形式陈述
不用小数也能除以一个代数数
设 。乘法中出现 时,可以换成 ;但如何求 ?近似算出 的小数再做除法,只会得到近似值。这里把问题化为两条多项式恒等式,最后得到精确答案 。
本页的输入是域 、首一不可约多项式 ,以及以多项式表示的扩域元素。取商环理路商环Quotient ring按理想的陪集构造的环。
若 的四则运算与相等判断可执行,下述过程就是算法;对抽象域,它仍是正确的代数构造,但不能凭域公理声称已有程序实现。
先统一表示,再做运算
多项式带余除法给出唯一表达式 ,其中 ,或 。因此 。两个低次余式若表示同一元素,其差是 的倍数,却次数小于 ,只能为零。每个元素因而具有唯一坐标
这是极小多项式理路极小多项式Minimal polynomial以给定代数元为根的首一不可约多项式。所给幂基的计算版本。加法逐坐标进行,乘法先相乘再除以 取余;判断相等只需比较约简后的系数。约简须按同一个 进行,不可在运算中随意换成另一个以 为根、但次数更高的多项式。
求逆需要一个额外证书。给定 ,先取其模 的余式。余式为零时不能除;否则不可约性保证 。我们要实际找出 ,使
代入 后得到 。所以逆元就是 模 的余式;最后再乘回取余为 ,便能独立核验输出。
直觉
Euclid 为什么同时产出逆元
沿欧几里得整环理路欧几里得整环Euclidean domain带有允许带余除法并严格下降的欧几里得函数的整环。中的带余除法,从 出发反复除法:
非零余式的次数严格下降,所以有限步后停止。相邻两项的公因子与下一对相同,因此最后非零项是 gcd 的一个非零常数倍。
为了把它写回输入,给每项保留 。初值为
每次更新
这条关系由余式公式直接推出,所以每一步的表示都正确。如果末个非零余式为常数 ,把全部系数除以 ,得到 ,逆元取 。这里归一化不可漏掉:末项若是 ,原回代式只证明乘积为 ,还不是逆元。
例子与边界
一个完整的三次除法
取 、。它的有理根只能是 ,而两处取值都是 ,因此三次式不可约。令 ,做两轮除法:
第二式给 ;再用第一式中的 回代,得到
所以
乘回也可以不用信任 Euclid 的过程。展开
用 、 模 约简,结果恰为 。求逆与验逆是不同任务;验逆只需一次乘法和一次取余。
可约模多项式不会让所有元素失去逆元
若把不可约的 换成任意首一正次数多项式 ,唯一低次余式、加法和乘法仍然成立;但商环未必是域。此时 可逆的准确条件是
充分性仍由 Bézout 证书给出。必要性则来自:若 ,便有 ,任何公共因子都必须整除 。
例如在 中, 非零,却与同样非零的 相乘为零;其 gcd 为 ,不能求逆。另一方面, 是单位,因为 。因此检测到模多项式可约,意味着“不能保证每个非零元素可逆”,并不意味着每个非零元素都不可逆。
同一扩域中的逆元也不一定留在整数系数生成的子环中。在 内, 是 的逆元,但不属于 。本页运算的系数域是 ;不要将 与某个整系数子环混为一谈。
推论与应用
运算成本与一次迁移检查
把一次 中的加、减、乘、除计为一个域运算,且输入已经约简到次数小于 。朴素加法需要 个域运算;朴素乘法加上长除法取余需要 个域运算。Euclid 至多进行 轮非零余式下降,系数回代多项式的次数也不超过 ,因此按每轮至多 估算,得到保守的 求逆上界。这里没有声称这是最锐界。
这个计数把域运算当作原子操作。在 中,分子分母的位数会增长,真实位复杂度还需计入整数运算与约分成本;若原输入次数远大于 ,最开始的约简成本也要另算。
自测:在同一个可约商环 中, 能求逆吗?能,因为
故逆元为 。这里既展示了可约商环中的单位,也说明回代所得非零常数必须先归一化。
回到四次根式的运算证书
已知 的极小多项式为 ,则
因此 。原有根式恢复公式遂可以完全写成幂基坐标:
这些不是重新证明极小多项式;不可约性与次数已在原例理路极小多项式Minimal polynomial以给定代数元为根的首一不可约多项式。中完成。这里获得的是统一的算法接口:给定任意 ,都能用同一种 Euclid 过程求逆,而不必为每个分母单独猜一个根式共轭。
参考资料