形式陈述
把无限种有理因子压到有限个检查
有理数有无限多个,直接猜测一个四次多项式的有理系数因子很难穷尽。模素数的做法先把所有整数系数变成 中的余数。这个简化可能丢失信息,但有一种结论能安全搬回:只要次数没有下降,约化后不可约就能排除原来的分解。
记 。素数 保证每个非零余数可逆,因此它是域理路有限域Finite field · Galois field底层集合有限的域。。对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。 ,逐系数取模理路模同余Congruence modulo n两整数之差被给定正整数整除时成立的等价关系。得到 ;约化保持加法和乘法。
约化判据。 设 非常数、首项系数为 。若素数 ,并且 在 中不可约,则 在 中不可约理路不可约元Irreducible element非零非单位且不能分解为两个非单位乘积的整环元素。。若 还本原,则也在 中不可约。
这里可以先把内容提出再做检查。以 为目标时,本原性不是额外必要假设;例如 在模 后仍是一次不可约多项式,因此它在 中不可约,却不是 中的不可约元。
例子与边界
四次例子:无根之后还要查二次因子
令
模 后它不降次。在 的两个元素上,,所以没有一次因子。但是四次可约还可能是两个二次因子的乘积;只查点值不够。
中唯一的首一不可约二次多项式是 。理由是:首一二次若没有根,常数项必须为 ;在 处不为零又迫使一次项系数为 。其余首一二次都有一次因子。
用 ,依次得到 、,所以
因此唯一可能的不可约二次因子也不整除 。若四次式可约,至少有一个不可约因子次数不超过 ;两类都被排除,所以 不可约,进而 在 中不可约。证书只有三次检查:在 处的值,以及除以 的余数。
一般地,次数为 的域上多项式若可约,至少有一个不可约因子次数不超过 。在有限域中,可以枚举这些首一候选并做除法;这给出有限的验证过程,虽然不是大次数分解的高效算法。更高效的分解方法见Berlekamp 算法理路Berlekamp 多项式因式分解算法Berlekamp factorization algorithm · Berlekamp polynomial factorization计算有限域商代数的 Frobenius 不动子空间,并以 GCD 从中确定性分离不可约因子。。
“没有有理根”究竟排除了什么
若 有既约有理根 ,其中 、,把 分别对 和 考察整除,得到
例如第二条来自 ,而 与 互素;第一条同理。首一整数多项式的有理根因此必为整数。这种筛选只排除一次因子。
二次或三次多项式一旦可约,因子次数分拆必包含 ,所以“没有底域中的根”恰好等价于不可约。四次开始, 是新的可能。例如
没有有理根:任何根都满足 或 ,有理数平方的素因子指数都是偶数,不可能等于 或 。但右边已经给出两个正次数有理因子。这正是“四次无有理根即不可约”的反例。
约化可约,原式仍可能不可约
在 中不可约,却在模 后成为 。所以约化失败只意味着这一份证书没有成功,不意味着找到了原式的有理因子。
更强的局限出现在本单元的目标
它在有理域上不可约,证明见极小多项式中的根式例子理路极小多项式Minimal polynomial以给定代数元为根的首一不可约多项式。;但换遍所有素数都不能得到不可约约化。下面是一个可选的完整验证,也解释了为何这里应换用扩张次数证书。
先有三种恒等式:
对奇素数 , 在 中至少有一个是平方。如果 或 已是平方,无需解释;若二者都是非平方,则它们的乘积是平方。后一事实不用群论也能验证:每个非零平方有恰好两个平方根,所以非零平方占全部非零元素的一半。固定一个非平方 ,它乘每个非零平方都得到非平方,且这些结果互不相同,因而恰好得到全部非平方。另一个非平方必可写成 ,两者的乘积就是 。
若 是平方,第一行是平方差;若 是平方,第二行是平方差;若 是平方,第三行是平方差。它们分别分成两个二次多项式。剩下的素数也明确可约:模 为 ,模 为 。这并不与提升判据矛盾,因为判据从来没有声称反方向成立。