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定义Definition

极小多项式

Minimal polynomial

以给定代数元为根的首一不可约多项式。

形式陈述 ​

设 E/F 是域扩张,α∈E 是 F 上的代数元。求值同态

evα:F[x]→E,f↦f(α)

的核是非零主理想。其唯一首一生成元 mα,F(x) 称为 α 在 F 上的极小多项式。它在 F[x] 中是不可约元;任意满足 f(α)=0 的多项式都被 mα,F 整除。第一同构定理给出

F[α]≅F[x]/(mα,F),[F(α):F]=deg⁡mα,F.

第二个等式是简单代数扩张次数公式。极小多项式随基域改变;对超越元不存在非零极小多项式。

直觉

极小多项式给出 α 满足的最短多项式关系。若它的次数为 d,首一条件便让这个关系写成“αd 等于较低次幂的线性组合”;不断使用它,任意更高次幂都能降到 1,α,…,αd−1 的张成空间。极小性又保证这 d 个元素线性无关,所以它们构成 F[α] 的一组基。由于 mα,F 不可约,商环 F[x]/(mα,F) 是域,故 F[α]=F(α),这组基也就给出了扩张次数。

例子与边界

2 在 Q 上的极小多项式是 x2−2:它以 2 为根,而任何一次有理系数多项式的根都是有理数,因此次数不能更低。若把基域扩大到 Q(2),系数已经可以使用 2,极小多项式就降为 x−2。

多项式 x4−4=(x2−2)(x2+2) 也以 2 为根,但包含了多余因子。相反,2x2−4 已有最低次数,却与 x2−2 相差一个非零常数倍;“首一”用来消除这种不唯一性。一般地,找到一个以 α 为根的不可约多项式后,除以首项系数,就得到极小多项式。

取 α=2+3。由 α−1=3−2 可得

3=α+α−12,2=α−α−12,

所以 Q(α)=Q(2,3)。其中 3∉Q(2):若 3=a+b2,a,b∈Q,平方后比较 1,2 的系数,得到 a2+2b2=3 与 2ab=0;无论 a=0 还是 b=0,都要求一个有理数的平方等于 3/2 或 3,不可能成立。塔式公式因此给出扩张次数 2⋅2=4。

另一方面,α2=5+26,所以 (α2−5)2=24,整理得到

α4−10α2+1=0.

极小多项式整除这个四次首一多项式,而它的次数也等于扩张次数 4,所以二者相等。这个计算把两项任务分开完成了:消去根式给出一个多项式关系,扩张次数证明它已经最短。

推论与应用

保持 F 不动的域嵌入必须把 α 送到 mα,F 的一个根;反过来,每个根都确定一个 F(α) 到代数闭包的 F-嵌入。因此极小多项式的不同根描述了共轭与嵌入,其是否有重根则决定 α 的可分性。把全部根补入后,就得到这个多项式的分裂域。

与线性算子的极小多项式也有直接联系。把 F(α) 看作 F-向量空间,定义乘法算子 Tα(v)=αv,则 p(Tα) 就是乘以 p(α) 的算子,故它为零当且仅当 p(α)=0。所以这个乘法算子的极小多项式正是 mα,F。但一般线性算子的极小多项式未必不可约:例如在 Q 上,diag(1,2) 的极小多项式为 (x−1)(x−2)。域中代数元的不可约性不能直接搬给任意算子。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004,Ch. 13, minimal polynomials and simple algebraic extensions。
  • Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, 2011,Ch. 13, evaluation kernels and irreducible polynomials。
关系图谱22 个相邻概念 · 3 类关系

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