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不可约多项式有重根吗?

2021-06-07知识

这句话是不对的。正确的表述是:如果一个域 k 特征为零,那么它的代数扩张都是可分的(每个不可约多项式都没有重根)。证明也很简单:因为 f 的导数 f' 的次数比 f 少 1 。如果 f 在 k 的代数闭包里有重根,那么这个根也是 f' 的根,从而 (f, f')\ne 1 ,它们的公因子整除 f ,从而 f 是可约的。

对于特征为 p 的有限域来说,他们都是完美的(perfect),所以它们的代数扩张也都是可分的。所以有限域上的不可约多项式也没有重根。评论里举的例子 X^p-a (其中 a\in \mathbb{F}_p )是可约的,只需要注意到在 \mathbb{F}_p 里 a^p=a (费马小定理),从而 X^p-a=(X-a)^p 是可约的。

那么啥时候不可约多项式有重根呢?考虑一个例子,比如 k=\mathbb{F}_p(t) ,也就是有限域 \mathbb{F}_p 上关于字母(哑元) t 的全体有理式。注意这个域特征是 p ,但是它是无限的。考察这个域上的多项式

f(X)=X^p-t ,

这个多项式的导数是 0 (因为 p\mid pX^{p-1}=f' ),从而上面的证明对它不再适用。现在考虑它在 k 的代数闭包内的一个根 \alpha ,则 \alpha^p=t 。从而(在特征 p 的域上有freshmen's dream):

f(X)=X^p-\alpha^p=(X-\alpha)^p 。

也就是说,在 k 的代数闭包中, f 只有一个重数为 p 的根 \alpha 。

那么这个多项式在 k 上是不是不可约呢?有个简单的证明如下:因为 f\in k[X] 是首 1 的,而且它的系数其实属于整环 \mathbb{F}_p[t] ,从而它是 \mathbb{F}_p[t] 上的primitive多项式。由高斯引理,

X^p-t 在 k=\mathbb{F}_p(t) 上不可约 \iff X^p-t 在 \mathbb{F}_p[t] 上不可约 \iff X^p-t\in\mathbb{F}_p[t][X] 不可约 \iff X^p-t\in\mathbb{F}_p[t, X] 不可约 \iff X^p-t\in\mathbb{F}_p[X][t] 不可约。

这里用到了多变量多项式环的同构 \mathbb{F}_p[t][X]\cong \mathbb{F}_p[t, X]\cong \mathbb{F}_p[X][t] 。而最后一个断言是显然的,因为 f 关于 t 是一次的。当然这里其实也可以直接用爱森斯坦判别法:因为 t 是 F_p[t] 上的素元,它不能分解成两个次数更低的多项式的乘积。