抽象代数 · 课程学习笔记

第 33 讲 · 域上的一元多项式环

The Ring of Polynomials over a Field
进度 33 / 38 讲 核心概念:F[x] 是 UFD · 因式定理 · 不可约多项式 · 带余除法
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◎学习目标

  1. 理解域 \(F\) 上一元多项式环 \(F[x]\) 的定义(加法、乘法、次数 \(\deg\)),认识 \(F[x]\) 是欧氏整环(范数取次数),从而是主理想整环(PID)与唯一分解环(UFD);
  2. 掌握带余除法(多项式长除):对 \(f, g \in F[x]\),\(g \neq 0\),存在唯一的 \(q, r \in F[x]\) 使 \(f = qg + r\) 且 \(\deg r < \deg g\) 或 \(r = 0\);
  3. 理解并会用因式定理(Factor Theorem):\(f(\alpha) = 0 \iff (x - \alpha) \mid f\);会用它在 \(F\) 上判断一次/二次多项式的可约性(无根则不可约);
  4. 掌握不可约多项式的定义与基本性质;理解在 \(F[x]\)(UFD)中「不可约 \(\iff\) 素(prime)」,以及线性不可约多项式的判别方法;
  5. 掌握极大理想的定义,证明「\(p \in F[x]\) 不可约 \(\iff\) \((p)\) 是 \(F[x]\) 的极大理想」;结合「\(R/I\) 是域 \(\iff\) \(I\) 是极大理想」得到:由不可约多项式生成的理想给出一个域;
  6. 会用带余除法把商环 \(F[x]/(p)\) 中的元素归约为次数小于 \(\deg p\) 的代表元,会计算具体的乘法表(如 \(\mathbb{F}_2[x]/(x^2+x+1)\));
  7. 理解「系数环必须是域」这一前提:若系数环不是域(如 \(\mathbb{Z}\)),不可约多项式生成的理想不一定是极大理想,商环也不一定是域。

1引言与回顾:\(F[x]\) 的结构 ⏱ 00:00

本讲继续学习环论,主题是域上的一元多项式环。它是环论里一个非常重要的例子:前面学习理想、同态等概念时,我们经常用域上的一元多项式环来作例子;它还能帮助我们更好地理解环的性质与结构。⏱ 00:08

另一方面,后面要学的域扩张可以通过不可约多项式来构造,而高斯(Galois)理论研究的多项式的根与域扩张之间的关系,也大量用到一元多项式环。所以这一讲对后面的内容非常关键。⏱ 00:29

1.1 先回顾 \(F[x]\) 的代数结构

设 \(F\) 是一个域。\(F\) 上的一元多项式环 \(F[x]\):元素形如 \(a_0 + a_1 x + \cdots + a_n x^n\)(\(a_i \in F\)),加法、乘法按多项式逐项定义;零多项式次数记为 \(\deg 0 = -\infty\),非零多项式的次数是其最高项的指数。⏱ 00:57

结构链条 ⏱ 01:02 上一讲学欧氏整环(Euclidean domain)时,已经证明:\(F[x]\) 是一个欧氏整环(范数取多项式的次数);而前面的结论是 \[ \text{欧氏整环} \;\Longrightarrow\; \text{主理想整环 (PID)} \;\Longrightarrow\; \text{唯一分解环 (UFD)}. \] 因此很自然地得到:\(F[x]\) 既是欧氏整环,也是主理想整环,也是唯一分解环。

1.2 UFD 的两个直接后果 ⏱ 01:44

1.3 不可约多项式的定义 ⏱ 03:00

本讲要研究 \(F[x]\) 的不可约元,在这个环里就叫做不可约多项式(irreducible polynomial)。

定义 · 不可约多项式 非零、非常数的多项式 \(p(x) \in F[x]\) 称为不可约的,如果它不能分解为两个次数都比它低的非常数多项式的乘积。也就是说,若 \(p = fg\),则 \(f\) 或 \(g\) 必为常数(相伴于 1 的因子)。

换个说法:\(p(x)\) 不可约 = 它的因子只有「常数」与「它本身的非零倍数(相伴因子)」这两类。一次多项式(线性多项式)在 \(F[x]\) 中总是不可约的;而 \(\deg p \ge 2\) 时,\(p\) 可约 \(\iff\) 它在 \(F\) 上有一个根(对一次、二次情况这是充要的——后面例子会反复用到)。⏱ 03:42

UFD 中「不可约 ⟺ 素」 ⏱ 04:33 \(F[x]\) 是唯一分解环,而前面已证:在 UFD 里不可约元与素元(prime element)等价。因此 \(F[x]\) 里的不可约多项式就是它的素元。这个等价性依赖于 \(F[x]\) 是 UFD 这一事实,后面的商环讨论还会反复用到。
本讲路线 ⏱ 06:15 不可约多项式 \(\to\) 极大理想 \(\to\) 由不可约多项式生成的理想是极大理想 \(\to\) 商环 \(F[x]/(p)\) 是域 \(\to\) 用带余除法写出商环中的元素 \(\to\) 具体例子(\(p=x^2+2x+2\)、\(p=x^2+x+1\))\(\to\) 反例(系数环不是域时结论不成立)。

2带余除法(多项式长除) ⏱ 33:12

研究 \(F[x]\) 中由某个多项式生成的理想、以及相应商环时,需要一条基本工具:对 \(F[x]\) 中任取一个多项式 \(f(x)\) 与一个非零多项式 \(p(x)\),都可以做多项式长除。

带余除法(多项式长除) 设 \(f, p \in F[x]\),\(p \neq 0\)。则存在唯一的一对 \(q(x), r(x) \in F[x]\),使得
\[ f(x) = q(x)\,p(x) + r(x), \qquad \deg r < \deg p \;\;\text{ 或}\;\; r = 0, \]
其中 \(q\) 称为商(quotient),\(r\) 称为余式(remainder)。
F[x] 带余除法 ⇒ 欧氏整环(点击展开)

定义范数 \(\delta: F[x] \setminus \{0\} \to \mathbb{N}\),\(\delta(f) = \deg f\)。验证欧氏函数两条性质:

  1. 商的存在:若 \(p \mid f\),取 \(q\) 使 \(p \cdot q = f\),取 \(r = 0\);否则设 \(\deg f \ge \deg p\)。写 \(f = \sum_{i=0}^{m} a_i x^i\),\(p = \sum_{j=0}^{n} b_j x^j\),\(b_n \neq 0\)。用「消去最高项」法:令 \(q_1 = (a_m / b_n) x^{m-n}\),则 \(f - q_1 p\) 的次数比 \(f\) 至少降 1(因为最高项抵消)。反复消去有限步后得到 \(f = q p + r\),且 \(\deg r < \deg p\) 或 \(r=0\)。⏱ 34:00
  2. 唯一性:设 \(f = q_1 p + r_1 = q_2 p + r_2\),\(\deg r_1, \deg r_2 < \deg p\)。则 \((q_1 - q_2)p = r_2 - r_1\)。若 \(q_1 \neq q_2\),则右边 \(\deg(r_2 - r_1) < \deg p\),而左边 \(\deg((q_1-q_2)p) = \deg(q_1-q_2) + \deg p \ge \deg p\)(因为 \(F\) 是域,次数满足 \(\deg(fg)=\deg f + \deg g\)),矛盾。故 \(q_1 = q_2\),进而 \(r_1 = r_2\)。

于是 \(F[x]\) 配备范数 \(\deg\) 是欧氏整环;由上一讲结论,欧氏整环 ⇒ 主理想整环 ⇒ 唯一分解环。这一步正是「\(F[x]\) 是 UFD」的核心证明。⏱ 35:10

余式与商环 ⏱ 35:25 把带余除法两边在商环 \(F[x]/(p)\) 里取像(即「磨掉」由 \(p\) 生成的理想):左边变成 \(\bar f\),右边 \(q p + r\) 中 \(qp\) 项掉入理想 \((p)\) 变为 \(0\),只剩余式:
\[ f(x) + (p) = r(x) + (p). \] 也就是说:在商环 \(F[x]/(p)\) 中,任意一个类都等于其对应余式的类;而余式的次数严格小于 \(\deg p\)。这条事实把「商环中的元素」与「次数小于 \(\deg p\) 的多项式」一一对应,是后面把商环元素写出来的关键。

3根与因式定理(Factor Theorem)

因式定理 设 \(f(x) \in F[x]\),\(\alpha \in F\)。则
\[ f(\alpha) = 0 \;\;\Longleftrightarrow\;\; (x - \alpha) \text{ 整除 } f(x). \]
即 \(\alpha\) 是 \(f\) 在 \(F\) 中的根(root)当且仅当 \((x-\alpha)\) 是 \(f\) 的因式。
因式定理的证明(点击展开)

(⇒)设 \(f(\alpha)=0\)。由带余除法,除以 \((x-\alpha)\) 有

\[ f(x) = (x-\alpha)\,q(x) + r, \qquad r \in F \text{(常数)}. \]
代入 \(x = \alpha\):\(f(\alpha) = 0 \cdot q(\alpha) + r = r\)。因为 \(f(\alpha)=0\),故 \(r = 0\),于是 \(f(x) = (x-\alpha)\,q(x)\),即 \((x-\alpha) \mid f\)。

(⇐)若 \((x-\alpha) \mid f\),则 \(f(x) = (x-\alpha)q(x)\)。代入 \(x = \alpha\):\(f(\alpha) = 0 \cdot q(\alpha) = 0\)。

(两条方向都只用了一次带余除法——把 \(f\) 除以 \((x-\alpha)\) 得到的余式必为常数;代入 \(x=\alpha\) 后 \((x-\alpha)\) 项消失,余式即 \(f(\alpha)\)。)⏱ 36:45

应用 · 判断一次、二次多项式的可约性 在 \(F[x]\) 中:
  • 一次多项式(\(\deg = 1\))总是不可约的(无法再分解)。
  • 二次多项式:若它在 \(F\) 上无根,则不可约;若在 \(F\) 上有根 \(\alpha\),则由因式定理 \((x-\alpha) \mid f\),从而 \(f\) 可约(写成两个一次多项式之积)。因此二次多项式在 \(F\) 上可约 \(\iff\) 在 \(F\) 上有根。
这一点在下面的例 1、例 2 中会被反复使用:要证 \(p\) 不可约,只要说明 \(p\) 在系数域 \(F\) 上没有根即可。

4不可约多项式:基本性质与判别 ⏱ 03:00

4.1 与「素(不可约/素不可约)」的等价 ⏱ 04:33

不可约 ⟺ 素(在 \(F[x]\) 中) 由 §1.3,\(F[x]\) 是 UFD,「不可约元 = 素元」。因此 \(F[x]\) 中一个不可约多项式 \(p\) 还满足:若 \(p \mid fg\),则 \(p \mid f\) 或 \(p \mid g\)。这个「素性质」正是下一个命题(§5)里把 \((p)\) 证为极大理想的关键。

4.2 不可约性判定的要点 ⏱ 05:10

5极大理想与域的关系 ⏱ 06:19

5.1 极大理想的定义 ⏱ 06:40

定义 · 极大理想(maximal ideal) 设 \(R\) 是环,\(I\) 是 \(R\) 的理想。若 \(R\) 中不存在真包含 \(I\) 的真理想——即任何理想 \(J\) 只要满足 \(I \subseteq J\),就必有 \(J = I\) 或 \(J = R\)——则称 \(I\) 是 \(R\) 的极大理想。

证明一个理想是极大理想时常用的套路:取一个真包含 \(I\) 的理想 \(J\),证明 \(J = R\)(即 \(I\) 与 \(R\) 之间夹不到别的理想)。⏱ 09:28

5.2 极大理想 ⟺ 商环是域 ⏱ 20:54

命题(重要充要条件) 设 \(R\) 是带单位元 \(1\) 的交换环,\(I\) 是 \(R\) 的理想且 \(I \neq R\)。则
\[ I \text{ 是 } R \text{ 的极大理想} \;\;\Longleftrightarrow\;\; R/I \text{ 是域}. \]
它的核心依据是前面已证的「带单位元交换环 \(R\) 是域 \(\iff\) \(R\) 只有平凡理想(即只有 \(0\) 和 \(R\))」。
证明(点击展开)

(⇒)极大理想 ⇒ 商环是域:若 \(I\) 是极大理想,则 \(R/I\) 中除了 \(0\) 和整个商环之外没有别的理想(由环的理想与商环理想之间的一一对应定理:\(R/I\) 中的理想形如 \(J/I\),\(I \subseteq J \subseteq R\);若存在 \(I \subsetneq J \subsetneq R\) 就会违反极大性)。而 \(R/I\) 是带单位元的交换环,只有平凡理想 ⇒ \(R/I\) 是域。⏱ 22:49

(⇐)商环是域 ⇒ 极大理想:设 \(R/I\) 是域,则它只有平凡理想 \(0\) 与 \(R/I\)。若 \(J\) 是 \(R\) 的理想且 \(J\) 真包含 \(I\),则 \(J/I\) 是 \(R/I\) 的理想且非零(因为 \(J \supsetneq I\)),于是 \(J/I = R/I\),即 \(J = R\)。因此 \(I\) 与 \(R\) 之间没有其他理想,\(I\) 是极大理想。⏱ 26:20

5.3 不可约多项式生成极大理想 ⏱ 10:10

命题(本讲核心) 设 \(F\) 为域,\(p(x) \in F[x]\)。则
\[ p(x) \text{ 不可约} \;\;\Longleftrightarrow\;\; (p) \text{ 是 } F[x] \text{ 的极大理想}. \]
证明(点击展开)

(⇒)不可约 ⇒ \((p)\) 极大:设 \(I\) 是 \(F[x]\) 的理想且 \((p) \subseteq I\)。因为 \(F[x]\) 是主理想整环,\(I = (g)\) 由某个 \(g \in F[x]\) 生成。由理想之间的包含关系(由 \(g\) 生成的理想包含由 \(p\) 生成的理想),\(g\) 必为 \(p\) 的因式,即 \(g \mid p\)。由于 \(p\) 不可约,\(g\) 只能是常数(\(g\) 相伴于 1)或 \(g = c\,p\)(\(c \in F^\times\)):⏱ 11:30

  • 若 \(g\) 是非零常数,则 \(I = (g) = F[x]\)(可逆元生成整个环);
  • 若 \(g = c\,p\),则 \(I = (g) = (p)\)。
所以任何包含 \((p)\) 的理想 \(I\) 要么等于 \((p)\),要么等于整个环 \(F[x]\)——即 \((p)\) 是极大理想。

(⇐)\((p)\) 极大 ⇒ 不可约:反设 \(p\) 可约,则 \(p = f g\) 且 \(\deg f, \deg g < \deg p\)。于是 \((p) \subsetneq (f)\)(因为 \(p = f g \in (f)\) 且 \(f \notin (p)\)——若 \(f \in (p)\) 则 \(\deg f \ge \deg p\),矛盾)。但 \((f)\) 是包含 \((p)\) 的更大理想,且由前面的讨论 \((f) \neq F[x]\)(因 \(\deg f \ge 1\)),与 \((p)\) 极大矛盾。故 \(p\) 不可约。⏱ 14:45

5.4 推论:不可约多项式给出一个域 ⏱ 32:00

推论 结合 §5.2 与 §5.3:设 \(F\) 为域,\(p(x) \in F[x]\) 不可约,则
\[ F[x]/(p) \quad \text{是一个域}. \] 这就是「由不可约多项式生成极大理想」和「极大理想对应商环为域」两个结论合在一起的结果:\(\langle p\rangle\) 是极大理想,故商环是域。这是用不可约多项式「构造」新域的核心方法,后面域扩张、有限域的构造都会反复用到。

6商环 \(F[x]/(p)\) 的结构

代表元的选取 由 §2 的带余除法:对任意 \(f(x) \in F[x]\),存在余式 \(r(x)\),\(\deg r < \deg p\),使得
\[ f(x) + (p) = r(x) + (p). \] 因此 \(F[x]/(p)\) 中任意一个元素都可以用一个次数严格小于 \(\deg p\) 的多项式来表示。特别地,若 \(p\) 是 \(n\) 次多项式,则每个类都有唯一的代表元
\[ a_0 + a_1 x + \cdots + a_{n-1} x^{n-1}, \qquad a_i \in F. \] 这些 \(a_i\) 的取值总数决定了商环的规模:若 \(|F| = q\)(有限域),则 \(|F[x]/(p)| = q^n\)。
商环中的「降次」规则 在商环 \(F[x]/(p)\) 中,\(p(x) = 0\)。因此关系 \(p(x) = 0\) 提供了把任意次数 \(\ge n\) 的项「降级」的公式:例如若 \(p = x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \cdots + a_0\),则 \(x^n = -a_{n-1}x^{n-1} - \cdots - a_0\),用它反复替换即可把任意多项式降级到次数 \(< n\)。

6.1 商环中的 0 元与 1 元

  • 加法单位元(0 元)是 \(0 + (p) = (p)\);
  • 乘法单位元(1 元)是 \(1 + (p)\)。

注意 0 元「就是由 \(p\) 生成的理想本身」——它恰好是 \(F[x]\) 中所有被 \(p\) 整除的多项式组成的集合。这也呼应了 §5 中「由 \(p\) 生成的理想」的语言。⏱ 39:00

7例 1:\(\mathbb{Q}[x] / (x^2 + 2x + 2)\) ⏱ 35:30

取系数域为有理数域 \(\mathbb{Q}\),考虑二次多项式 \(p(x) = x^2 + 2x + 2\)。

7.1 \(p\) 在 \(\mathbb{Q}[x]\) 中不可约 ⏱ 35:55

若 \(p\) 可约,则作为二次多项式它必能写成两个一次多项式之积(系数都在 \(\mathbb{Q}\) 中):

\[ x^2 + 2x + 2 = (x - a)(x - b), \qquad a, b \in \mathbb{Q}. \]
由因式定理这等价于「\(p\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上有一个根」。但配方:
\[ x^2 + 2x + 2 = (x+1)^2 + 1. \]
对任意 \(x \in \mathbb{Q}\)(乃至任意实数),\((x+1)^2 + 1 > 0\),故 \(p(x) \neq 0\);也就是说 \(p\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上没有根(甚至没有实根),矛盾。因此 \(p(x)\) 在 \(\mathbb{Q}[x]\) 中不可约。⏱ 38:10

7.2 商环是域,元素可写成一次多项式

由 §5.4,令 \(I = (x^2 + 2x + 2)\),则 \(\mathbb{Q}[x] / I\) 是一个域。由带余除法,任意 \(\overline{f}\) 可归约为 \(\overline{r}\) 且 \(\deg r < 2\),故该域中每个元素都可写成

\[ a_0 + a_1 x + I, \qquad a_0, a_1 \in \mathbb{Q}. \]
由于 \(\mathbb{Q}\) 有无穷元素,这个域是一个「形式上的」扩域:它同构于 \(\mathbb{Q}(\sqrt{-1}) = \mathbb{Q}(i)\)——把 \(x\) 映到 \(i\)(满足 \(x^2 = -2x - 2\),即 \(x+1\) 平方等于 \(-1\))即得。⏱ 39:55

要点 关键是先证明 \(p\) 不可约,再用 §5 的结论得出商环是域;然后借助带余除法,把域中所有元素显式地写成「次数 \(< \deg p\) 的多项式」形式。

8例 2:\(\mathbb{F}_2[x] / (x^2 + x + 1)\) ⏱ 43:38

取系数域为有限域 \(\mathbb{F}_2 = \{0, 1\}\),考虑 \(p(x) = x^2 + x + 1\)。

8.1 \(p\) 在 \(\mathbb{F}_2[x]\) 中不可约 ⏱ 43:51

假设 \(p\) 可约,则它必写成两个一次多项式之积,等价于 \(p\) 在 \(\mathbb{F}_2\) 上有根。但 \(\mathbb{F}_2\) 只有 \(0, 1\) 两个元素:

\[ p(0) = 0^2 + 0 + 1 = 1 \neq 0, \qquad p(1) = 1^2 + 1 + 1 = 3 \equiv 1 \pmod{2} \neq 0. \]
所以 \(p\) 在 \(\mathbb{F}_2\) 上没有根,\(p\) 在 \(\mathbb{F}_2[x]\) 中不可约。⏱ 44:40

8.2 商环只有 4 个元素 ⏱ 45:56

由 §5.4,\(\mathbb{F}_2[x] / (p)\) 是一个域。每个元素可写成 \(a_0 + a_1 x\)(\(a_0, a_1 \in \mathbb{F}_2\)),共 \(2 \times 2 = 4\) 个:

\[ 0,\quad 1,\quad x,\quad 1 + x. \]
这就是4 元域 \(\mathbb{F}_4\) 的构造。在商环中 \(x^2 + x + 1 = 0\),即 \(x^2 = x + 1\)(注意在 \(\mathbb{F}_2\) 中 \(-1 = 1\),所以 \(x^2 = -x - 1 = x + 1\))。

8.3 乘法表(可自算验证)

·01x1+x
00000
101x1+x
x0x1+x1
1+x01+x1x

例如:\(x \cdot x = x^2 = x + 1\)(用 \(x^2 = x+1\) 降级);\(x(1+x) = x + x^2 = x + (x+1) = 1\)(\(\mathbb{F}_2\) 中 \(2x = 0\))。由此 \(x\) 与 \(1+x\) 互为乘法逆元,验证了它确是域。⏱ 50:00

小结 · 这个例子的意义 ⏱ 50:18 由不可约多项式出发 → 证明 \(p\) 不可约(在 \(\mathbb{F}_2\) 上无根)→ 商环是域 → 元素可写成次数 \(< \deg p\) 的多项式(此处为一次)→ 写出 4 个元素与乘法表。整套流程把前面抽象结论落地到一个可计算的小域上,也是「用不可约多项式构造有限域」的标准做法。

9反例:系数环不是域时结论不成立 ⏱ 52:27

注意 · 前提很重要 上面例 1、例 2 的结论「不可约多项式生成极大理想 ⇒ 商环是域」依赖系数环是域。若把系数换成一般交换环(不是域),则同样的命题不再成立。下面用一个反例说明。

考虑整数环 \(\mathbb{Z}\)(不是域)上的多项式环 \(\mathbb{Z}[x]\),以及其中的多项式 \(p(x) = x^2 + 1\)。

9.1 \(x^2 + 1\) 是 \(\mathbb{Z}[x]\) 中的不可约元 ⏱ 53:53

若 \(x^2+1\) 可约,则写成 \((x-a)(x-b)\) 且 \(a, b \in \mathbb{Z}\),即 \(x^2+1\) 在 \(\mathbb{Z}\)(乃至 \(\mathbb{R}\))上有整数根。但 \(x^2 + 1 = 0\) 在实数中无解(\(x^2 \ge 0\),故 \(x^2+1 \ge 1\)),矛盾。所以 \(x^2 + 1\) 在 \(\mathbb{Z}[x]\) 中不可约。

9.2 但 \(\mathbb{Z}[x] / (x^2+1)\) 不是域

由 §5.2,要证商环不是域,只需证 \((x^2+1)\) 不是 \(\mathbb{Z}[x]\) 的极大理想。构造一个真包含它的真理想:取

\[ J = (x + 1,\; 2) \;\subseteq\; \mathbb{Z}[x]. \]
一方面,\(x^2 + 1 = (x-1)(x+1) + 2 \in J\)(展开:取 \(f = x-1\),\(g = 1\),则 \((x-1)(x+1) + 1 \cdot 2 = x^2 - 1 + 2 = x^2 + 1\)),故 \((x^2+1) \subseteq J\)。⏱ 57:40

另一方面:\(J\) 真包含 \((x^2+1)\)——因为 \(J\) 还含有 \(x+1\) 与常数 \(2\);而 \(J \neq \mathbb{Z}[x]\)——因为常数 \(1\) 不在 \(J\) 中(任何 \(f(x)(x+1) + g(x)\cdot 2\) 中:第一项次数 \(\ge 1\) 的项来自 \(f(x)(x+1)\),常数部分来自 \(f(0)\cdot 1 + 2g(0)\),而 \(2\) 不能给出奇数,故常数项永远是偶数,不可能为 \(1\))。

因此 \(J\) 是 \((x^2+1)\) 与 \(\mathbb{Z}[x]\) 之间的一个真理想,说明 \((x^2+1)\) 不是极大理想;再由 §5.2,\(\mathbb{Z}[x]/(x^2+1)\) 不是 域(事实上它有一个非平凡的零因子结构,例如 \((1+ix)\) 与 \((1-ix)\) 相乘等于 \(0\) 之类——具体留作练习)。⏱ 58:45

结论 · 系数必须是域 ⏱ 61:50 对比例 1、例 2(系数是域 \(\mathbb{Q}\)、\(\mathbb{F}_2\))与这个反例(系数是 \(\mathbb{Z}\),不是域):只有当系数环本身是域、且所取多项式不可约时,才能由 §5 得到「商环是域」。系数换成一般交换环时,即便多项式不可约,结论也不成立。

★重点回顾

1
结构链条:\(F[x]\) 是欧氏整环(范数 \(=\deg\))⇒ 主理想整环 ⇒ 唯一分解环;UFD 中不可约 \(\iff\) 素;任意两多项式都有 gcd 且可写成 Bézout 组合。
2
带余除法:\(f = qp + r\),\(\deg r < \deg p\) 或 \(r = 0\),唯一;商环 \(F[x]/(p)\) 中 \(f + (p) = r + (p)\)(余式与多项式在商环中相等)。
3
因式定理:\(f(\alpha) = 0 \iff (x-\alpha) \mid f\);二次多项式在 \(F\) 上可约 \(\iff\) 在 \(F\) 上有根;故判断二次多项式不可约只需「在 \(F\) 上无根」。
4
极大理想定义:\(I\) 极大 ⟺ 不存在真包含 \(I\) 的真理想(任何理想 \(J\) 含 \(I\) 则 \(J = I\) 或 \(J = R\))。
5
核心命题:\(R\)(带 1 交换环)中 \(I \neq R\),\(I\) 极大 ⟺ \(R/I\) 是域;\(F\) 为域、\(p\) 不可约 ⟺ \((p)\) 是 \(F[x]\) 的极大理想 ⟹ \(F[x]/(p)\) 是域。
6
商环元素:\(F[x]/(p)\) 中每类都有唯一代表元 \(a_0 + a_1 x + \cdots + a_{n-1}x^{n-1}\)(\(n = \deg p\));有限域 \(|F| = q\) 时 \(|F[x]/(p)| = q^n\)。
7
例 1:\(x^2 + 2x + 2\) 在 \(\mathbb{Q}[x]\) 不可约(配方 \((x+1)^2+1 > 0\) 无实根);\(\mathbb{Q}[x]/(x^2+2x+2) \cong \mathbb{Q}(i)\)。
8
例 2:\(x^2 + x + 1\) 在 \(\mathbb{F}_2[x]\) 不可约(\(p(0)=p(1)=1\));商环即 4 元域 \(\mathbb{F}_4 = \{0,1,x,x+1\}\),\(x^2 = x+1\),\(x\) 与 \(x+1\) 互为逆元。
9
反例:\(x^2 + 1\) 在 \(\mathbb{Z}[x]\) 不可约,但 \((x^2+1)\) 不是极大理想(\((x^2+1) \subsetneq (x+1, 2) \subsetneq \mathbb{Z}[x]\)),故 \(\mathbb{Z}[x]/(x^2+1)\) 不是域——系数环必须是域。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 把「不可约多项式」直接等同于「素不可约」:\(F[x]\) 中不可约 = 素 = 不可约(UFD 中三词等价),但不要把「素理想」(prime ideal)与「素元」(prime element)混为一谈——本讲 §5.2 的命题针对的是理想,而「\(p\) 不可约 \(\Rightarrow\) \((p)\) 极大」针对的是多项式生成理想。
  2. 用因式定理判断可约性时忘了二次/三次才充要:次数 \(\ge 4\) 的多项式无根不一定不可约(如 \((x^2+1)(x^2+4)\) 无实根但可约),此时「无根 ⇒ 不可约」的方向不成立。
  3. 写商环中的「降次」时忘了用商环中的关系 \(p = 0\):在 \(F[x]/(p)\) 中 \(p\) 等于 0,所以 \(x^n\) 才等于「由 \(p\) 解出的右边」;脱离商环谈这个等式是没有意义的。
  4. 把 \(F_2\) 中 \(-1\) 与 \(1\) 搞混:有限特征 2 的域中 \(-1 = 1\),故 \(x^2 = -x - 1 = x + 1\)(例 2 中降次的关键);在特征 \(\neq 2\) 的域中(例 1)\(-1 \neq 1\),不能这么处理。
  5. 证明极大理想时漏了「\(J\) 是真包含 \(I\)」的方向:极大理想定义要求 \(I\) 与 \(R\) 之间夹不到别的理想——既要证「\(I \subsetneq J\) 则 \(J = R\)」,也要证 \(I \neq R\)(否则 \(R\) 自己不算极大)。
  6. 反例中把「\((x^2+1) \subset (x+1, 2)\)」的包含关系写错方向:应证 \(x^2+1 \in (x+1, 2)\)(展开 \((x-1)(x+1) + 2\)),从而 \((x^2+1) \subseteq (x+1, 2)\);并证 \(1 \notin (x+1, 2)\) 说明它是真理想。
  7. 把「\(F[x]/(p)\) 是域」误推广到系数不是域的情形:系数是 \(\mathbb{Z}\) 时(\(x^2+1\) 不可约)商环不是域——这是本讲特意给的反例。

✎自测与作业

  1. 设 \(F\) 为域,\(p(x) \in F[x]\) 不可约。证明 \((p)\) 是 \(F[x]\) 的极大理想(用「\((p)\) 极大 ⟺ \(F[x]/(p)\) 是域」或直接证明)。并证明反向:若 \((p)\) 是极大理想,则 \(p\) 不可约。
  2. 判断 \(x^2 + x + 1\) 在 \(\mathbb{F}_3[x]\) 中是否不可约;若不可约,写出 \(\mathbb{F}_3[x]/(x^2+x+1)\) 中全部 \(9\) 个元素,并验证 \(x\) 的乘法逆元。
  3. 设 \(p(x) = x^3 + x + 1 \in \mathbb{F}_2[x]\)。证明 \(p\) 在 \(\mathbb{F}_2\) 上不可约(提示:只需检验 \(p(0)\)、\(p(1)\) 是否都为 \(1\)——对三次多项式,无根即不可约)。并写出 \(\mathbb{F}_2[x]/(p)\) 中的 \(8\) 个元素。
  4. 用带余除法把 \(x^4 + 2x^3 + x + 5\) 除以 \(p(x) = x^2 + 2x + 2\)(\(p\) 同 §7),得到 \(\mathbb{Q}[x]/(p)\) 中对应的代表元(次数 \(< 2\))。
  5. (反例验证)证明 \((x^2 + 1)\) 是 \(\mathbb{Z}[x]\) 中的非极大理想:构造理想 \(J = (x+1, 2)\),验证 \((x^2+1) \subsetneq J \subsetneq \mathbb{Z}[x]\),由此说明 \(\mathbb{Z}[x]/(x^2+1)\) 不是域。
  6. 设 \(q(x) = x^2 - 2 \in \mathbb{Q}[x]\)。证明 \(q\) 在 \(\mathbb{Q}[x]\) 中不可约,并写出 \(\mathbb{Q}[x]/(q)\) 中元素的一般形式;验证 \(\mathbb{Q}[x]/(q) \cong \mathbb{Q}(\sqrt{2})\)。
下一讲预告 第 34 讲将继续沿着「不可约多项式 → 极大理想 → 商环是域」这条线索,进入域扩张(field extensions):如何用不可约多项式构造扩域 \(F(\alpha)\)(\(\alpha\) 是 \(p\) 的根),以及最小多项式的概念。