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有限域上的方程與不可約多項式

2011-01-29 09:39:10孫宗明
泰山學(xué)院學(xué)報 2011年6期
關(guān)鍵詞:求根因式學(xué)報

田 力,孫宗明

(泰山學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院,山東泰安 271021)

本文研究有限域上的若干方程與若干不可約多項式,根據(jù)具體情況,將用不同的記號表示有限域.本文中,0表示域的零元,e表示域的單位元.本文所使用的符號是標(biāo)準(zhǔn)的,有限域和有限群的基本知識被認(rèn)為是熟知的,見文獻(xiàn)[1-2].

1 若干方程

本款討論有限域上的若干方程以及相關(guān)的若干問題.

1.1 方程xq+1=λ與xq+x=μ

本段在p2k元域上研究問題,記q=pk,則p2k=q2,并且,把p2k元域記為Fq2,把pk元域記為Fq,本段參見文獻(xiàn)[3-4].

先研究Fq2的一個自同構(gòu),它扮演著重要的角色.設(shè)

則σ是Fq2的自同構(gòu),并且,σ的階為2,事實(shí)上,首先,σ不是恒等映射,因為,若記Fq2的非零元素乘群為F*q2=〈c〉,則有σ(c)≠c;其次,σ2必為恒等映射,因為,對于任意的a∈Fq2,均有

另外,對于a∈Fq2,有

因此,F(xiàn)q2的自同構(gòu)σ的固定子域是Fq.

現(xiàn)在研究Fq2上的方程xq+1=λ,而λ≠0,此時,可以在群F*q2中考慮.設(shè)

則τ是F*q的同態(tài)映射.記π的象為G,核為N.由群同態(tài)基本定理得F*q2/N與G同構(gòu),且o(F*q2)= o(N)o(G).顯然,N是方程xq+1=e所有解的集合,所以,o(N)≤q+1.因為,

所以,o(G)≥q-1.但是,G是F*q的子群,從而,o(G)=q-1,τ是滿射.因此,對于λ∈F*q2,一定有y0∈,使得τ(y0)=λ,即y0q+1=λ,方程xq+1=λ有解x=y0.由o()=q-1得o(N)=q+1,從而,方程xq+1=e恰有q+1個解.因為方程xq+1=λ的解y0乘以方程xq+1=e的任一個解均得到方程xq+1=λ的解.群中一方程的解就是域中該方程的根,這樣,就有下面的

定理1.1.1 有限域Fq2上的方程xq+1=λ(λ≠0)在Fq2中恰有q+1個根.

現(xiàn)在研究Fq2上的方程xq+x=μ.設(shè)

則ρ是加群Fq2到加群Fq的同態(tài)映射.類似于上面的討論可得,ρ是滿射.同樣類似于上面的討論可得,方程xq+x=0起著與方程xq+1=e一樣的作用,此處詳細(xì)的推導(dǎo)從略.這樣,就有下面的

定理1.1.2 有限域Fq2上的方程xq+x=μ在Fq2中恰有q個根.

1.2 方程xps-x-c=0

本段在pk元域上研究問題,將pk元域記為F.

視F為加群,當(dāng)s=1時,作

則σ是加群F到F的同態(tài)映射.σ的同態(tài)核是Fp,而Fp是F的p元子域.有下面的

定理1.2.1 設(shè)xp-x-c=0(c∈F)是F上的方程,則

1)xp-x-c=0(c∈F)在F中有根當(dāng)且僅當(dāng)有a∈F使c=ap-a;

2)F中恰有pk-1個c,使xp-x-c=0(c∈F)在F中有根;

3)若xp-x-c=0(c∈F)在F中有根,則其在F中恰有p個根;

當(dāng)s>1且s|k時,pk元域F有ps元子域Fps.上面的σ變?yōu)?/p>

σ是加群F到F的同態(tài)映射,σ的同態(tài)核是Fps.可以得到下面的

定理1.2.2 設(shè)xps-x-c=0(c∈F)是F上的方程,s>1且s|k,則

1)xps-x-c=0(c∈F)在F中有根當(dāng)且僅當(dāng)有a∈F使c=aps-a;

2)F中恰有pk-s個c,使xps-x-c=0(c∈F)在F中有根;

3)若xps-x-c=0(c∈F)在F中有根,則其在F中恰有ps個根.

當(dāng)s>1但s不整除k時,記w=(s,k),s=μw,此時,研究F的子域Fpw,有結(jié)論:對于?a∈Fpw,成立aps=apw.

仍然研究

σ是加群F到F的同態(tài)映射,σ的同態(tài)核包含F(xiàn)pw,從而就得到下面的

定理1.2.3 設(shè)xps-x-c=0(c∈F)是F上的方程,s>1但s不整除k,記w=(s,k),則

1)xps-x-c=0(c∈F)在F中有根當(dāng)且僅當(dāng)有a∈F使c=aps-a;

2)F中至多有pk-w個c,使xps-x-c=0(c∈F)在F中有根;

3)若xps-x-c=0(c∈F)在F中有根,則該方程在F中至少有pw個根.本段中定理的詳細(xì)證明參見[5],此處從略.

1.3 降次定理

一般而言,方程的次數(shù)越低,討論問題越相對容易.本段從這一角度研究有限域上的方程,本段參見[6].

本段在pk元域上研究問題,將pk元域記為F.因為,F(xiàn)pl=F(l為正整數(shù)),所以,得到下面的

定理1.3.1 設(shè)是F[x]中的多項式,ni,mi,ni=plmi(i=0,1,…,k-1,k)均為正整數(shù),則

1)若α∈F是方程f(x)=0的一個根,則αpl是方程g(x)=0的一個根;

2)若β∈F是方程g(x)=0的一個根,則有γ∈F是方程f(x)=0的一個根.

求F上的方程的根,可以轉(zhuǎn)化為求F上的次數(shù)<pk的某一方程的根,即有下面的

定理1.3.2 設(shè)

h(x),r(x)∈F[x],并且r(x)=0或deg(r(x))<pk,則

1)當(dāng)r(x)=0時,F(xiàn)的元素均為方程f(x)=0的根;

2)當(dāng)r(x)≠0時,方程f(x)=0與r(x)=0在F中的根的集合相同.在上面定理的1)中,方程f(x)=0在F必有重根,于是,就有下面的問題1.3.3 在定理1.3.2的1)的情況下,方程f(x)=0在F中重根的狀況.

1.4 二項方程的降次與求根

本段在pk元域上研究問題,將pk元域記為F,本段參見文獻(xiàn)[7-8].研究二項方程的降次,有下面的

定理1.4.1 設(shè)

其中q,r是整數(shù),則方程xn=b與xr=b在F中有相同的根的集合.

實(shí)際上,方程的次數(shù)可以進(jìn)一步降低,即有下面的

定理1.4.2 設(shè)

其中r,d均為正整數(shù),s是整數(shù),則xr=b在F中的根是xd=bs的根.

定理1.4.3 設(shè)d|(pk-1),m是c在F的非零元素乘群F*中的階,則xd=c在F中的根是xdm=e的根.

定理1.4.4 設(shè)

則a1,a2,…,ad是xd=e在F中的不同的根.

定理1.4.5 設(shè)a0是xd=c在F中的一個根,

a1,a2,…,ad

是xd=e在F中的不同的根,則

是xd=c在F中的不同的根.

上述的五個定理容易證明,此處從略.根據(jù)這五個定理,設(shè)計出求根的具體方法,有下面的

方法1.4.6 求二項方程的根的方法如下:

第一步,由定理1.4.1與1.4.2,將xn=b的次數(shù)降低,化為xd=bs=c,并且,d|(pk-1);

第二步,記定理1.4.3中的dm=w,解決xw=e,由定理1.4.1與1.4.2,將xw=e轉(zhuǎn)化為xd1=e,并且,d1|(pk-1),再由定理1.4.4,求出xd1=e的d1個根;

第三步,由定理1.4.3,xd=c是xw=e的根,求得xw=e的一切根后,代入驗證,得到xd=c的一個根a0;

第四步,由定理1.4.4,得到xd=e的d個根a1,a2,…,ad,從而,由定理1.4.5得到xd=c的d個根a0a1,a0a2,…,a0ad;

第五步,由定理1.4.2,將xd=c的根代入xn=b,進(jìn)行驗證,以得到xn=b的根.

2 不可約多項式

本款中,將pk元域記為F.

2.1 篩法

本段給出確定F上的不可約多項式的方法.

F上的次數(shù)≥1而≤n的多項式有有限個.一般地,F(xiàn)上的s次多項式有(q-1)qs個,其中,q=pk,并且,可以按一定程序?qū)⑺鼈兣帕谐鰜?于是,就可以將F上的次數(shù)≥1而≤n的多項式按一定程序全部排列出來,且次數(shù)小的在前,次數(shù)大的在后.

這樣排好之后,就可以仿照求素數(shù)的篩法進(jìn)行.做法是:將排在最前面的多項式圈起來,而后劃去它的一切倍式,剩下的沒有圈且沒有劃去的多項式中,排在最前面的是不可約多項式,將它圈起來,再劃去它的一切倍式,如此下去,直至最后一個被圈的多項式為止.所有被圈起來的多項式都是F上的不可約多項式,且是次數(shù)≥1而≤n的全部不可多項式.

所給出的方法稱為確定F上的不可約多式的篩法.

2.2 Berlekamp法

熟知,在有理數(shù)域上,有下面的

克朗奈格定理.設(shè)f(x)是n(n>0)有理系數(shù)多項式,則f(x)可以經(jīng)有限次有理運(yùn)算在有理數(shù)域上分解為不可約多項式的乘積.

克朗奈格定理的證明同時給出了具體做法,但是太麻煩了,麻煩到簡直無法實(shí)施的地步.

有Berlekampd的一個方法,利用該方法,總是可以將F上的任一個多項式f(x)分解為F上的兩兩兩不同的不可約多項式的冪的乘積,從而也就判定了f(x)是否為不可約多項式,進(jìn)一步,可以求出F上的次數(shù)≥1而≤n的全部的不可約多項式.

Berlekampd的這個方法,此處從略,參見[9].將Berlekampd的這個方法稱為Berlekampd法.

2.3 多項式的可約性

為了確定有限域上的不可約多項式,了解并掌握一些多項式的可約性當(dāng)然是有益的和必要的.本段中為了方便而將域的單位元記為1,本段參見[10].對于任意的域,成立下面的

定理2.3.1

1)若域F上的多項式f(x)的零次項為零,則f(x)在F上可約?f(x)的次數(shù)>1;

2)域F上的二次多項式f(x)在F上的可約?存在α∈F,使得f(α)=0;

3)域F上的三次多項式f(x)在F上的可約?存在α∈F,使得f(α)=0;

4)若f(x)是域F上的多項式,a,b∈F,a≠0,則f(x)在F上可約?f(ax+b)在F上可約;

5)若域F上的多項式f(x)滿足條件(f(x),f'(x))≠1,則f(x)在F上可約.

上面的定理中的4)是多項式的未定元的替換問題,參見[11],此處從略.而其他的均容易得出.

定理2.3.2 設(shè)f(x)是pk元域F上的多項式.若f(x)的每一項的次數(shù)均為p的方冪,則f(x)在F上可約.

定理2.3.3 設(shè)f(x)是2k元域F上的多項式.若f(x)的項的系數(shù)均為1,并且有偶數(shù)個項,則f(x)在F上可約.

作為定理的應(yīng)用,有下面的

例2.3.4 二元域F上的三次不可約多項式.記F={0,1},F(xiàn)[x]中有8個三次多項式:x3+x2+x +1,x3+x2+x,x3+x2+1,x3+x2,x3+x+1,x3+x,x3+1,x3.根據(jù)定理2.3.1的1),x3+x2+x,x3+x2,x3+x,x3均可約;因為1是x3+x2+x+1,x3+1的根,所以,根據(jù)定理2.3.1的3),它們均不可約;因為0,1均不是x3+x2+1,x3+x+1的根,所以,根據(jù)定理2.3.1的3),它們均不可約.因此,F(xiàn)[x]中的三次不可約多項式是:x3+x2+1,x3+x+1.

2.4 任意高次的不可約多項式

熟知,有理數(shù)域上存在任意高次的不可約多項式,有限域也是如此,本段參見文獻(xiàn)[12-14].設(shè)F是pk元域,作F[x]中的多項式xpkm-x在F上的分裂域

E=F(α1,α2,…,αpkm),其中α1,α2,…,αpkm是xpkm-x的全部根,則E恰由xpkm-x的兩兩互異的pkm個根組成,E是pkm元域.E是F的m次擴(kuò)域,又E是F的單擴(kuò)域,E=F(α),α在F上的極小多項式f(x)是F上的m次不可約多項.這樣,就得到下面的

定理2.4.1 設(shè)F是pk元域,m是任意正整數(shù),則F上存在m次不可約多項式.

實(shí)際上,該定理前面的敘述,已經(jīng)給出了該定理的一個證明.為了給出該定理的另一個證明,要用到下面的引理,證明從略.為方便,記pk=q.

引理2.4.2

1)qn-1|qm-1?n|m;

2)xqn-1-1|xqm-1-1?n|m;

3)設(shè)p(x)是F中的n次不可約多項式且p(0)≠0,則p(x)|xqm-1-1?n|m.

定理2.4.1的證明:當(dāng)m=1時,x就是F上的m次不可約多項式.

當(dāng)m>1時,研究F上的多項式

它分解為F[x]中的不可約多項式的乘積,而由引理知,f(x)的不可約因式的次數(shù)必整除m,從而其次數(shù)≤m.現(xiàn)在計算f(x)的次數(shù)<m的一切不可約因式的次數(shù)之和M.

因為,xqs-1-1與其導(dǎo)數(shù)

互素,所以,xqs-1無重因式.當(dāng)s<m時,由引理知,f(x)的一切s次不可約因式均為xqs-1的因式,它們兩兩互素,從而它們的乘積也為xqs-1-1的因式,所以,它們的次數(shù)之和≤qs-1.于是,讓s=1,2,…,m-1,就得到

因此,f(x)必有m次不可約因式g(x),即F[x]中有m次不可約多項式g(x).

定理2.4.3 設(shè)pd(x)是F[x]中所有首項系數(shù)為1的d次不可約多項式的乘積,當(dāng)d=1時x除外,則

證明 F[x]中首項系數(shù)為1的任一個d次不可約多項式都是pd(x)的因式,而pd(x)的任意兩個首項系數(shù)為1的d次不可約因式都彼此互素,所以,由引理2.4.2,當(dāng)d|m時

另一方面,由引理2.4.2,xqm-1-1的每一個d次不可約因式都是dΠ|mPd(x)的因式,而xqm-1-1沒有重因式,所以

因此,根據(jù)dΠ|mPd(x)的首項系數(shù)為1,就得到

2.5 多項式的根與不可約性

本段中,就一類多項式研究其有根與不可約性的關(guān)系.所研究的域F仍然是pk元域,1表示域的單位元.

定理2.5.1 若xp-x-c=0(c∈F)在域F中沒有根,則多項式xp-x-c(c∈F)在F[x]中不可約.

證明 用反證法.設(shè)f(x)=xp-x-c在F[x]可約,則可取f(x)的m(0<m<p)次首項系數(shù)為1的因式g(x)∈F[x].在f(x)的分裂域E中,g(x)有根r,從而,有Fp的m個元素f1,f2,…,fm,使r+f1,r+ f2,…,r+fm為g(x)在E中的m個互異的根.于是,在E[x]中,就有

從而

12m,

所以,mr∈F.再由于mr=(me)r,me∈F,me≠0,所以r∈F,引出矛盾.

容易證明,xp-x-c=0(c∈F)在F中或者有p個根,或者沒有根.于是,就有下面的

定理2.5.2 F上的多項式xp-x-c(c∈F)在F[x]或者不可約,或者完全分裂.

在下面的情況下,僅成立

定理2.5.3 設(shè)s是正整數(shù)且s|k,xps-x-c=0(c∈F)在F中沒有根,則多項式xps-x-c(c∈F)在F[x]中沒有m次真因式,其中p不整除m.

證明 反證法.設(shè)f(x)=xps-x-c在F[x]中有m次首項系數(shù)為1的真因式g(x).在f(x)的分裂域E中,g(x)有根r,從而,有Fps的m個元素f1,f2,…,fm,使r+f1,r+f2,…,r+fm為g(x)在E中的m個互異的根.于是,在E[x]中,就有

由于g(x)∈F[x],所以

所以,mr∈F.再由于mr=(me)r,me∈F,并且,p不整除m,所以me≠0,因此,r∈F,引出矛盾.

對于一般的情況,類似的結(jié)論如何,作為遺留問題,需要作進(jìn)一步的研究,參見[5].

3 不可約多項式的根號解

本款中,就不可約多項式的根,進(jìn)一步作一些探討.為方便,記pk=q,記pk元域為Fq.

先研究Fq[x]中不可約多項式的根的一些性質(zhì),證明見[15-16].

定理3.1 Fq[x]中的不可約多項式?jīng)]有重根.

定理3.2 設(shè)f(x)∈Fq[x]是Fq上的m次不可約多項式,α是f(x)的一個根,則

恰為f(x)的m個互不相同的根,α在Fq的擴(kuò)域Fqm中且Fqm=Fq(α)就是f(x)在Fq上的分裂域.

多項式的根號解曾經(jīng)是16至18世紀(jì)的250余年期間的熱門問題,吸引并困惑了諸如拉格朗日這樣的大數(shù)學(xué)家,19世紀(jì)20至30年代,相繼被挪威年輕(只活了27歲)數(shù)學(xué)家阿貝爾和法國更年輕的(只活了20歲)數(shù)學(xué)家伽羅瓦所解決,并開啟了抽象代數(shù)學(xué)的新紀(jì)元.

對于有限域而言,不可約多項式的根號解問題卻較為簡單,[17]討論了這一問題,將主要結(jié)果列出

如下,證明從略.

引理3.3

1)Fq恰由Fq[x]中的約多項式xpk-x的所有的根組成.

2)設(shè)f(x)∈Fq[x]是Fq上的m次不可約多項式,則f(x)|xqn-x?m|n.3)設(shè)Fqm是Fq的m次擴(kuò)域,則Fqm的保持Fq的元素不變的所有自同構(gòu)組成的群G是m階循環(huán)群.引理中的群G稱為Fqm對于Fq的伽羅瓦群,并且,有Fq[x]中的m次多項式f(x),使得Fqm= Fq(α),而α是f(x)的一個根,就將G稱為f(x)的伽羅瓦群.

定理3.4 設(shè)f(x)∈Fq[x]是Fq上的m次不可約多項式,則f(x)的伽羅瓦群G同構(gòu)于某個置換群〈(12…m)〉.

定理3.5 設(shè)f(x)∈Fq[x]是Fq上的m次不可約多項式,F(xiàn)q的特征p不整除m,則f(x)可以根號解.

在討論根號解時,要用到單位根和本原單位根的結(jié)論,[18]和[19]較多地進(jìn)行了研究,所得的結(jié)果是重要的,不少情況下都要用到,此處均從略.

4 其他相關(guān)問題

4.1 線性矩陣方程組

[20]類似于[21]建立了pk元域F上的線性矩陣方程組的理論,給出了下面的結(jié)果,證明從略.

定理4.1.1 設(shè)Aij是F上的mi×nj(i=1,2,…,t:j=1,2,…,w)矩陣,Xj是nj×s(j=1,2,…,w)未×swAX=B知矩陣,Bi是mi(i=1,2,…,t)矩陣,則線性方程組∑ijji(i=1,2,…,t)在F上有解當(dāng)且僅當(dāng)

定理4.1.2 設(shè)

1)Aij,Xj如定理4.1.1所述,0i是F上的mi×s(i=1,2,…,t)零矩陣; 2)記

秩(A)=r;

3)當(dāng)r<n時,η1,η2,…,ηn-r(列向量)是以A為系數(shù)矩陣的齊次線性方程組的一個基礎(chǔ)解系;

4)作

并且將Mqu從第一行開始依次按n1,n2,…,nw行的數(shù)目分塊而得到一組w個矩陣,仍然以Mqu表示該組的w個矩陣,則

1)線性齊次方程組∑

j=w1AijXj=0i(i=1,2,…,t)的一切解構(gòu)成線性空間Fn×s的一個子空間;

2)當(dāng)r<n時,Mqu(q=1,2,…,s:u=1,2,…,n-r)是子空間的一個基,從而是(n-r)s維子空間,它的一切都是,其中aqu取遍F的一切元素,并且將組合得到的矩陣從第一行開始依次按n1,

[4]討論了p2k元域中的一個n元pk+1次齊次方程的解的個數(shù),給出了下面的

定理4.1.4 p2k元域中的n元pk+1次齊次方程x2pk+x2pk+1+…+xpnk+1=1在該域中有((pk)n-(-1)n)(pk)n-1個非零解,其中1表示域的單位元.

4.2 方程的求根公式

方程的求根公式就是用方程的系數(shù)表示其根的式子.在比較久遠(yuǎn)的古代,二次方程的求根公式就已經(jīng)被埃及和巴比倫的先民們發(fā)現(xiàn)并記載.在16世紀(jì)的一段時間里,尋找三次方程的求根公式成為意大利數(shù)學(xué)家們的熱門問題,并流傳下來一些動人的故事,求根公式終于被找到,從而促使人們向著四次和更高次的方程挺進(jìn),促進(jìn)了代數(shù)學(xué)的發(fā)展,奠定了近代數(shù)學(xué)產(chǎn)生的直接基礎(chǔ).對于有限域上的方程,同樣存在求根公式的問題.

對于2k元域F上的二次方程,筆者曾就一種情況得到根的表示公式,寫成[22],于2001年發(fā)表;后來,鄭州解放軍信息學(xué)院王念平進(jìn)行了研究,寫成[23],于2004年發(fā)表;筆者認(rèn)為,這一問題尚待進(jìn)一步研究,此處從略.至于三次方程的求根公式,當(dāng)然也可以考慮.

4.3 本原多項式與本原元素

本段中,p元域記為Fp,對于Fp[x]中的多項式,建立其周期的概念,進(jìn)而,建立本原多項式的概念.Fp的m次擴(kuò)域Fpm是Fp的單擴(kuò)域,若有

則稱β是Fpm的一個本原元素,其中1表示域的單位元.本原多項式是不可約多項式.β是Fpm的一個本原元素當(dāng)且僅當(dāng)β是m次本原多項式的根.詳細(xì)的討論見[24].

4.4 n 方元素

[25]給出了n方元素的概念,并進(jìn)行了討論;[19]進(jìn)一步討論了n方元素,并給出了完全的解決.

5 結(jié)束語

從1983年筆者的[26]到2001年筆者的[27],其間的十幾年筆者與其他代數(shù)學(xué)同行一起,解決了pk元域F上的二次方程和三次方程的問題,筆者的[28]對此作了總結(jié).

筆者的[29]-[35]討論了pk元域及其單超越擴(kuò)域上的二項方程、三項方程、因式方程,[36]對此作了總結(jié).

應(yīng)該指出,還有一些問題有待進(jìn)一步研究,本文所列的文獻(xiàn)中就提出了一些問題,另外,組合設(shè)計等有的學(xué)科也將不斷推動這方面的研究.n2,…,nw行的數(shù)目分塊而得到一組w個矩陣,仍然以Mqu表示該組的w個矩陣,分別作為X1,X2,…,Xw所取的矩陣,稱Mqu(q=1,2,…,s:u=1,2,…,n-r)為一個基礎(chǔ)解系;

3)解的個數(shù)為pks(n-r).

定理4.1.3 設(shè)Aij,Xj,Bi,0i如定理4.1.1和定理4.1.2所述,N是

的一個特解,則

是其解的集合,其中N與M均取定理4.1.2中的那種分塊形式.

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[35]孫宗明.pk元域F的單超越擴(kuò)域E上的方程∑Aixn-1-i=0與∑(-A)ixn-1-i=0[J].集美大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,(2):129-132.

[36]孫宗明.pk元域及其單超越擴(kuò)域上的二項方程三項方程和因式方程[J].內(nèi)蒙古師大學(xué)報(自然科學(xué)漢文版),2011,(5):21-26.

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