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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。

条目类型
算法

形式陈述

D 为整环,A,BD[x]m=degAn=degBb=lc(B)。当 b 未必可逆时,伪除法在 D[x] 内构造 Q,R 使

bmn+1A=QB+R,degR<n.

R=prem(A,B) 称伪余式。一般多项式余式序列写成

R0=A,R1=B,αiRi1=QiRi+βiRi+1,

其中 degRi+1<degRi。若简单地反复取带符号伪余式,先前首项的高次幂会作为可预测公因子留在新系数中,造成 coefficient swell。

子结式 PRS 选择 αi 为伪除法所需的首项幂,并按相邻次数下降及先前首项递推 βi,使每次除以 βi 都在 D 中精确完成,所得非零 RiA,B 的相应子结式多项式相差至多一个约定的单位或符号。不同文献对余式负号和首项归一化的选择不同,因此实现应固定一套 Collins–Brown 递推,而不能混用两个表中的 βi。在 UFD 上,最后一个非零项取 primitive part 后与最大公因式相伴随。

算法以稠密系数向量做伪除、精确标量除法和内容规范化,并调用多项式乘法完成移位乘积。子结式的行列式解释给出系数大小界:序列保留真正由 Sylvester 子式决定的系数,而不是伪除过程中人为叠加的首项幂。

直觉

域上的 Euclidean 算法随时可以除以除数首项,把余式重新首一化;整数环上这样做会引入分数。伪除法用首项的幂提前乘被除式,把所有步骤留在整数中,但代价是把许多“清分母用”的因子一起带进下一轮。primitive PRS 每轮计算全部系数的内容再除掉,系数很小,却反复做昂贵的整数 GCD。

子结式 PRS 位于两者之间。Sylvester 矩阵的特定子式预言了哪些首项因子必然出现,于是算法只做由次数下降可知的精确除法,不必逐项猜测公因子。可以把它理解为给 Euclidean 余式链安装一套代数上证明正确的消肿规则:不改变商域中的 GCD,却让中间式保持在输入行列式所允许的尺度。

例子与边界

Z[x] 中取

A=2x2+3x+1,B=3x+1.

普通域除法的余式是 2/9。伪除法因 mn+1=2 先乘 32

9A=(6x+7)B+2.

于是 PRS 为 A,B,2,0,全程没有分数;primitive part 的最后非零常数为 1,说明 A,BQ[x] 中互素,而常数 2 还记录了结式信息。这个小例子只有一轮,子结式缩放尚不显眼;在多轮高次数输入中,若把每个伪余式原样传下去,首项幂会层层累积,正是它要消去的部分。

整环假设不能随意削弱。若系数环有零因子,乘首项可能把非零多项式消成零,次数下降和“最后非零项给出 GCD”的论证都失效。伪除法本身可在整环中定义,但用内容与 primitive part 规范化通常要求 UFD;若只在商域里求 GCD,则还要追踪分母并把答案拉回 D[x]

次数异常下降也需要正确递推。若某一步从次数 d 直接掉到 dk,不能套用“每次恰降一”的简化缩放,否则精确除法可能失败。零输入、常数除数以及首项为单位的情形应由边界分支处理。子结式 PRS 控制的是代数冗余因子,不保证机器整数永不变大;真实 bit complexity 仍受输入系数高度和快速整数运算影响。

推论与应用

序列中的零与非零主子结式刻画 GCD 次数,首个标量子结式就是结式的核心数据。因此同一余式链可同时回答“是否有公共因子”“公共因子的次数是多少”以及“结式值是什么”,避免另行构造完整 Sylvester 行列式。

多项式平方自由分解需要计算 gcd(f,f),在整数系数或把多元多项式视为某个主变量的一元多项式时,子结式 PRS 是经典的精确 GCD 引擎。它也用于实根计数的 Sturm–Habicht 序列、符号消元和参数化系统的次数判定。应用这些结论时必须保留系数域、单位规范与符号约定;“同一子结式”常只在相伴随意义下相同,直接逐系数比较会产生伪差异。

参考资料
  • George E. Collins, “Subresultants and Reduced Polynomial Remainder Sequences,” Journal of the ACM 14(1), 1967, pp. 128–142, doi:10.1145/321371.321381.
  • W. S. Brown and J. F. Traub, “On Euclid’s Algorithm and the Theory of Subresultants,” Journal of the ACM 18(4), 1971, pp. 505–514.
  • Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor, and George Labahn, Algorithms for Computer Algebra, Kluwer, 1992, Ch. 7.
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