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定理Theorem

Newton 多边形与根的赋值

Newton polygon of a polynomial · 牛顿多边形 · Newton polygon valuation theorem

由系数赋值构造下凸折线,证明乘积的斜率并集规律,并据此认证可能根赋值和不可约性。

形式陈述 ​

固定素数 p,在 $\mathbb Q_p$ 上取非零多项式

f(X)=∑i=0naiXi,a0an≠0.

其 Newton 多边形是有限点 (i,vp(ai)) 的下凸折线:它连接最左点与最右点,位于所有系数点下方,并且各边从左到右的斜率递增。零系数赋值为 +∞,不画作有限点;同一直线上的连续小段合并为一条边。一条边的长度在本页一律指横向长度,即两个端点的次数差,不是欧氏线段长度。

对任意实数 t,定义

(1)wt(f)=mini(vp(ai)+it),ℓt(f)=minargmini(vp(ai)+it),rt(f)=maxargmini(vp(ai)+it).

这里 t 是支持直线的参数,不要求存在赋值等于 t 的基域元素。核心乘法定律是

(2)wt(fg)=wt(f)+wt(g),ℓt(fg)=ℓt(f)+ℓt(g),rt(fg)=rt(f)+rt(g).

因此乘积的每种斜率,其横向长度等于两个因子中该斜率的长度之和。换言之,若把每条边的斜率重复其整数长度次,乘积的列表恰为两个因子列表的并集;不是把两个折线在同一横坐标处相加。

由此得到两个不同层次的根结论。任一非零基域根 α∈Qp,其赋值必须是某条边斜率的负数。如果已经给定带有延拓 vp 的实值赋值的扩域 L,且 f 在 L 中分裂,那么斜率 s、长度 m 的边恰对应 m 个赋值为 −s 的根,按代数重数计。第二句话在已给赋值的分裂域中陈述;它不声称这些根都属于 Qp,本页也不把一般赋值延拓定理隐藏在证明里。

若常数项为零,先写 f=Xkh,其中 h(0)≠0,单独记下零根的重数 k,再对 h 应用以上结论。非零常数没有边,也没有根;零多项式不属于该接口。

直觉

设想 α 的赋值为 t。在求和 f(α) 中,第 i 项的赋值是 vp(ai)+it。若其中只有一个严格最小的值,该项就不可能被其余项抵消,因而 f(α)≠0。能成为根的 t,至少要让两个系数项在最低位置相遇。

把直线写成 y=−tx+c,最高仍不超过所有系数点的那一条恰有截距 c=wt(f)。当它只碰到一个顶点时,最低项唯一;当它沿着一条边时,最左和最右接触点相距 rt(f)−ℓt(f)。所以根赋值是边斜率的负数,长度则记录多少个一次因子能在这里贡献同样的赋值。

为什么最低系数不会在乘法中全部消失 ​

写 g=∑jbjXj,令 A=wt(f)、B=wt(g)。乘积的第 k 个系数为 ck=∑i+j=kaibj,故强三角不等式给出

(3)vp(ck)+kt≥A+B.

这个不等式还不够:若每个最低项都发生抵消,就可能永远取不到等号。为排除这种情形,选择 k=ℓt(f)+ℓt(g)。项 aℓt(f)bℓt(g) 的带权赋值正好为 A+B。任何另一组 i+j=k,必有 i<ℓt(f) 或 j<ℓt(g),因而至少一侧严格大于自己的最小值。于是选中的项是这一系数里唯一最低的项,无法抵消,式(3)在此取等号。

若 k<ℓt(f)+ℓt(g),每一对指标都至少有一侧低于相应最小达到指标,所以该系数严格高于 A+B。这同时证明式(2)的第一、第二行。改取两个最大达到指标,完全相同的端点论证得到第三行。这里没有假设系数符号一致,也没有假设乘积的每个中间系数都不抵消。

从支持线到全部边 ​

对固定 t,直线斜率为 −t。它接触一条边时,该边长度就是 rt−ℓt;只接触一个顶点时这个差为零。式(2)使这个差在乘法下相加,因此逐个 t 得到全部斜率的并集规律。

一次因子 X−α 的两个点是 (0,v(α)) 与 (1,0),唯一斜率为 −v(α)、长度一。若在已给赋值的域中写成 an∏j(X−αj),重复使用乘法定律即得带重数的根结论。常数 an 只把整张图上下平移,不改变斜率。

例子与边界

三次式中,只有一条边允许基域根 ​

在 p=3 时取

f=X3−X2−3X+30.

四个系数点依次为

(0,1),(1,1),(2,0),(3,0).

下边界连接 (0,1)→(2,0)→(3,0),斜率分别为 −1/2 和 0,长度分别为 2 和 1。点 (1,1) 在第一条边上方,不是顶点。

这意味着任何 Q3 根必须赋值为 0,因为非零基域元素的赋值只能是整数,不能是 1/2。然而“允许赋值为零”还不是存在证明。模3有 f¯=X2(X−1),余数1是简单根;Hensel 引理才提供该单位根。互素因子提升进一步恢复一次与二次因子,并确认二次因子在 Q3 上不可约。

对于已有延拓赋值的分裂域,另一条边表示两个赋值为 1/2 的根。这与完全分歧二次域中出现半整数赋值的现象一致;不能把“三个扩域根”改读成“三个三进数根”。

图中灰点不是顶点。蓝边的负斜率要求半整数根赋值,绿色水平边允许单位根;绿色根的存在仍由前面的简单根检验提供。

一条整数斜率边并不保证有根 ​

在 Q3 上,X2−1 与 X2+1 的多边形都是从 (0,0) 到 (2,0) 的水平边。前者有根 ±1,后者没有根:若平方为 −1,赋值先迫使这个数为单位,降模3后便要求某个非零平方等于2,矛盾。多边形记录赋值,不能恢复剩余单位的全部信息。

相反,X2−3 的唯一斜率为 −1/2,仅用基域赋值为整数便能排除所有 Q3 根。二次多项式因此不可约;在更高次数时,“没有根”通常不足以证明不可约,下面需要真正约束全部因子次数。

有限精度不能自动辨认所有系数 ​

若只知道某系数模 pN 为零,得到的是 vp(ai)≥N,并不知道它真为零。若其他已知顶点已经给出一条在该横坐标处严格低于 N 的下边界,这个下界足以证明未知点不会改变多边形;否则需要提高精度。

尤其不能把输入中显示的零截断无条件当成无限赋值。实际有限证书应列出每个顶点的精确赋值,以及其余系数高于相应支持线的可核下界。本页的整数算例则可直接求出非零系数的精确赋值。

推论与应用

单边斜率分母给出不可约证书 ​

假设 f 的多边形只有一条边,其斜率化为最简分数 a/b,其中 b>0。若 f=gh 且两个因子的常数项均非零,乘法定律迫使 g,h 的所有边也具有同一个斜率。设 deg⁡g=d,则它的端点高度差为

(4)vp(lc(g))−vp(g(0))=abd.

左边是整数,gcd(a,b)=1,所以 b∣d。这条整除约束对任意基域因子成立,无须先添入全部根。

特别地,若横向总长度为 n、两端高度差与 n 互素,则 b=n,不存在次数介于1与 n−1 的因子,f 在 Qp 上不可约。例如 X5+p2X+p2 的三个有限点是 (0,2),(1,2),(5,0),中间点高于连线,斜率为 −2/5,因此对每个素数 p 都得到五次不可约多项式。

互素条件有实际作用。(X2−p)2=X4−2pX2+p2 也只有一条斜率 −1/2 的边,但明显可约;它的每个二次因子次数确实都被分母2整除。单边本身不足以推出不可约。

有理斜率的有限构造 ​

对于给定精确赋值的系数,从左到右将非零点放入栈。每加入一个新点,若栈尾连续三点的前一段斜率大于或等于后一段,就删掉中点,再检查新的末尾三点。两段斜率用整数交叉相乘比较,无须浮点除法;等号时删点正好合并共线边。

为什么可删除?在上述斜率条件下,中点位于连接两端的直线上方或线上,不能成为严格下凸边界的顶点。每个点至多入栈、出栈一次,所以在赋值已经给定后需 O(n+1) 次精确整数比较和 O(n+1) 个槽位。提取系数赋值、表示有理数以及大整数交叉乘法的位成本另计。

最终交付的证书很短:顶点列表、约分后的斜率及长度、所有其他点在边上方的检查。若要进一步交付具体因子,则使用互素剩余块提升;若对象变成无限级数,则需要闭球零点界同时处理无限尾部,不能只把有限折线无限延长。

参考资料
  • Kiran S. Kedlaya,Notes for Math201A: Arithmetic of Local Fields,2010,§2,Proposition2.2、Lemma2.3,印刷pp.4–6:加权最小值、两端达到指标与乘积规律。原文横坐标为 −i;本页统一为 i,根赋值因此取边斜率的负数。
  • Andrew V. Sutherland,18.782 Lecture8,2013-10-01,§8.2 Theorem8.4、§8.3 Theorem8.8,pp.2–4:相容模层与真正根、简单根提升,用于三次式算例的存在性;不是本页多边形乘法定律的来源。
关系图谱17 个相邻概念 · 2 类关系

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