高等代数 · 课程学习笔记

第 P82 集 · 十七:Eisenstein(艾森斯坦)判别法

Eisenstein's Irreducibility Criterion
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P82 / 151 集 核心概念:Eisenstein 判别法 · 反证法 · 不可约多项式构造 · 变量替换技巧
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◎学习目标

  1. 理解并掌握Eisenstein 判别法的陈述和三个条件,能在具体多项式中快速识别并应用;
  2. 掌握 Eisenstein 判别法的反证法证明思路,特别是「找第一个不能被 \(p\) 整除的系数」这一关键技巧;
  3. 了解 Eisenstein 判别法的局限性(不是充要条件),学会使用 \(f(x+1)\)、\(f(x-1)\) 变量替换来扩大适用范围;
  4. 通过实例 \(x^n+2\)(\(n\ge 1\))证明 \(\mathbb{Q}\) 上存在任意次数的不可约多项式,且有无穷多个;
  5. 体会「观察→猜想→验证→证明」这一经典数学研究范式在本集中的完整呈现。

1问题的提出:从 P81 的遗留问题出发 ⏱ 00:00

上一集(P81)解决了 2次和 3次多项式的不可约判定问题(通过有理根定理),但对 4次及以上 多项式,仅靠有理根定理远远不够——无有理根不等于不可约。

遗留问题 我们需要一个适用于所有次数的不可约判定工具。丘老师指出:⏱ 01:00「数学思维方式告诉你——观察、具体例子、解剖麻雀,来进行探索。」
回到 P81 的两个对比实例

P81 中对比了两个二次多项式:

  • \(f(x)=x^2+4x+2\) — 不可约;
  • \(g(x)=x^2+4x+4\) — 可约(\(=(x+2)^2\))。

共同点:首项系数 1 不被素数 2 整除,一次项系数 4 和常数项均被 2 整除。⏱ 02:30

不同点:\(f\) 的常数项 2 不被 \(2^2=4\) 整除;\(g\) 的常数项 4 被 \(2^2=4\) 整除。⏱ 03:30

这个差异强烈暗示:「存在素数 \(p\),\(p\nmid a_n\),\(p\mid a_i\ (i

2Eisenstein 判别法(定理二) ⏱ 04:30

定理二 · Eisenstein 判别法 设 \(f(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \cdots + a_1 x + a_0\) 是次数 \(n \ge 1\) 的整系数多项式。若存在素数 \(p\) 满足以下三个条件:
\[ \text{(i) } p \nmid a_n \quad \text{(p 不整除首项系数)}, \] \[ \text{(ii) } p \mid a_i \text{ 对所有 } i = 0,1,\dots,n-1 \quad \text{(p 整除其余所有系数)}, \] \[ \text{(iii) } p^2 \nmid a_0 \quad \text{(p² 不整除常数项)}, \]
则 \(f(x)\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约。
记忆口诀与条件解读

口诀:「一素数 \(p\),首项不被整,其余全被整,常数不被平方整,则不可约。」

  • 条件 (i):\(p\) 不能整除最高次项系数——保证分解后两个因式的首项系数均不被 \(p\) 整除;
  • 条件 (ii):\(p\) 整除除首项外的所有系数——是证明中的核心约束;
  • 条件 (iii):\(p^2\) 不整除常数项——与条件 (i)(ii) 配合,导出矛盾。

三个条件缺一不可:⏱ 06:00 若仅满足 (i)(ii) 而不满足 (iii),例如 \(f(x)=x^2+4x+4\)(取 \(p=2\)),则 \(f(x)=(x+2)^2\) 是可约的。

重要推论 对任意正整数 \(n\),多项式 \(x^n+2\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约。取 \(p=2\):\(2\nmid 1\)(首项系数),\(2\mid 0\)(中间系数全为 0),\(2\mid 2\)(常数项),\(4\nmid 2\)(平方不整除常数项)。全部满足,故不可约。⏱ 07:30

3反证法证明 ⏱ 08:00

证明采用经典的反证法:假设 \(f(x)\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上可约,推出矛盾。

完整证明过程

假设:\(f(x)\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上可约。由 P81 推论(整系数多项式在 \(\mathbb{Q}\) 上可约 \(\Leftrightarrow\) 可分解为两个次数更低的整系数多项式之积),可设:

\[ f(x) = g(x) \cdot h(x), \]

其中 \(g(x) = b_m x^m + \cdots + b_0\),\(h(x) = c_l x^l + \cdots + c_0\),且 \(m < n\),\(l < n\),\(m\ge 1\),\(l\ge 1\)。⏱ 09:30

第一步(比较首项系数):\(a_n = b_m \cdot c_l\)。由条件 (i) \(p \nmid a_n\),故 \(p \nmid b_m\) 且 \(p \nmid c_l\)。⏱ 10:30

第二步(比较常数项):\(a_0 = b_0 \cdot c_0\)。由条件 (ii) \(p \mid a_0\),故 \(p \mid b_0\) 或 \(p \mid c_0\)(\(p\) 是素数,具有质因子性质)。不妨设 \(p \mid b_0\)。⏱ 11:30

第三步(找第一个不被整除的系数):因为 \(p \nmid b_m\),而从 \(b_0\) 开始逐个向上看,必然存在某个 \(k\)(\(0 \le k \le m\))使得:

\[ p \mid b_0,\ p \mid b_1,\ \dots,\ p \mid b_{k-1}, \quad \text{但} \quad p \nmid b_k. \]

这样的 \(k\) 一定存在(因为 \(b_m\) 不被 \(p\) 整除,而 \(b_0\) 被 \(p\) 整除,所以这样的分界点必然存在),且 \(k \ge 1\)(因为 \(p\mid b_0\),故 \(k\neq 0\)),\(k \le m < n\)。⏱ 13:00

第四步(比较 \(x^k\) 的系数,导出矛盾):比较 \(f(x)=g(x)h(x)\) 中 \(x^k\) 的系数:

\[ a_k = b_k c_0 + b_{k-1}c_1 + b_{k-2}c_2 + \cdots + b_0 c_k. \]

由条件 (ii):\(p \mid a_k\)(因为 \(k < n\))。

由归纳假设:\(p \mid b_0, p\mid b_1, \dots, p\mid b_{k-1}\),故 \(p\) 整除右端除第一项 \(b_k c_0\) 之外的所有项。

因此 \(p \mid b_k c_0\)。又 \(p \nmid b_k\)(\(k\) 的定义),且 \(p\) 是素数,故 \(p \mid c_0\)。⏱ 15:00

第五步(得出最终矛盾):现在 \(p \mid b_0\) 且 \(p \mid c_0\),故 \(p^2 \mid b_0 c_0 = a_0\)。但这与条件 (iii) \(p^2 \nmid a_0\) 矛盾!⏱ 16:00

结论:假设不成立,\(f(x)\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约。证毕。

证明技巧亮点「找第一个不被 \(p\) 整除的系数 \(b_k\)」是本证明的精髓。这一技巧在数论和代数中反复出现,值得深刻领会。

4应用实例 ⏱ 17:00

例 1 · \(x^n+2\)(\(n\ge 1\)) 对任意正整数 \(n\),多项式 \(f(x)=x^n+2\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约。
\[ f(x) = x^n + 2 = 1\cdot x^n + 0\cdot x^{n-1} + \cdots + 0\cdot x + 2 \]
取 \(p=2\):
  • \(2 \nmid 1\)(首项系数)— 满足条件 (i);
  • \(2 \mid 0\)(所有中间系数)— 满足条件 (ii);
  • \(2 \mid 2\)(常数项),但 \(4 \nmid 2\)(平方不整除)— 满足条件 (iii)。
故由 Eisenstein 判别法,\(f(x)\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约。⏱ 18:30
重要结论 由此得到:\(\mathbb{Q}\) 上存在任意次数的不可约多项式,且有无穷多个(取 \(n=1,2,3,\dots\) 即得 \(x+2, x^2+2, x^3+2, \dots\) 两两不同次,均不可约)。⏱ 20:00
例 2 · \(2x^3 - 6x + 3\) 取 \(p=3\):\(3\nmid 2\)(首项),\(3\mid 0\)(\(x^2\) 系数),\(3\mid (-6)\)(\(x\) 系数),\(3\mid 3\)(常数项),但 \(9\nmid 3\)(\(3^2=9\) 不整除 3)。全部满足,故在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约。⏱ 21:30
例 3 · \(x^4 + 4x + 2\) 取 \(p=2\):\(2\nmid 1\)(首项),\(2\mid 0\)(\(x^3,x^2\) 系数),\(2\mid 4\)(\(x\) 系数),\(2\mid 2\)(常数项),但 \(4\nmid 2\)。全部满足,故在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约。⏱ 22:30

5局限性及扩展技巧 ⏱ 24:00

局限性 Eisenstein 判别法只是不可约的充分条件,不是充要条件。有些多项式在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约,但找不到满足条件的素数 \(p\)。⏱ 24:30
反例:判别法失效的多项式

\(f(x) = x^2+1\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约(无有理根),但对任意素数 \(p\):

  • 若 \(p\neq 2\):\(p\nmid 1\)(首项系数),但条件 (ii) 要求 \(p\mid 0\)(成立)和 \(p\mid 1\)(不成立)——矛盾,故条件 (ii) 无法满足;
  • 若 \(p=2\):\(2\nmid 1\)(首项),\(2\mid 0\)(中间系数),但 \(2\mid 1\)(常数项)不成立——条件 (ii) 不满足。
因此 \(x^2+1\) 无法直接用 Eisenstein 判别法判定,但它确实不可约(可用 P81 的有理根定理判定)。⏱ 25:30
扩展技巧:变量替换 \(f(x+1)\) 和 \(f(x-1)\)

当 \(f(x)\) 常数项为 \(\pm 1\) 导致 Eisenstein 直接失效时,可考虑对 \(f(x)\) 做变量替换,考察 \(f(x+1)\) 或 \(f(x-1)\)。⏱ 26:00

原理(由 P81 的推论推广):若 \(f(x+1)\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约,则 \(f(x)\) 也不可约。同理,若 \(f(x-1)\) 不可约,则 \(f(x)\) 也不可约。

理由:若 \(f(x) = g(x)h(x)\) 是可约分解,则 \(f(x+1) = g(x+1)h(x+1)\) 也是可约分解(反之亦然)。因此 \(f(x)\) 可约 \(\Leftrightarrow\) \(f(x+1)\) 可约,取逆否命题即得结论。⏱ 27:30

实例:\(f(x)=x^4+1\) 直接检验:对任意素数 \(p\),均无法满足 Eisenstein 条件(首项系数 1 和常数项 1 均不被任何素数整除)。但考虑 \(f(x+1)=(x+1)^4+1\):
\[ (x+1)^4+1 = x^4+4x^3+6x^2+4x+2 \]
取 \(p=2\):\(2\nmid 1\)(首项),\(2\mid 4,2\mid 6,2\mid 4,2\mid 2\)(其余系数),\(4\nmid 2\)(常数项)。满足 Eisenstein 条件!故 \((x+1)^4+1\) 不可约,从而 \(x^4+1\) 也不可约。⏱ 29:00
丘老师提示 「这个道理跟我们上次讲的命题 43-4 有关,同学们回去看作业题。」这一替换技巧是处理「Eisenstein 不适用」情形的标准方法,务必熟练掌握。⏱ 30:00

★重点回顾

1
Eisenstein 判别法(核心定理):存在素数 \(p\) 满足 \(p\nmid a_n\),\(p\mid a_i\ (i
2
证明方法:反证法 + 「找第一个不被 \(p\) 整除的系数」技巧。这是本集最重要的证明技术,也是后续代数数论中类似证明的原型。
3
典型应用:\(x^n+2\)(\(p=2\))说明对任意 \(n\) 均存在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约多项式,且有无穷多个。
4
局限性:Eisenstein 只是充分条件,非充要条件。有些不可约多项式(如 \(x^2+1\)、\(x^4+1\))不能直接用该判别法。
5
扩展技巧:通过变量替换 \(f(x+1)\) 或 \(f(x-1)\) 将问题转化,是扩大 Eisenstein 适用范围的标准手段。其依据是「\(f(x)\) 可约 \(\Leftrightarrow\) \(f(x+c)\) 可约」。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆充分与必要:Eisenstein 判别法是充分条件,不是充要条件。用此判别法判定的「不满足条件」不等于「可约」。
  2. 忽略条件 (iii):必须同时验证 \(p^2 \nmid a_0\)。仅满足 (i)(ii) 不足以判定不可约(如 \(x^2+4x+4\),取 \(p=2\) 满足 (i)(ii) 但可约)。
  3. 对常数项为 ±1 的多项式盲目套用:此时没有任何素数能整除常数项,条件 (ii) 无法满足。应改用 \(f(x+1)\) 或 \(f(x-1)\) 替换技巧。
  4. 误以为 Eisenstein 可以判定所有不可约多项式:如 \(x^2+1\) 不可约但 Eisenstein 不适用;\(x^4+x^3+x^2+x+1\)(分圆多项式)也不可约但 Eisenstein 不直接适用。
  5. 变量替换后忘记回推:用 \(f(x+1)\) 的 Eisenstein 判定推出不可约后,需明确说明「由 \(f(x)\) 可约 \(\Leftrightarrow\) \(f(x+1)\) 可约」,才能得到原多项式的结论。
  6. 忽视系数为 0 的情况:条件 (ii) 要求 \(p\mid a_i\) 对所有 \(i

✎自测与作业

  1. 用 Eisenstein 判别法证明下列多项式在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约:(a) \(x^3-3x+3\);(b) \(x^5+5x+5\);(c) \(2x^4+10x^3+15x^2+10x+5\);(d) \(x^4+8x+12\)。
  2. 证明:\(x^4+4x^3+6x^2+4x+2\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约(提示:这是 \((x+1)^4+1\) 的展开,取 \(p=2\))。
  3. (思考)\(x^2+x+1\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上是否可约?用有理根定理和 Eisenstein 判别法分别判断,并说明两者的关系。
  4. (思考)证明:若 \(f(x)\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上可约,则对任意 \(c\in\mathbb{Q}\),\(f(x+c)\) 也在 \(\mathbb{Q}\) 上可约;反之亦然。这是变量替换技巧的理论依据。
  5. (选做)寻找一个在 \(\mathbb{Q}\) 上不可约,但无论 \(f(x)\)、\(f(x+1)\) 还是 \(f(x-1)\) 都不能直接用 Eisenstein 判别法判定的多项式。(提示:考虑分圆多项式 \(\Phi_p(x)=x^{p-1}+x^{p-2}+\cdots+x+1\),其中 \(p\) 为素数。)
下一集预告 后续课程将进一步讨论多元多项式的不可约性、高次分圆多项式的不可约性证明(Gauss 原证明 vs. 简化版本),以及 UFD(唯一分解整环)的基本理论。