多项式环(Polynomial Ring)是环论中最重要的一类环。在环 R 上形式地添加一个不定元 x,就得到一元多项式环 R[x]。
设 R 为环。一元多项式环 R[x] 定义为所有形式表达式的集合:
R[x]={∑i=0naixiai∈R,n≥0}
其中加法按系数逐项相加,乘法由 xi⋅xj=xi+j 及分配律决定。
多项式的次数
设 f(x)=anxn+⋯+a1x+a0=0,其中 an=0。则 f 的次数 degf=n。
- 常数项非零的多项式次数为 0
- 习惯上 deg0=−∞(或未定义)
- deg(fg)=degf+degg(当 R 是整环时)
- 若 R 有零因子,上式可能不成立
R[x] 的基本性质
| R 的性质 | R[x] 的性质 |
|---|
| 交换环 | 交换环 |
| 含幺环 | 含幺环 |
| 整环 | 整环 |
| UFD | UFD(Gauss 引理) |
| PID 且 R 是域 | PID |
| 域 | PID(且可做带余除法) |
注意:R 是 PID 不一定推出 R[x] 是 PID!例如 Z 是 PID,但 Z[x] 不是 PID。
域上多项式环的特殊性质
当 F 是域时,F[x] 有非常好的性质:
带余除法(Euclidean Algorithm)
设 f,g∈F[x],g=0。则存在唯一的 q,r∈F[x] 使:
f=qg+r,degr<degg
F[x] 是 PID 且是欧几里得环
F[x] 中的理想均由某项多项式 d(x) 生成:(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) 在 F[x] 中不可约 ⟺ (f(x)) 是极大理想 ⟺ F[x]/(f(x)) 是域。
多元多项式环
R[x1,x2,…,xn]=R[x1][x2]⋯[xn]
多元多项式环不一定是 PID。例如 F[x,y] 中 (x,y) 不是主理想。
多项式环的例子
| 多项式环 | 性质 | 说明 |
|---|
| Z[x] | UFD,非 PID | 整系数多项式 |
| Q[x] | PID,欧几里得环 | 有理系数多项式 |
| R[x] | PID | (x2+1) 是极大理想 |
| Fp[x] | PID | 有限域上多项式,可构造扩域 |
| Z[i]≅Z[x]/(x2+1) | PID | 高斯整数环 |