群环域

基本概念

定义了域、环、群

环的例子:

Mn(F[x])M_n(F[x]) 之元即为 λ−\lambda- 矩阵

Mn(F[x])M_n(F[x]) 中可以定义行列式,子式,伴随矩阵

群的例子:

域 (F,+,⋅)(F,+,\cdot) 等价于 (F,+)(F,+) 为加法交换群 (F∗,⋅)(F^*,\cdot) 为乘法群

FF 域,设 GLn(F)={A∈Mn(F)∣det⁡(A)≠0}GL_n(F)=\{A\in M_n(F)|\det(A)\neq 0\}

则 GLn(F)GL_n(F) 为乘法群。(一般线性矩阵群)

On(R)={A∈Mn(R)∣ATA=E}O_n(\R)=\{A\in M_n(\R)|A^TA=E\} 称为正交群

Un={A∈Mn(C)∣AHA=E}U_n=\{A\in M_n(\mathbb{C})|A^HA=E\} 称为酉群

RR 为交换环,U(R)U(R) 为 RR 中可逆元集,则 (U(R),⋅)(U(R),\cdot) 称为单位群

定义了子群/环/域

设 R,SR,S 为环,称 f:R→Sf:R\to S 为环同态,若 ff 保运算,即 f(a+b)=f(a)+f(b),f(ab)=f(a)f(b)f(a+b)=f(a)+f(b),f(ab)=f(a)f(b)

同态

若 f:R→Sf:R\to S 为环同态,则 Imf={f(x)∣x∈R}\text{Im} f=\{f(x)|x\in R\} 为 SS 子环且 R→ImfR\to \text{Im} f 为同构

若 f:R→Sf:R\to S 满足 R≅Imf⊂SR\cong \text{Im}f\subset S ,则 SS 为 RR 扩环

定理:设 FF 为域,RR 为 FF (通过 τ:F→R\tau:F\to R)扩环,则 ∀k∈R\forall k\in R ,φ:F[x]→R\varphi:F[x]\to R 满足 φ(∑i=0naixi)=∑i=0nτ(ai)ki\varphi(\sum\limits_{i=0}^n a_ix^i)=\sum\limits_{i=0}^n\tau(a_i)k^i 为环同态

比如说,设 AA 是幂零矩阵 (Ak=0A^k=0),研究 A−EA-E 的逆,就可以考虑 xk−1=(x−1)(1+x+…xk−1)x^k-1=(x-1)(1+x+\dots x^{k-1}) ,然后构造 F[x]F[x] 到 F[A]F[A] 的同态即可。

(Hamilton-Cayley Thm) 设 A∈Mn(F)A\in M_n(F) ,设 f(λ)=∣λE−A∣f(\lambda)=|\lambda E-A| ,则 f(A)=0f(A)=0

设 R1,R2,…,RsR_1,R_2,\dots,R_s 为环,记 ⊕i=1nRi\oplus_{i=1}^n R_i 表示它们的外直和,也就是笛卡尔积

多项式

基本概念

考虑 F[x]F[x] ,我们怎么和 Z\Z 类似的定义整除、互素、素数?

定理:设 f,g∈F[x]f,g\in F[x] ,存在 q(x),r(x)∈F[x]q(x),r(x)\in F[x]

使得 f=g⋅q(x)+r(x)f=g\cdot q(x)+r(x) ,其中 deg⁡r<deg⁡g\deg r<\deg g ,且这样的 q,rq,r 唯一

称 g(x)g(x) 整除 f(x)f(x) 当且仅当 ∃g∈F[x]\exists g\in F[x] 使得 f=g⋅qf=g\cdot q

称 gg 为 ff 因子,ff 为 gg 倍式

称 ff 与 gg 相伴若 f∣gf|g 且 g∣fg|f ,记为 f∼gf\sim g

对 f∈F[x]f\in F[x] ,定义 g1∼g2⇔f∣(g1−g2)g_1\sim g_2\Leftrightarrow f|(g_1-g_2) ,记 F[x]/f(x)F[x]F[x]/f(x)F[x] 是这样定义的等价类构成的集合,同时自然定义加、乘法,这个结构是交换环

若 d∣f,d∣gd|f,d|g 则称 dd 为 f,gf,g 公因子,自然定义最大公因子

记 (f,g)(f,g) 首 11 且为 f,gf,g 的最大公因子的多项式

裴蜀定理 ∀f,g∈F[x]\forall f,g\in F[x] ,设 dd 为 f,gf,g 最大公因子,则存在 u,v∈F[x]u,v\in F[x] 使得 d=uf+vgd=uf+vg

若 (f,g)=1(f,g)=1 则 f∣gh⇒f∣hf|gh\Rightarrow f|h

若 f∣h,g∣hf|h,g|h 且 (f,g)=1(f,g)=1 则 fg∣hfg|h

p(x)p(x) 不可约若 p(x)p(x) 只有平凡因子(即相伴元和常数)

以下四条等价:

(1) pp 不可约 (2) ∀f∈F[x]\forall f\in F[x] ,(f,g)=1(f,g)=1 或 p∣fp|f (3) p∣fg⇒p∣fp|fg\Rightarrow p|f 或 p∣gp|g (4) pp 不能分解为两个更低次的非常数多项式之积。

重因子判定

先定义形式导数,就是对于 f(x)=∑i=0naixi,f′(x)=∑i=0n−1(i+1)ai+1xif(x)=\sum\limits_{i=0}^n a_ix^i,f'(x)=\sum\limits_{i=0}^{n-1}(i+1)a_{i+1}x^i 。

命题:不可约 p(x)p(x) 为 f(x)f(x) 的 kk 重因子 ⇒\Rightarrow p(x)p(x) 为 f′(x)f'(x) 之 k−1k-1 重因子

推论:(1) 不可约 p(x)p(x) 为 ff 的 kk 重因子则 pp 为 f′,f′′,…,f(k−1)f',f'',\dots,f^{(k-1)} 之因子,非 fk(x)f^k(x) 之因子。

(2) f(x)f(x) 有重因子 ⇔\Leftrightarrow (f,f′)≠1(f,f')\neq 1

除了利用导数做判定,还有一种结式判别法

f,gf,g 有 (非平凡) 公因子 ⇔\Leftrightarrow 存在 φ,ψ∈F[x]\varphi,\psi\in F[x] 使得 deg⁡φ<deg⁡g,deg⁡ψ<deg⁡f\deg \varphi<\deg g,\deg \psi<\deg f 且 fφ=gψf\varphi=g\psi

怎么判断这样的 ψ,ϕ\psi,\phi 存在呢?考虑设 φ=∑i=0m−1uixi,ψ=∑i=0m−1vixi\varphi=\sum\limits_{i=0}^{m-1}u_ix^i,\psi=\sum\limits_{i=0}^{m-1}v_ix^i

比较 fφ=gψf\varphi=g\psi 的两边系数,如果把 ui,viu_i,v_i 都看成变量,那其实就构成了 n+mn+m 个变量和 n+mn+m 个线性方程,于是判断有解就可以计算系数矩阵的行列式是否为 00 。我们设这个系数矩阵的行列式是 R(f,g)R(f,g) ,称为 f,gf,g 的 结式 (resultant)

一些帮助计算的命题: R(f(x),(x−a)g(x))=(−1)deg⁡ff(a)R(f,g),R(fg,h)=R(f,h)R(g,h)R(f(x),(x-a)g(x))=(-1)^{\deg f}f(a)R(f,g),R(fg,h)=R(f,h)R(g,h)

多项式的根

中间有一段没听。。。根据书上内容写一下。

余数定理:f(x)f(x) 除以 x−ax-a 的余式是 f(a)f(a)

根:设 KK 是域,RR 是 KK 的扩环且是有单位元的交换环,那么对于 c∈R,f∈K[x]c\in R,f\in K[x] ,f(c)=0⇔f(c)=0\Leftrightarrow cc 是 ff 的根

定理:nn 次多项式有不超过 nn 个根。

定理:设 FF 含无限个元,z1,z2,…,zn+1∈Fz_1,z_2,\dots,z_{n+1}\in F 两两不同,则 ∀b1,b2,bn+1∈F\forall b_1,b_2,b_{n+1}\in F ,存在唯一 nn 次多项式 ff 使得 f(zi)=bi,∀i=1,2,…,n+1f(z_i)=b_i,\forall i=1,2,\dots,n+1 。

证明:发现设 f(x)=∑i=0naixif(x)=\sum\limits_{i=0}^n a_ix^i ,那么本质上就是在解一个线性方程组,且系数矩阵是范德蒙德行列式,于是一定有解。构造就是拉格朗日插值公式。

我们来看一个应用。设 FF 含无限个元,给定矩阵 A∈Mn(F),α,β∈FnA\in M_n(F),\alpha,\beta\in F^n ,证明 det(A+αTβ)=∣A∣+βTA∗αdet(A+\alpha^T\beta)=|A|+\beta^TA^{*}\alpha 。

如果 AA 可逆,自然能用降阶原理证明。

如果 AA 不可逆,考察 λE+A\lambda E+A ,只有不超过 nn 个 λ\lambda 使得 λE+A\lambda E+A 不可逆,其他点都是可逆的,就满足上面的式子。

两个 nn 次多项式有无穷个位置满足它们取值相等,那这两个多项式自然相等。

以下讨论限定 FF 是数域,也即 F⊆CF\subseteq \mathbb{C}

代数基本定理 复系数非常数多项式都在 C\mathbb{C} 中有一个根

推论:复系数多项式在复数域可以唯一分解成若干一次因式的乘积,C[x]\mathbb{C}[x] 中不可约多项式只有一次多项式

也就是说 ∀f∈C[x]\forall f\in C[x] ,ff 能唯一写成 c∏i=1s(x−zi)eic\prod\limits_{i=1}^s (x-z_i)^{e_i}

接下来考察 R[x]\mathbb{R}[x] 上的多项式分解,其实就是先考察它在 C\mathbb{C} 的根,将互为共轭的根进行配对即可,这也说明 R\R 上不可约多项式都不超过二次。