1证毕.\end{proof}\newpage\begin{lemma}$f(x)$为首一的整系数多项式,若$f(x)$的所有复根模长均大于$1$,且$|f(0)|$为素数,则$f(x)$在有理数域上不可约.\end{lemma}\begin{proof}由高斯引理,只需证$f(x)$在整数域上不可约.\\若不然,设$f(x)=g(x)h(x)$,其中$g(x),h(x)$均为整系数多项式.\\由$|f(0)|=|g(0)|\cdot |h(0)|$为素数,可不妨设$|g(0)|=1$.\\设$g(x)$的所有复根为$z_{1},z_{2},\cdots,z_{k}$,由韦达定理:$$|g(0)|=|z_{1}z_{2}\cdots z_{k}|=|z_{1}|\cdots|z_{k}|>1$$矛盾,于是$f(x)$在有理数域上不可约,引理2证毕.\end{proof}回到原题,对$f(x)=x^{p-1}+2x^{p-2}+\cdot+p$,由引理1知,$f(x)$的所有复根$z$均满足$$|z|\ge\min\limits_{1\le k\le p-1}\dfrac{p+1-k}{p-k}=\dfrac{p}{p-1}>1$$又$|f(0)=p$为素数,由引理2知$f(x)$在有理数域上不可约,证毕.\end{proof}

留言

解法、疑问、勘误都可以说。公式用 LaTeX:行内 $…$,整行 $$…$$。

留言区还没开。想聊这道题,可以点上面的「在公众号查看原文」,到公众号那边留言。