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第 6 章:整数系数:首一除法与强归纳法
本章对象: 是整数系数多项式环;
是真约数对应的分圆多项式之积。首一保证系数为整数,已知整除才保证余数为零。
6.1 整数系数与不可约性:接下来需要证明的两件事
原问题:可以了,我理解了这些,下一步是介绍什么
下一步最合适的是进入分圆多项式真正核心的两件事:
以及
这两步一旦弄懂,你就会真正明白为什么
会成为本原 次单位根
在
上的最小多项式。
然后就能顺理成章得到:
再进一步进入:
我建议接下来的顺序是:
- 先解释为什么
明明由复数根定义,最后系数却全是整数;
- 再证明它为什么在
中不可约;
- 然后解释为什么每个 Galois 自同构都由决定;
- 最后把分圆域的 Galois 群和模
可逆元群联系起来。
我们现在就可以从第 1 步开始:
这个问题本身就很有意思,因为定义
里面明明全是复数。
6.2 首一除数为什么不会制造分数
原问题:这一步其实也没有理解
关键点就在多项式长除法的每一步,都要做一件事:
所以如果除式是首一多项式,也就是最高次项系数为 ,你每次实际上只是在“除以 1”,自然不会因为这一步产生分数。
比如先看:
除以
除式最高次项是
被除式最高次项是
为了消掉 ,第一步必须乘:
所以商的第一项是 ,系数仍然是整数。
然后减去
减法当然还是整数系数多项式。
接下来再看剩下多项式的最高次项,再重复完全同样的过程。
更一般地,假设除式是:
其中所有 。
注意最高次项系数就是:
现在被除式在某一步最高次项是:
为了把这一项消掉,我们应该拿 乘:
为什么?
因为:
所以正好把最高次项消掉。
而这个新加入商里的系数就是:
它原本就是整数。
所以不会出现分数。
反过来看一个不是首一的例子,就很明显了。
例如:
除以
第一步要消掉 。
除式最高次项是:
所以必须算:
马上就出现:
所以商可能跑到
里,而不再属于
所以你可以把“首一”在这里的作用记成非常具体的一句话:
如果这个系数是:
那么:
因此从头到尾所有系数都保持整数。
于是:
时得到的
仍然都在:
这正是我们前面证明 时需要的那一步。
6.3 长除法能进行,不等于一定除尽
原问题:但是本身不一定能除尽吧,这个时候除数就作为了余数
对,你抓到关键区别了:“做得出多项式长除法” 和 “能够除尽” 是两件不同的事。
一般情况下当然不一定除尽。对任意
且 首一,我们只能保证存在
使得
并且
这里 才叫余数,不是
。
比如:
除以
做长除法:
所以商是
余数是
因为:
所以不是“除数变成余数”,而是:
当剩下来的那部分次数已经低于除式次数时,就不能继续除,那一部分才是余数。
而我们前面证明 时,情况比一般长除法更强。
我们已经提前知道:
设
那么:
这已经告诉我们:
所以用 去除
时,余数必然是:
现在我们只是额外利用:
而且 首一,
所以长除法算出来的商一定仍然属于
而这个商又已经知道就是
所以最终得到:
因此整个证明里实际上用了两个完全不同的事实:
这两个条件不要混在一起。“首一”保证不产生分数;“已知整除”才保证没有余数。
6.4 强归纳法究竟假设了哪些已知命题
原问题:这一步的归纳我怎么没看懂
你这里卡住的点,主要是因为这里用的不是“只假设 成立”的普通归纳法,而是强归纳法。
我们把它拆开。
我们想证明的命题是:
第一步:起点
先证明
因为
所以显然
第二步:归纳假设到底是什么?
现在假设我们正在证明 。
强归纳法允许我们假设:
也就是说,我们暂时假设:
全都是整数系数多项式。
注意这里不是只假设
而是把所有比 小的情况都作为已知。
为什么需要这么强的假设?
因为公式
涉及的不是只有 ,而是涉及
的所有约数
。
第三步:为什么这些 Φ_(d) 都能用归纳假设?
把 那一项单独拿出来:
现在看乘积里面的每一个 :
因为它们都满足
所以根据强归纳假设:
于是这些东西全部都是整数系数多项式。
例如假设现在证明 。
12 的真约数是:
我们需要用到:
而这些编号全部小于 12,所以归纳假设已经告诉我们:
于是
当然也属于
这就是那一步的意思。
第四步:然后怎么得到 Φₙ?
定义
于是:
我们已经知道:
而且 是首一的。
所以用 去除
时,因为除数首项系数是 1,多项式长除法不会制造分数。
因此商也属于:
而这个商正好就是:
于是:
这样就从
推出了
强归纳法完成。
你可以把整个逻辑压缩成:
而
因此就能推出 也是整数系数。
关键就是:
所以所有需要用到的 都已经落在归纳假设覆盖的范围里。
6.5 分圆多项式属于整数多项式环的完整证明
这一步其实可以用我们刚刚得到的
非常漂亮地证明。
1. 先看看为什么这个结论并不显然
按照定义,
而
通常是一个复杂的复数。
例如 :
本原三次单位根是
所以定义告诉我们:
一展开,神奇地变成:
所有复数和虚部都消失了。
这不是偶然。对每个 ,最终都有:
2. 先看几个例子
最简单的:
所以
再看 :
所以:
再看 :
所以:
再看 。
4 的约数是:
所以:
于是:
因为
所以:
还是整数系数。
3. 一般情况下也用同样的想法
我们已经知道:
把最后一个 单独拿出来:
于是:
这就给了我们一个递归构造。
意思是:
如果所有比
小的、对应于
的真约数
的
都已经是整数系数,那么
也能由整数多项式除法得到。
4. 但你可能马上会问
即使分子分母都是整数系数多项式:
为什么商一定还是整数系数?
一般当然不一定。
例如:
就不是整数系数多项式。
所以这里还有一个重要条件:
也就是说最高次项系数是 1。
5. 首一为什么这么重要?
举一个多项式长除法。
假设我们拿整数系数多项式
除以一个首一整数系数多项式
因为最高次项系数是 1,每一步消掉最高次项时,不需要除以 2、3、5 之类的整数。
例如:
除以
最高次项:
商的第一项还是整数系数。
减掉:
剩:
然后:
得到:
整个过程中不会产生分数。
一般来说:
那么用 对
做长除法时,商和余数都仍然在:
里面。
6. 用数学归纳法正式证明
从 开始:
现在假设对于所有:
都有:
那么:
也是整数系数多项式。
而且每个 都是首一的,所以
也是首一的。
又因为:
所以 完整地整除
。
对
除以首一整数多项式 ,得到的商仍然是整数系数多项式。
而这个商就是:
所以:
归纳完成。
7. 你可以把这个证明理解成什么?
我们一开始从复数定义:
看起来系数应该很复杂。
但实际上所有单位根一起组成:
而:
本身是整数系数。
再按照“阶”把这些根一层层拆成:
由于每一层都是通过整数多项式的精确除法得到,所以最后每一层仍然落在:
也就是说,复数根虽然看起来复杂,但它们以一种高度对称的方式成组出现,最后所有复数部分都抵消了。
8. 一个很漂亮的例子:Φ₆
我们知道:
前面已经有:
所以:
化简:
而它的两个根其实是:
也就是:
两者互为共轭。
乘起来:
其中:
于是:
所以从具体例子上也能看到:这些复数根并不是胡乱组合,而是以非常对称的方式一起出现。
到这里我们已经知道:
但这还不够。
因为我们想说:
是 在
上的最小多项式。
那还必须证明:
这才是下一步真正关键、也比刚才难一些的定理。它会直接解释为什么所有本原 次单位根都是彼此的 Galois 共轭。