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不可約多項式有重根嗎?

2021-06-07知識

這句話是不對的。正確的表述是:如果一個域 k 特征為零,那麽它的代數擴張都是可分的(每個不可約多項式都沒有重根)。證明也很簡單:因為 f 的導數 f' 的次數比 f 少 1 。如果 f 在 k 的代數閉包裏有重根,那麽這個根也是 f' 的根,從而 (f, f')\ne 1 ,它們的公因子整除 f ,從而 f 是可約的。

對於特征為 p 的有限體來說,他們都是完美的(perfect),所以它們的代數擴張也都是可分的。所以有限體上的不可約多項式也沒有重根。評論裏舉的例子 X^p-a (其中 a\in \mathbb{F}_p )是可約的,只需要註意到在 \mathbb{F}_p 裏 a^p=a (費馬小定理),從而 X^p-a=(X-a)^p 是可約的。

那麽啥時候不可約多項式有重根呢?考慮一個例子,比如 k=\mathbb{F}_p(t) ,也就是有限體 \mathbb{F}_p 上關於字母(啞元) t 的全體有理式。註意這個域特征是 p ,但是它是無限的。考察這個域上的多項式

f(X)=X^p-t ,

這個多項式的導數是 0 (因為 p\mid pX^{p-1}=f' ),從而上面的證明對它不再適用。現在考慮它在 k 的代數閉包內的一個根 \alpha ,則 \alpha^p=t 。從而(在特征 p 的域上有freshmen's dream):

f(X)=X^p-\alpha^p=(X-\alpha)^p 。

也就是說,在 k 的代數閉包中, f 只有一個重數為 p 的根 \alpha 。

那麽這個多項式在 k 上是不是不可約呢?有個簡單的證明如下:因為 f\in k[X] 是首 1 的,而且它的系數其實屬於整環 \mathbb{F}_p[t] ,從而它是 \mathbb{F}_p[t] 上的primitive多項式。由高斯引理,

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

這裏用到了多變量多項式環的同構 \mathbb{F}_p[t][X]\cong \mathbb{F}_p[t, X]\cong \mathbb{F}_p[X][t] 。而最後一個斷言是顯然的,因為 f 關於 t 是一次的。當然這裏其實也可以直接用愛森斯坦判別法:因為 t 是 F_p[t] 上的素元,它不能分解成兩個次數更低的多項式的乘積。