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第 9 章:完整证明分圆多项式在有理数域上不可约 ​

本章对象:f=m_{\zeta_n,\mathbb{Q}},\Phi_n=fg;由 Gauss 引理知 f,g 首一且为整数系数。模 p 后不假设 \bar f 仍不可约。

9.1 不可约性的目标:把分圆多项式认作最小多项式 ​

原问题:好的,那下一步你要介绍什么

下一步最自然、也是这条线里最关键的一步,就是证明:

\boxed{\Phi_n(x)\text{ 在 }\mathbb{Q}[x]\text{ 中不可约}}

因为我们现在已经知道:

\Phi_n(x)\in \mathbb{Z}[x]\subset \mathbb{Q}[x].

而且 \zeta_n 是它的一个根。

如果再证明 \Phi_n(x) 在 \mathbb{Q}[x] 中不可约,那么根据最小多项式的定义,就立刻得到:

\boxed{
m_{\zeta_n,\mathbb{Q}}(x)=\Phi_n(x)
}

于是:

[\mathbb{Q}(\zeta_n):\mathbb{Q}]
=
\deg\Phi_n
=
\varphi(n).

这一步非常重要,因为它把我们前面所有内容真正串起来了:

\boxed{
\text{本原 }n\text{ 次单位根}
\to
\Phi_n(x)
\to
\text{最小多项式}
\to
\text{分圆域次数}
}

然后再下一步就会进入 Galois 理论真正精彩的部分:

\sigma(\zeta_n)=\zeta_n^a,
\qquad
\gcd(a,n)=1,

进而得到

\boxed{
\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})
\cong
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times.
}

所以我建议下一节就专门讲:为什么 \Phi_n(x) 在 \mathbb{Q}[x] 中不可约。

这个证明比前面稍难,我会把它拆成几步,先讲证明策略,再逐步证明每一步。

9.2 不可约、首一且以指定元素为根,才是它的最小多项式 ​

原问题:这里是怎么来的来着,是因为不可约直接就最小了吗

对,核心就是这个逻辑,但要加上一个条件:它不仅不可约,而且 \zeta_n 确实是它的根。

我们已经知道:

\Phi_n(\zeta_n)=0,

所以 \Phi_n(x) 是一个在 \mathbb{Q}[x] 中以 \zeta_n 为根的多项式。

而 \zeta_n 的最小多项式

m_{\zeta_n,\mathbb{Q}}(x)

有一个基本性质:

\boxed{
m_{\zeta_n,\mathbb{Q}}(x)
\mid f(x)
}

对所有满足

f(\zeta_n)=0,\qquad f(x)\in\mathbb{Q}[x]

的多项式都成立。

所以特别地:

m_{\zeta_n,\mathbb{Q}}(x)\mid \Phi_n(x).

现在如果我们再证明

\Phi_n(x)

在 \mathbb{Q}[x] 中不可约,那么它的非平凡因子只有常数和它自己。

而最小多项式不是常数,所以只能:

m_{\zeta_n,\mathbb{Q}}(x)
=
\Phi_n(x)

因为两者还都是首一多项式。

所以你可以记成:

\boxed{
f(\alpha)=0
+
f\text{ 在 }F[x]\text{ 中首一不可约}
\Longrightarrow
f=m_{\alpha,F}.
}

这里不是“只要不可约就自动是最小多项式”,而是要同时满足:

\boxed{\text{不可约}+\text{确实以 }\alpha\text{ 为根}}

才行。

9.3 不可约性证明策略:先处理不整除 n 的素数指数 ​

下一步就开始证明:

\boxed{\Phi_n(x)\text{ 在 }\mathbb{Q}[x]\text{ 中不可约}}

这个证明比前面的内容明显难一层,所以我们先把证明目标和路线看明白,不急着一口气走完。

设

\zeta=\zeta_n

是我们固定的一个本原 n 次单位根。令它在 \mathbb{Q} 上的最小多项式为

f(x)=m_{\zeta,\mathbb{Q}}(x).

因为

\Phi_n(\zeta)=0,

所以前面已经证明过:

\boxed{f(x)\mid\Phi_n(x)}.

现在我们想证明:

f(x)=\Phi_n(x).

也就是说,我们要证明:

f 不仅包含 \zeta 这个根,而且实际上把 所有本原 n 次单位根都包含进去了。

为什么这样就够了?

因为

\Phi_n(x)
=
\prod_{\substack{1\le a\le n\\\gcd(a,n)=1}}(x-\zeta^a).

所以如果我们能证明:

\boxed{
f(\zeta^a)=0
\quad\text{对所有 }\gcd(a,n)=1
}

那么 \Phi_n 的所有根都是 f 的根。

而我们本来又知道:

f\mid\Phi_n.

两边都是首一多项式,因此只能:

\boxed{f=\Phi_n}.

这就是整个证明真正的核心。

现在问题变成:

\boxed{
\zeta\text{ 是 }f\text{ 的根}
\quad\Longrightarrow\quad
\zeta^a\text{ 也都是 }f\text{ 的根吗?}
}

其中要求

\gcd(a,n)=1.

我们不会直接证明任意 a,而是先证明一个关键步骤:

\boxed{
p\nmid n,\ p\text{ 是素数}
\quad\Longrightarrow\quad
f(\zeta^p)=0.
}

也就是说:

如果 p 是一个不整除 n 的素数,那么从根 \zeta 出发,把它变成 \zeta^p,仍然不会离开同一个最小多项式 f 的根集合。

为什么只证明素数 p 就够了?

因为如果

\gcd(a,n)=1,

把 a 分解成素数:

a=p_1p_2\cdots p_r.

由于 a 和 n 互素,所以每个 p_i 都不整除 n。

如果我们知道每一次

\alpha\mapsto\alpha^{p_i}

都仍然留在 f 的根中,那么就可以一步步得到:

\zeta
\to
\zeta^{p_1}
\to
\zeta^{p_1p_2}
\to\cdots\to
\zeta^a.

于是所有

\zeta^a,\qquad \gcd(a,n)=1

都会成为 f 的根。

所以整个不可约性证明可以压缩成:

\boxed{
\text{只要证明 }
p\nmid n
\Longrightarrow
\zeta^p
\text{ 与 }\zeta
\text{ 有同一个最小多项式}
}

接下来就进入真正技术性的那一步:假设 \zeta^p 不是 f 的根,然后利用模 p 多项式和 x^n-1 没有重根制造矛盾。

这一步会首次用到一个非常漂亮的恒等式:

\boxed{g(x^p)\equiv g(x)^p\pmod p}

它其实来自二项式系数

\binom pk

在 0<k<p 时都被 p 整除。下一步我们就先把这个恒等式讲透,再把它放进不可约性的证明里。

9.4 补充证明:Gauss 引理,以及首一有理因子为什么是整数系数 ​

这是原对话只引用、未展开的关键步骤。整数多项式的各系数最大公因数为 1 时,称它为本原多项式。这里的“本原多项式”是系数条件,与“本原单位根”的阶条件不同。

第一步,本原多项式的乘积仍本原。 若本原的 A,B\in\mathbb{Z}[x] 的乘积不本原,则存在素数 p 整除乘积的所有系数。模 p 后 \bar A\bar B=0,但 \bar A,\bar B 都非零,而 \mathbb{F}_p[x] 是整环,矛盾。整环性直接来自非零多项式乘积的首项系数非零。

第二步,首一整数多项式的首一有理因子仍为整数系数。 设 H\in\mathbb{Z}[x] 首一,H=fg,f,g\in\mathbb{Q}[x] 首一。清分母并除去各系数公因数后,可写 f=A/a、g=B/b,其中 A,B 本原,a,b 是它们的正首项系数。于是 AB=abH。左边由第一步本原,右边因 H 首一而其系数公因数恰好是 ab,故 ab=1,即 a=b=1。因此 f,g\in\mathbb{Z}[x]。

应用到 \Phi_n=fg,因 \Phi_n 首一且整数系数、最小多项式 f 首一,商 g 也首一,所以两者都是整数系数。

还需检查 f\mid g(x^p) 能否模 p:先在 \mathbb{Q}[x] 得到整除,再在 \mathbb{Z}[x] 用首一 f 做长除法。商和余数均为整数系数,而除法唯一性保证余数为零。因此整除关系本身在 \mathbb{Z}[x] 中成立,取模后才合法地得到 \bar f\mid\bar g(x^p)。

9.5 不可约性关键矛盾:取模后产生重因子 ​

现在把它放回分圆多项式的不可约性证明。

我们设:

f(x)=m_{\zeta,\mathbb{Q}}(x)

是本原 n 次单位根 \zeta 的最小多项式。

因为

f\mid\Phi_n,

写成:

\boxed{
\Phi_n(x)=f(x)g(x).
}

这里 f,g 都可以取成整数系数首一多项式。这个结论来自 Gauss 引理;本章前面的补充证明已给出完整推导。

现在取一个素数 p,满足:

p\nmid n.

我们想证明:

\zeta^p

也一定是 f 的根。


假设反过来:

\boxed{f(\zeta^p)\neq0.}

因为

p\nmid n,

所以

\gcd(p,n)=1.

因此前面已经证明过:

\zeta^p

仍然是一个本原 n 次单位根。

所以:

\Phi_n(\zeta^p)=0.

而:

\Phi_n=f g.

于是:

f(\zeta^p)g(\zeta^p)=0.

我们假设:

f(\zeta^p)\neq0,

所以只能:

\boxed{g(\zeta^p)=0.}

换一种写法:

g(\zeta^p)=0
\iff
g(x^p)\Big|_{x=\zeta}=0.

所以:

\boxed{\zeta\text{ 是 }g(x^p)\text{ 的根}.}

但 f 是 \zeta 的最小多项式。

因此:

\boxed{f(x)\mid g(x^p).}

这一步就是我们前面反复用过的:

最小多项式整除所有以该代数元为根的多项式。


现在才轮到刚刚证明的模 p 恒等式:

g(x^p)\equiv g(x)^p\pmod p.

因为:

f(x)\mid g(x^p),

模 p 以后仍然得到:

\boxed{
\bar f(x)\mid \bar g(x^p)
}

而:

\bar g(x^p)=\bar g(x)^p.

因此:

\boxed{
\bar f(x)\mid \bar g(x)^p.
}

这里上面的横线只是表示:

\text{“把整数系数对 }p\text{ 取模”。}

例如:

2x^2+5x+7

模 3 后变成:

2x^2+2x+1.

现在最关键的事情发生了。

我们原本有:

\Phi_n=f g.

模 p 后:

\bar\Phi_n=\bar f\,\bar g.

与此同时:

\bar f\mid\bar g^p.

这意味着 \bar f 和 \bar g 不可能完全没有公共因子。更准确地说,\bar f 的某个不可约因子也一定出现在 \bar g 里面。

于是:

\bar f\,\bar g

里面这个因子至少出现两次。

也就是说:

\boxed{
\bar\Phi_n(x)
\text{ 在模 }p\text{ 下出现了重因子。}
}

而:

\Phi_n(x)\mid x^n-1.

所以如果 \Phi_n 模 p 有重因子,那么:

x^n-1

模 p 也会有重因子。

接下来就是整个证明最后漂亮的一击:

\boxed{
p\nmid n
\Longrightarrow
x^n-1
\text{ 在模 }p\text{ 下根本不可能有重因子}.
}

为什么?因为它的导数是

nx^{n-1},

而在模 p 下由于 p\nmid n,这个导数不是零多项式,而且和 x^n-1 没有公共根。

这一点我们下一步可以仔细证明。证明完就产生矛盾,从而得到:

\boxed{f(\zeta^p)=0}.

然后再从素数 p 推广到所有

\gcd(a,n)=1

的 a,最终得到

f=\Phi_n.

9.6 补充检查:模 p 后没有暗中假设不可约 ​

从 \bar f\mid\bar g^p 不能推出 \bar f\mid\bar g,因为 \bar f 未必不可约。正确做法是:f 首一且次数至少为 1,所以模 p 后次数不变,\bar f 有一个不可约因子 h。域上的多项式 Euclidean 算法说明不可约因子有素性:若 h\nmid A,则 uh+vA=1;若 h\mid AB,乘 B 即得 h\mid B。

故 h\mid\bar g^p 推出 h\mid\bar g。于是 h^2\mid\bar f\bar g=\bar\Phi_n,继而 h^2\mid x^n-1,与 p\nmid n 时没有重因子矛盾。

此论证同样适用于 f 的任意根 \alpha:f 不可约,f(\alpha)=0 就说明 f 是 \alpha 的最小多项式;f\mid\Phi_n 又保证 \alpha 是本原 n 次单位根。因此“乘一个不整除 n 的素数指数”可以逐次重用,并非只对最初选定的 \zeta_n 成立。任意互素指数先取正的剩余类代表;指数 1 无需任何步骤。

9.7 为何可以对每个素因子重复同一个步骤 ​

原问题:这个是重复之前的步骤就可以吗

对,本质上就是重复使用前面那个“乘一个素数指数”的步骤。不过有一个小细节值得说清楚。

前面我们证明的是:

\boxed{
\alpha\text{ 是 }f\text{ 的一个本原 }n\text{ 次单位根,且 }p\nmid n
\Longrightarrow
\alpha^p\text{ 仍然是 }f\text{ 的根}
}

一开始取

\alpha=\zeta_n.

若

a=p_1p_2\cdots p_r,
\qquad \gcd(a,n)=1,

那么每个 p_i 都不整除 n。

第一次用结论:

\zeta_n
\longmapsto
\zeta_n^{p_1},

得到

f(\zeta_n^{p_1})=0.

而且由于

\gcd(p_1,n)=1,

所以

\zeta_n^{p_1}

仍然是本原 n 次单位根。

因此可以把它当成新的 \alpha,再对 p_2 使用同一个结论:

\zeta_n^{p_1}
\longmapsto
(\zeta_n^{p_1})^{p_2}
=
\zeta_n^{p_1p_2}.

于是

f(\zeta_n^{p_1p_2})=0.

再重复:

\zeta_n^{p_1p_2}
\longmapsto
\zeta_n^{p_1p_2p_3}

……

最后得到:

\boxed{
f(\zeta_n^a)=0.
}

所以你说的“重复之前的步骤”完全正确。严格地说,这是对素因子个数做一次小归纳。

关键保证是:每一步得到的元素都仍然是本原 n 次单位根,因为累计指数始终与 n 互素。

9.8 从素数指数到所有互素指数,完成不可约性证明 ​

原问题:下一步是要介绍什么了

下一步最自然的是把刚才已经铺好的证明收尾,真正得到:

\boxed{\Phi_n(x)\text{ 在 }\mathbb{Q}[x]\text{ 中不可约}}

其实我们已经完成了大部分困难步骤,现在还剩两个连接点。

第一,我们已经证明:如果

f(x)=m_{\zeta_n,\mathbb{Q}}(x)

而 p 是满足

p\nmid n

的素数,那么

\boxed{\zeta_n^p\text{ 也一定是 }f(x)\text{ 的根}}

否则会推出 x^n-1 在模 p 下有重因子,产生矛盾。

第二,我们接下来要把这个结论从“指数是一个素数 p”推广到任意

\gcd(a,n)=1.

因为如果

a=p_1p_2\cdots p_r

是素因数分解,而 \gcd(a,n)=1,那么每个 p_i 都不整除 n。

于是从

\zeta_n

开始:

\zeta_n
\longmapsto
\zeta_n^{p_1}
\longmapsto
\zeta_n^{p_1p_2}
\longmapsto
\cdots
\longmapsto
\zeta_n^a.

每一步得到的仍然是 f 的根,所以最终:

\boxed{
f(\zeta_n^a)=0
\qquad
\forall\,\gcd(a,n)=1
}

而这些

\zeta_n^a

恰好就是所有本原 n 次单位根。

所以 f 包含了 \Phi_n 的全部根。

另一方面,我们早就知道:

f\mid\Phi_n.

于是只能有:

\boxed{f=\Phi_n}.

因此:

\boxed{\Phi_n(x)\text{ 在 }\mathbb{Q}[x]\text{ 中不可约}.}

这样我们就真正得到:

\boxed{
m_{\zeta_n,\mathbb{Q}}(x)=\Phi_n(x)
}

以及:

\boxed{
[\mathbb{Q}(\zeta_n):\mathbb{Q}]
=
\deg\Phi_n
=
\varphi(n)
}

到这里,“分圆多项式”这一部分基本就闭环了。

再下一步就该正式进入分圆域:

\boxed{\mathbb{Q}(\zeta_n)}

然后回答一个非常 Galois 理论的问题:

一个固定 \mathbb{Q} 的自同构 \sigma,能够把 \zeta_n 送到哪里?

最后会得到非常漂亮的结论:

\boxed{
\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})
\cong
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times
}

我建议下一步就从“为什么一个自同构必须把 \zeta_n 送到另一个本原 n 次单位根”开始。

9.9 任意本原 n 次单位根在有理数域上都有同一个最小多项式 ​

原问题:换言之分圆多项式就是在 q域中,本原n次根的最小的多项式,对于任何一个本原n次根都是

对,完全可以这样理解,但把表述稍微说严谨一点:

\boxed{
\Phi_n(x)
\text{ 是任意一个本原 }n\text{ 次单位根在 }\mathbb{Q}\text{ 上的最小多项式}
}

也就是说,如果 \zeta_n 是一个本原 n 次单位根,那么

m_{\zeta_n,\mathbb{Q}}(x)=\Phi_n(x).

而且不只是你固定选的那个 \zeta_n。对于任何

\zeta_n^a,\qquad \gcd(a,n)=1,

它也是本原 n 次单位根,并且都有:

\boxed{
m_{\zeta_n^a,\mathbb{Q}}(x)=\Phi_n(x)
}

所以所有本原 n 次单位根,在 \mathbb{Q} 看来都是“同一类代数元”,它们互为共轭。

例如 n=5:

\Phi_5(x)=x^4+x^3+x^2+x+1.

四个本原 5 次单位根

\zeta_5,\zeta_5^2,\zeta_5^3,\zeta_5^4

在 \mathbb{Q} 上的最小多项式全都是同一个:

\boxed{x^4+x^3+x^2+x+1}.

所以你可以把分圆多项式理解成:

\boxed{
\text{“把所有本原 }n\text{ 次单位根作为共轭根收集起来的那个最小多项式”}
}

这也正是后面 Galois 自同构为什么会在这些本原单位根之间互相置换的根本原因。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。