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多项式环

多项式环(Polynomial Ring)是环论中最重要的一类环。在环 RR 上形式地添加一个不定元 xx,就得到一元多项式环 R[x]R[x]

定义

RR 为环。一元多项式环 R[x]R[x] 定义为所有形式表达式的集合:

R[x]={i=0naixi  |  aiR,n0}R[x] = \left\{ \sum_{i=0}^{n} a_i x^i \;\middle|\; a_i \in R, n \geq 0 \right\}

其中加法按系数逐项相加,乘法由 xixj=xi+jx^i \cdot x^j = x^{i+j} 及分配律决定。

多项式的次数

f(x)=anxn++a1x+a00f(x) = a_n x^n + \cdots + a_1 x + a_0 \neq 0,其中 an0a_n \neq 0。则 ff次数 degf=n\deg f = n

  • 常数项非零的多项式次数为 00
  • 习惯上 deg0=\deg 0 = -\infty(或未定义)
  • deg(fg)=degf+degg\deg(fg) = \deg f + \deg g(当 RR 是整环时)
  • RR 有零因子,上式可能不成立

R[x]R[x] 的基本性质

RR 的性质R[x]R[x] 的性质
交换环交换环
含幺环含幺环
整环整环
UFDUFD(Gauss 引理)
PID 且 RR 是域PID
PID(且可做带余除法)

注意RR 是 PID 不一定推出 R[x]R[x] 是 PID!例如 Z\mathbb{Z} 是 PID,但 Z[x]\mathbb{Z}[x] 不是 PID。

域上多项式环的特殊性质

FF 是域时,F[x]F[x] 有非常好的性质:

带余除法(Euclidean Algorithm)

f,gF[x]f, g \in F[x]g0g \neq 0。则存在唯一的 q,rF[x]q, r \in F[x] 使:

f=qg+r,degr<deggf = qg + r, \quad \deg r < \deg g

F[x]F[x] 是 PID 且是欧几里得环

F[x]F[x] 中的理想均由某项多项式 d(x)d(x) 生成:(d(x))(d(x))。最大公因式可由欧几里得算法求得。

不可约多项式与素理想

f(x)f(x)F[x]F[x] 中不可约     \iff (f(x))(f(x)) 是极大理想     \iff F[x]/(f(x))F[x]/(f(x)) 是域。

多元多项式环

R[x1,x2,,xn]=R[x1][x2][xn]R[x_1, x_2, \ldots, x_n] = R[x_1][x_2]\cdots[x_n]

多元多项式环不一定是 PID。例如 F[x,y]F[x, y](x,y)(x, y) 不是主理想。

多项式环的例子

多项式环性质说明
Z[x]\mathbb{Z}[x]UFD,非 PID整系数多项式
Q[x]\mathbb{Q}[x]PID,欧几里得环有理系数多项式
R[x]\mathbb{R}[x]PID(x2+1)(x^2 + 1) 是极大理想
Fp[x]\mathbb{F}_p[x]PID有限域上多项式,可构造扩域
Z[i]Z[x]/(x2+1)\mathbb{Z}[i] \cong \mathbb{Z}[x]/(x^2 + 1)PID高斯整数环