形式陈述
给定交换含幺环 公理库 交换环 Commutative ring 乘法满足交换律的环。 R ,一元多项式环 R [ x ] 可定义为取值于 R 的有限支撑序列 公理库 序列 Sequence 以自然数为定义域的函数。
( a 0 , a 1 , a 2 , … ) , 通常写作 f ( x ) = ∑ i = 0 n a i x i 。加法逐系数进行,乘法为 Cauchy 卷积:
( f g ) n = ∑ i + j = n a i b j . 符号 x 是形式不定元,不预先代表 R 中某个数。常数多项式给出含幺嵌入 R ↪ R [ x ] 。
在交换含幺环及保幺同态的范畴中,多项式环具有如下泛性质 公理库 泛性质 Universal property 在候选结构组成的范畴中以始对象或终对象刻画构造。 :给定保幺环同态 公理库 环同态 Ring homomorphism 保持加法与乘法的映射;保持单位元时称为保幺环同态。 φ : R → S 和 s ∈ S ,存在唯一的保幺环同态
ev φ , s : R [ x ] → S , ∑ i a i x i ⟼ ∑ i φ ( a i ) s i , 它在 R 上的限制为 φ ,并把 x 送到 s 。对于非交换的含幺目标环 S ,同一公式定义环同态的充要条件是 s φ ( a ) = φ ( a ) s 对所有 a ∈ R 成立;这正对应源环中的关系 x a = a x 。
直觉
多项式是只有有限多个非零项的系数表,形式幂 x i 标明第 i 个位置。相乘时,来自 a i x i 和 b j x j 的项进入第 i + j 个位置,所以同一次数的所有贡献必须相加;这正是卷积公式的来源。
求值是第二步:指定元素 s ,把每个 x i 替换为 s i 。多项式环先保留全部系数信息,所以当 R 非零时,x 2 与常数 1 是不同的元素。若要施加关系 x 2 = 1 ,可取商环 公理库 商环 Quotient ring 按理想的陪集构造的环。 R [ x ] / ( x 2 − 1 ) ;在商环里,x 2 的剩余类与 1 的剩余类相等。
例子与边界
在 Z [ x ] 中,( 1 + 2 x ) ( 3 + x ) = 3 + 7 x + 2 x 2 。中间系数 7 来自 1 ⋅ x 和 2 x ⋅ 3 两项相加,具体展示了卷积如何收集同次项。
在有限域 F p 上,形式多项式 x p − x 非零,却在每个域元素处取值为零。因此它与零多项式具有相同的求值函数,但系数表不同:x p 的系数分别为 1 和 0 。多项式相等要求系数逐项相等,求值映射则可以合并不同的多项式。
系数相乘为零时,乘积的最高次项可能消失。例如在 ( Z / 4 Z ) [ x ] 中,2 x 是一次非零多项式,却满足 ( 2 x ) 2 = 0 。整环中的次数相加规律正是由首项系数的乘积非零来保证的。
推论与应用
若 R 是整环,则 R [ x ] 也是整环,非零多项式满足 deg ( f g ) = deg f + deg g 。若 F 是域,则 F [ x ] 具有 Euclidean 除法结构;进一步引入非零多项式作为分母,得到有理函数域 公理库 有理函数 Rational function · 有理式 由两个多项式之商表示,并按交叉相乘关系识别相等表示的函数域元素。 F ( x ) 。其中 f / g 与 h / q 相等的条件是 f q = h g ,与整数分式约分的规则一致。
若要在多元商环中继续区分各个次数,需要分次环与齐次理想 公理库 分次环与齐次理想 Graded ring · Homogeneous ideal 通过二次关系逐层算维数,说明齐次理想何以允许商分次,并区分齐次局部化与零次比例环。 。关系 x z − y 2 保持次数,其商环第 m 层有 2 m + 1 个基元素;关系 x − 1 却把次数1与次数0识别,不能继承原分次。
在实数或复数上,次数至多 n 的多项式既可用系数表示,也可用 n + 1 个互异节点的取值表示。给定节点 x 0 , … , x n ,Lagrange 多项式
L i ( x ) = ∏ j ≠ i x − x j x i − x j 在第 i 个节点取 1 、其余节点取 0 ,因此 f ( x ) = ∑ i f ( x i ) L i ( x ) 。这给出多项式插值 公理库 多项式插值问题 Polynomial interpolation 由互异节点上的有限数据唯一确定次数受限的插值多项式,并区分对象存在性与具体表示算法。 的点值表示;差商与 Newton 形式 公理库 差商与 Newton 插值形式 Divided differences · Newton interpolation 用递归差商构造可增量扩展的 Newton 插值表示,并以嵌套乘法在线性时间求值。 则便于逐个加入节点。
节点差的可逆性在这里有实际作用:整数系数多项式满足 f ( 2 ) − f ( 0 ) 为偶数,所以不存在同时满足 f ( 0 ) = 0 、f ( 2 ) = 1 的 f ∈ Z [ x ] 。
求值同态还描述了代数元满足的全部多项式关系。若 α 代数于域 F ,则映射 F [ x ] → F [ α ] 的核由 α 的极小多项式 公理库 极小多项式 Minimal polynomial 以给定代数元为根的首一不可约多项式。 m 生成,从而 F [ x ] / ( m ) ≅ F [ α ] 。多项式环与商环由此把“添入一个根”变成明确的代数构造。
在多元多项式环 R [ x 1 , … , x n ] 中,还可要求交换变量的编号后多项式保持不变。对称多项式基本定理 公理库 对称多项式与 Newton 恒等式 Symmetric polynomial · Elementary symmetric polynomial · Newton identities · 基本对称多项式 · 牛顿恒等式 证明每个对称多项式唯一由基本对称式表示,并用 Newton 恒等式在根的幂和与首一多项式系数之间计算。 说明,这个子环恰由基本对称式 e 1 , … , e n 自由生成;证明逐项消去首单项式,不除以系数,因此对有零因子的非零交换环也成立。把变量看成一组根,就能把对称的根表达式转成首一多项式的系数计算。
Laurent 多项式也能保存拓扑计算:Jones 多项式的状态模型 公理库 Jones 多项式与 Kauffman 括号 Jones polynomial · Kauffman bracket 把两个平滑的状态和归一化为 Jones 多项式,逐项核验扭圈校正并完整求出三叶结的八状态和。 把每个交叉展开成两种平滑,并用 writhe 抵消小扭圈因子。另一类应用来自模素数因式分解:Dedekind 分解判据 公理库 Dedekind 素理想分解判据 Dedekind factorization theorem 在素数不整除幂基指数时,由模 p 多项式的重数与次数读取素理想分解;完整展示坏指数素数的误判与修正。 在素数不整除幂基指数时,把不可约因子次数与重数转成数域中素理想的剩余次数和分歧指数。
参考资料
David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004,§9.1。
Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, 2011,Ch. 12。
James McKernan, Modern Algebra: Polynomial Rings , MIT 18.703, 2013,第21讲:多项式求值和泛性质。