形式陈述
先把系数中的公共部分取出来
在整数多项式 理路 多项式环 Polynomial ring 系数来自给定环、以形式不定元构造的多项式集合。 6 x 2 + 15 x + 9 中,每项都带有因子 3 。先写成 3 ( 2 x 2 + 5 x + 3 ) ,就把两种分解任务分开了:分解整数 3 ,以及分解系数不再有公因子的多项式。Gauss 引理说明,这一步不是单纯整理格式;它能控制从整数系数放宽到有理系数时会不会出现新因子。
设 R 是唯一分解整环 理路 唯一分解整环 Unique factorization domain · UFD 每个非零非单位元素都能唯一地分解为不可约元乘积的整环。 ,K 是其分式域,即由 R 中元素的分式组成的域。非零 f ∈ R [ x ] 的内容 c ( f ) 是全部系数的最大公因子;它只确定到单位倍。写
f = c ( f ) f 0 , 则 f 0 的系数没有非单位公因子,称为本原多项式 。在 Z [ x ] 中通常令内容为正数,于是本原恰指系数的 gcd 为 1 。本页只对非零多项式谈本原性;若另约定 c ( 0 ) = 0 ,内容乘法公式也能包括零输入。
直觉
核心结论及其证明
Gauss 引理。 两个本原多项式的乘积仍本原。因此,对非零 f , g ∈ R [ x ] ,
c ( f g ) ∼ c ( f ) c ( g ) , 其中 ∼ 表示相差一个单位。进一步,正次数本原多项式 f 在 R [ x ] 中不可约,当且仅当它在 K [ x ] 中不可约。
先证乘积本原。假设本原 f 0 , g 0 的乘积有非单位系数公因子。在 UFD 中,这个公因子有一个不可约因子 p ,而不可约元也是素元 理路 素元 Prime element 整除乘积时必整除至少一个因子的非零非单位元素。 。把每个系数约化到商环 理路 商环 Quotient ring 按理想的陪集构造的环。 R / ( p ) 后,便有
f 0 ― g 0 ― = 0. p 为素元保证 R / ( p ) 是整环,整环上的多项式环也没有零因子。因此至少一个约化多项式为零,即 p 整除原来那个多项式的每个系数。这与本原性矛盾。
把一般 f , g 分别写成 c ( f ) f 0 , c ( g ) g 0 ,刚证出的本原性说明 f 0 g 0 不会再产生一个公共系数因子。故乘积的内容正是 c ( f ) c ( g ) ,只需容许单位的选择不同。
接着处理分母。每个非零 u ∈ K [ x ] 都可写成 a u 0 ,其中 a ∈ K × 、u 0 ∈ R [ x ] 本原:先乘系数分母的公倍数,再提出内容。若本原 f 在 K [ x ] 中分解为两个正次数因子,便得到
f = a b u 0 v 0 . 这里 u 0 v 0 本原。将 a b = s / t 约分,使 s , t ∈ R 没有共同不可约因子。由 t f = s u 0 v 0 可知:t 的每个素因子都必须整除 u 0 v 0 的所有系数,否则它不能从右边消去。于是 t 只能是单位,a b ∈ R 。若 a b 仍有非单位因子,它又会整除 f 的所有系数;所以 a b 实际上是 R 的单位。把它吸收到一个因子中,就得到 R [ x ] 内的正次数分解。
对非本原的非零多项式,先提出内容,对本原部分应用刚才的论证,再把内容吸收回一个因子。因此,一般整数多项式只要存在两个正次数有理因子,也存在两个正次数整数因子;这并不声称两个环的单位相同。
反方向更直接:R [ x ] 中的正次数分解也是 K [ x ] 中的分解;而本原多项式不可能带有非单位常数因子。这两点合在一起,才得到两个环中“不可约”的等价。
例子与边界
从分式因子恢复整数因子
考虑
f ( x ) = 2 x 2 + 5 x + 3 = ( x + 3 2 ) ( 2 x + 2 ) . 第一个有理因子写成 1 2 ( 2 x + 3 ) ,第二个写成 2 ( x + 1 ) ;两个本原部分是 2 x + 3 与 x + 1 ,标量相乘为 1 。所以
f = ( 2 x + 3 ) ( x + 1 ) , 6 x 2 + 15 x + 9 = 3 ( 2 x + 3 ) ( x + 1 ) . 分母并没有创造一种整数中无法表达的分解;它只是把标量暂时分配到了不同因子上。乘回检查得到 2 x 2 + ( 2 + 3 ) x + 3 ,系数和内容都与原式一致。
这个机制还给出常用的首一推论:若 f ∈ Z [ x ] 首一,则它在 Q [ x ] 中的首一因子仍属于 Z [ x ] 。上述过程给出整数因子 u , v ;首项系数满足 lc ( u ) lc ( v ) = 1 ,所以它们都是 ± 1 。调整符号后就是原先指定的首一因子。
三个不能混用的概念
本原不等于不可约。x 2 − 1 的内容为 1 ,却等于 ( x − 1 ) ( x + 1 ) 。本原只排除了常数公因子 ,不排除正次数因子。
本原性也不能从不可约等价中删掉。2 x + 2 = 2 ( x + 1 ) 在 Z [ x ] 中可约,因为两因子都不是单位;在 Q [ x ] 中,2 已可逆,而一次多项式不可约。比较两个环时,单位的范围变了。
在一般 UFD 中,“系数 gcd 为 1 ”也不等于“系数能线性组合成 1 ”。例如在 R = F [ s , t ] 中,s x + t ∈ R [ x ] 本原,但系数生成的理想 ( s , t ) 不含 1 :把 s = t = 0 代入即可看出。这解释了证明为何使用逐个素元约化,而没有假设系数存在 Bézout 表示。
推论与应用
这条引理接到哪里
Eisenstein 判据 理路 Eisenstein 不可约判据 Eisenstein criterion · Eisenstein's irreducibility criterion · 艾森斯坦判据 用一个素数对各系数及常数项平方整除的约束,排除有理系数中的所有正次数因式分解。 与模素数约化判据 理路 模素数约化的不可约证书 Irreducibility by reduction modulo a prime · Reduction mod p irreducibility test 在首项不消失的前提下,把有限域上的不可约证明提升为有理系数多项式的不可约证书,并说明无根检查与约化失败的边界。 都会先用这里的结论,把可能的有理分解还原成整数分解,再用素数找矛盾。它们不需要重新证明 UFD 的一般结构。
算法中的内容分离已有另一项职责:子结式多项式余式序列 理路 子结式多项式余式序列 Subresultant polynomial remainder sequence · Subresultant PRS 以伪除法和可精确消去的首项因子计算多项式 GCD,同时抑制整系数中间膨胀。 先控制整系数膨胀,再把输入内容的 gcd 乘回。这里证明的是内容为何有乘法性,不替代那套 GCD 算法。名称中的 Gauss 也应带上“多项式”;它与测地线 理路 测地线 Geodesic 由平行速度和固定端点能量的一阶变分刻画测地线,区分仿射参数、长度驻定与全局最短,并为 Jacobi 第二变分构造精确固定端点的变分。 中的 Gauss 引理是不同命题。
自测:首一与本原能同时要求吗
把 x / 2 + 1 / 3 乘一个非零有理数,能否同时得到首一且本原的整数多项式?不能。清分母并去内容得到 3 x + 2 ,它本原却不首一;若要求首一,就只能乘 2 ,得到 x + 2 / 3 ,又不是整数多项式。Gauss 引理允许控制内容,不保证每个有理多项式都有首一整数代表。
参考资料