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◎学习目标
- 掌握不可约多项式的素性:若 \(p(x)\) 不可约且 \(p(x) \mid f(x)g(x)\),则 \(p(x) \mid f(x)\) 或 \(p(x) \mid g(x)\);
- 理解并记忆唯一因式分解定理:数域 \(K\) 上任意次数 \(\geq 1\) 的多项式,都能唯一地分解为不可约多项式的乘积;
- 会用数学归纳法证明存在性和唯一性两部分;
- 掌握标准分解式的写法,了解首一(monic)不可约多项式的意义;
- 理解重因式的概念:\(p(x)\) 是 \(f(x)\) 的 \(k\) 重因式当且仅当 \(p(x)^k \mid f(x)\) 但 \(p(x)^{k+1} \nmid f(x)\)。
1不可约多项式的素性 ⏱ 00:02
在引入唯一因式分解定理之前,需要先确立不可约多项式的一个关键性质——素性(即它扮演了整数环中素数的角色)。
证明(反证法 + 最大公因式)
假设 \(p(x) \nmid f(x)\)。由于 \(p(x)\) 不可约,它的因式只有零次多项式和它的相伴元,所以 \(\gcd(p(x), f(x)) = 1\)。⏱ 01:00
由 Bézout 定理(上一节结论),存在 \(u(x), v(x) \in K[x]\) 使得 \(u(x)p(x) + v(x)f(x) = 1\)。两边同乘 \(g(x)\):\(u(x)p(x)g(x) + v(x)f(x)g(x) = g(x)\)。因为 \(p(x) \mid f(x)g(x)\),所以右端能被 \(p(x)\) 整除;显然 \(p(x) \mid u(x)p(x)g(x)\),故左端两项均被 \(p(x)\) 整除,从而 \(p(x) \mid g(x)\)。证毕。⏱ 02:15
2唯一因式分解定理——存在性 ⏱ 03:15
证明(数学归纳法)
对次数 \(n = \deg f(x)\) 做归纳。
基础:当 \(\deg f(x) = 1\) 时,一次多项式本身已是不可约的,结论成立。⏱ 03:40
归纳步:设对次数 \(< n\) 的多项式结论成立,考虑 \(\deg f(x) = n\) 的情况。
- 若 \(f(x)\) 本身不可约,则结论显然成立;
- 若 \(f(x)\) 可约,由可约定义,存在 \(f_1(x), f_2(x)\) 使得 \(f(x) = f_1(x) \cdot f_2(x)\),且 \(\deg f_1 < n\)、\(\deg f_2 < n\)。由归纳假设,\(f_1, f_2\) 均可分解为有限个不可约多项式的乘积,将它们相乘即得 \(f(x)\) 的分解。⏱ 04:30
为什么不会无限分解下去?因为每次分解后,因子的次数严格下降,而次数是自然数,不可能无限递减,故分解必然在有限步内终止,每步的因子最终都是不可约的。⏱ 05:20
3唯一因式分解定理——唯一性 ⏱ 06:00
证明(对第一个分解式中不可约因式个数 \(s\) 做归纳)
基础:\(s = 1\)。此时 \(f(x) = p_1(x)\),于是 \(p_1(x) = q_1(x)q_2(x)\cdots q_t(x)\)。这说明 \(q_1(x) \mid p_1(x)\)。由于 \(p_1\) 不可约,其因式只有零次多项式或相伴元,而 \(q_1\) 不可约故次数 \(\geq 1\),所以 \(q_1\) 与 \(p_1\) 相伴。同理每个 \(q_j\) 都与 \(p_1\) 相伴,从而所有 \(q_j\) 都是常数倍关系,由首一条件知它们全相等,故 \(t = 1\)。唯一性成立。⏱ 06:40
归纳步:假设对第一种分解式中不可约因式个数为 \(s-1\) 时结论成立,考虑 \(s\) 的情形。将 \(p_1(x)\) 看作一个因子,把其余 \(p_2\cdots p_s\) 合为一个多项式,于是 \(p_1 \mid q_1 q_2 \cdots q_t\)。由素性推论,\(p_1\) 必整除某个 \(q_j\),不妨设 \(j = 1\)(必要时调换 \(q_j\) 的次序)。与基础情形同理,\(p_1\) 与 \(q_1\) 相伴,即 \(q_1 = c \cdot p_1\)(\(c \in K^\times\))。⏱ 08:10
代入原等式得 \(p_1 \cdot p_2 \cdots p_s = c \cdot p_1 \cdot q_2 \cdots q_t\)。由 \(K[x]\) 的消去律(多项式环是整环,非零元可消去),两边约去 \(p_1\):\(p_2 \cdots p_s = c \cdot q_2 \cdots q_t\)。再调整常数因子归入某个 \(q_j\)(由相伴关系的传递性),就得到一个第一种分解有 \(s-1\) 个因式、第二种分解有 \(t-1\) 个因式的等式。由归纳假设,\(s-1 = t-1\) 且对应因式相伴,从而 \(s = t\) 且全部因式一一相伴。唯一性得证。⏱ 10:00
4标准分解式 ⏱ 11:00
把相同因式合并,并把首系数提取出来,就得到标准分解式:
5重因式 ⏱ 13:00
由标准分解式可以自然地引出重因式的概念:
| 名称 | 条件 | 说明 |
|---|---|---|
| 零重因式 | \(k = 0\),即 \(p(x) \nmid f(x)\) | \(p(x)\) 根本不是 \(f(x)\) 的因式 |
| 单因式 | \(k = 1\),即 \(p(x) \mid f(x)\) 但 \(p(x)^2 \nmid f(x)\) | \(p(x)\) 只出现一次 |
| 重因式 | \(k \geq 2\) | \(p(x)\) 至少出现两次 |
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 混淆"不可约"与"没有根":没有一次因式(即在 \(K\) 中无根)是多项式不可约的必要条件,但不是充分条件——二次以上无根的多项式仍可能是可约的(如两个二次不可约多项式的乘积)。
- 忽略首一条件:标准分解式中要求不可约因式是首一的,否则分解不唯一(可以差常数倍)。考试中若未要求首一,需注明相伴关系。
- 消去律滥用:在证明唯一性时,约去公共不可约因式依赖 \(K[x]\) 是整环(无零因子),这一点不能跳过。
- 重因式与重根混为一谈:重因式 \(p(x)\) 是多项式本身的概念;重根是代入数值后根的重数。二者相关但不等同——当 \(p(x) = x - \alpha\)(一次因式)时,二者才直接对应。
- 归纳基础遗漏:存在性证明的基础是 \(\deg f = 1\)(一次多项式本身不可约),不是 \(\deg f = 0\)(零次多项式不需要分解)。
✎自测与作业
- 证明:在 \(\mathbb{Q}[x]\) 中,\(x^2 + 1\) 是不可约的;在 \(\mathbb{C}[x]\) 中,\(x^2 + 1 = (x+i)(x-i)\) 可分解。由此说明不可约性与数域有关。
- 将 \(f(x) = x^4 - 1\) 分别在 \(\mathbb{R}[x]\) 和 \(\mathbb{C}[x]\) 中分解为标准分解式。
- 设 \(f(x) = 2x^3 - 3x^2 - 11x + 6\),已知 \((x-3)\) 和 \((x+2)\) 是它的因式,求 \(f(x)\) 在 \(\mathbb{Q}[x]\) 中的标准分解式。
- 设 \(p(x)\) 是 \(f(x)\) 的 \(k\) 重因式(\(k \geq 1\)),证明 \(p(x)\) 也是 \(f'(x)\) 的 \((k-1)\) 重因式(用到求导法则)。
- (思考)若 \(f(x)\) 在 \(K\) 上有 \(k\) 重因式 \(p(x)\),那么 \(f(x)\) 与 \(f'(x)\) 的最大公因式 \(\gcd(f, f')\) 中 \(p(x)\) 的幂次是多少?(此结论将用于重根的判定。)
- (选做)用数学归纳法严格写出唯一因式分解定理存在性的完整证明。