Pure Mathematics
Vol. 10  No. 09 ( 2020 ), Article ID: 37607 , 5 pages
10.12677/PM.2020.109098

关于最大公因式的一个命题的推广

杨继明

玉溪师范学院数学系,云南 玉溪

E

收稿日期:2020年8月17日;录用日期:2020年9月8日;发布日期:2020年9月15日

摘要

最大公因式是高等代数的重要内容之一。本文推广了关于最大公因式的一个命题。

关键词

最大公因式,命题,推广

A Generalization of a Proposition of the Greatest Common Factor

Jiming Yang

Department of Mathematics, Yuxi Normal University, Yuxi Yunnan

Received: Aug. 17th, 2020; accepted: Sep. 8th, 2020; published: Sep. 15th, 2020

ABSTRACT

The greatest common factor is an important part of advanced algebra. This paper generalizes a proposition of the greatest common factor.

Keywords:The Greatest Common Factor, Proposition, Generalization

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

文 [1] 中有这样一个定理:若 a , b , c 是三个整数,且 ( a , c ) = 1 b , c 至少有一个不为零,则 ( a b , c ) = ( b , c ) 。文 [2] 把这个定理作了推广。通过类比,本文对高等代数多项式理论中相应结果进行讨论。

2. 主要结果及应用

本文中讨论的多项式都是数域P上的多项式。在多项式理论中有这样的一个命题:

命题 若 f ( x ) , g ( x ) , h ( x ) 是三个多项式,且 ( f ( x ) , h ( x ) ) = 1 g ( x ) , h ( x ) 至少有一个不为零多项式,则 ( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) = ( g ( x ) , h ( x ) )

该命题的证明可参阅文 [3]。

引理 [3] 设 f ( x ) , g ( x ) 不全为零多项式,多项式 h ( x ) 的首项系数为1,则

( f ( x ) h ( x ) , g ( x ) h ( x ) ) = ( f ( x ) , g ( x ) ) h ( x ) . (1)

文 [3] 给出该引理的一个证明,下面再给出一个证明。

证易知 ( f ( x ) , g ( x ) ) h ( x ) | f ( x ) h ( x ) , ( f ( x ) , g ( x ) ) h ( x ) | g ( x ) h ( x ) ,故

( f ( x ) , g ( x ) ) h ( x ) | ( f ( x ) h ( x ) , g ( x ) h ( x ) ) .

另一方面,存在多项式 u ( x ) , v ( x ) 使得

u ( x ) f ( x ) + v ( x ) g ( x ) = ( f ( x ) , g ( x ) ) .

( f ( x ) , g ( x ) ) h ( x ) = u ( x ) f ( x ) h ( x ) + v ( x ) g ( x ) h ( x ) .

于是 ( f ( x ) h ( x ) , g ( x ) h ( x ) ) | ( f ( x ) , g ( x ) ) h ( x ) 。因此,(1)式成立。

把以上这个命题进行推广,就可以得到如下几个定理。

定理1 设 f ( x ) , g ( x ) , h ( x ) 是三个多项式, f ( x ) , h ( x ) 不全为零多项式, g ( x ) , h ( x ) 也不全为零多项式,且 ( ( f ( x ) , h ( x ) ) , ( g ( x ) , h ( x ) ) ) = 1 ,则

( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) = ( f ( x ) , h ( x ) ) ( g ( x ) , h ( x ) ) . (2)

证 因 f ( x ) , h ( x ) 不全为零多项式, g ( x ) , h ( x ) 也不全为零多项式,故 f ( x ) g ( x ) , h ( x ) 不全为零多项式,于是 ( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) , ( f ( x ) , h ( x ) ) ( g ( x ) , h ( x ) ) 都存在。下面首先证明

( f ( x ) , h ( x ) ) ( g ( x ) , h ( x ) ) | ( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) . (3)

( f ( x ) , h ( x ) ) | f ( x ) g ( x ) , ( f ( x ) , h ( x ) ) | h ( x ) ,故 ( f ( x ) , h ( x ) ) | ( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) 。同理, ( g ( x ) , h ( x ) ) | ( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) 。又因 ( ( f ( x ) , h ( x ) ) , ( g ( x ) , h ( x ) ) ) = 1 ,故(3)式成立。

再证

( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) | ( f ( x ) , h ( x ) ) ( g ( x ) , h ( x ) ) . (4)

由引理得

( f ( x ) , h ( x ) ) ( g ( x ) , h ( x ) ) = ( f ( x ) ( g ( x ) , h ( x ) ) , h ( x ) ( g ( x ) , h ( x ) ) ) ,

故要证(4)成立,只需证明

( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) | ( f ( x ) ( g ( x ) , h ( x ) ) , h ( x ) ( g ( x ) , h ( x ) ) ) . (5)

下面先证

( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) | f ( x ) ( g ( x ) , h ( x ) ) . (6)

f ( x ) 为零多项式时,结论显然正确。下面设 f ( x ) 不为零多项式,a为多项式 f ( x ) 的首项系数,

f 1 ( x ) = 1 a f ( x ) 。因为 ( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) | f ( x ) g ( x ) , ( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) | f ( x ) h ( x ) ,所以由引理得

( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) | ( f ( x ) g ( x ) , f ( x ) h ( x ) ) = f 1 ( x ) ( a g ( x ) , a h ( x ) ) = f 1 ( x ) ( g ( x ) , h ( x ) ) .

于是,(6)式成立。又因 ( f ( x ) g ( x ) , h ( x ) ) | h ( x ) ( g ( x ) , h ( x ) ) ,故(5)式成立。

由(3)和(4)两式,即知(2)式成立。

定理2 设 f 1 ( x ) , f 2 ( x ) , , f n ( x ) , g ( x ) n + 1 个多项式, f i ( x ) g ( x ) 不全为零多项式, i = 1 , 2 , , n ,且

( ( f i ( x ) , g ( x ) ) , ( f j ( x ) , g ( x ) ) ) = 1 , ( i , j = 1 , 2 , , n , i j ) ,

( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g ( x ) ) = ( f 1 ( x ) , g ( x ) ) ( f 2 ( x ) , g ( x ) ) ( f n ( x ) , g ( x ) ) .

证 对n作数学归纳法证明。

n = 1 时,根据定理1,结论正确。

假设定理2的结论对 n 1 ( n 2 ) 正确,下面由此可推出定理2的结论对n也正确。因为 f i ( x ) g ( x ) 不全为零多项式, i = 1 , 2 , , n ,所以 f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n 1 ( x ) , g ( x ) 不全为零多项式, f n ( x ) , g ( x ) 不全为零多项式。设

( ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n 1 ( x ) , g ( x ) ) , ( f n ( x ) , g ( x ) ) ) = d ( x ) .

d ( x ) 的次数 ( d ( x ) ) > 0 ,则 d ( x ) 存在不可约因式 p ( x ) ,从而

p ( x ) | ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n 1 ( x ) , g ( x ) ) , p ( x ) | ( f n ( x ) , g ( x ) ) .

于是, p ( x ) | f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n 1 ( x ) , p ( x ) | g ( x ) 。由 p ( x ) | f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n 1 ( x ) 得, p ( x ) | 某个 f r ( x ) ( 1rn1 ) 。从而 p ( x ) | ( f r ( x ) , g ( x ) ) ,故 p ( x ) | ( f r ( x ) , g ( x ) ) , p ( x ) | ( f n ( x ) , g ( x ) ) ,这与 ( ( f r ( x ) , g ( x ) ) , ( f n ( x ) , g ( x ) ) ) = 1 矛盾。故

( ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n 1 ( x ) , g ( x ) ) , ( f n ( x ) , g ( x ) ) ) = 1.

因上式成立,故由定理1及归纳假设得

( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g ( x ) ) = ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n 1 ( x ) , g ( x ) ) ( f n ( x ) , g ( x ) ) = ( f 1 ( x ) , g ( x ) ) ( f 2 ( x ) , g ( x ) ) ( f n ( x ) , g ( x ) ) .

推论1 设非零多项式 f 1 ( x ) , f 2 ( x ) , , f n ( x ) 两两互素, g ( x ) 为任意多项式,则

( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g ( x ) ) = ( f 1 ( x ) , g ( x ) ) ( f 2 ( x ) , g ( x ) ) ( f n ( x ) , g ( x ) ) .

推论2 设非零多项式 f 1 ( x ) , f 2 ( x ) , , f n ( x ) 两两互素, g ( x ) 为任意多项式,若

f 1 ( x ) | g ( x ) , f 2 ( x ) | g ( x ) , , f n ( x ) | g ( x ) ,

f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) | g ( x ) .

证 设多项式 f i ( x ) 的首项系数为 a i , i = 1 , 2 , , n 。因

f 1 ( x ) | g ( x ) , f 2 ( x ) | g ( x ) , , f n ( x ) | g ( x ) ,

( f 1 ( x ) , g ( x ) ) = 1 a 1 f 1 ( x ) , ( f 2 ( x ) , g ( x ) ) = 1 a 2 f 2 ( x ) , , ( f n ( x ) , g ( x ) ) = 1 a n f n ( x ) 。 又因 f 1 ( x ) , f 2 ( x ) , , f n ( x ) 两两互素,故由推论1得

( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g ( x ) ) = ( f 1 ( x ) , g ( x ) ) ( f 2 ( x ) , g ( x ) ) ( f n ( x ) , g ( x ) )

= 1 a 1 f 1 ( x ) 1 a 2 f 2 ( x ) 1 a n f n ( x ) = 1 a 1 a 2 a n f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) ,

所以 f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) | g ( x )

定理3 设 f 1 ( x ) , f 2 ( x ) , , f n ( x ) g 1 ( x ) , g 2 ( x ) , , g m ( x ) 是任意两组多项式,且 f i ( x ) , g j ( x ) 至少有一个不全为零多项式, i = 1 , 2 , , n ; j = 1 , 2 , , m 。若

( ( f i ( x ) , g j ( x ) ) , ( f k ( x ) , g l ( x ) ) ) = 1 i , k = 1 , 2 , , n ; j , l = 1 , 2 , , m ,但有序数对 ( i , j ) 有序数对 ( k , l ) ,这里规定当且仅当 i = j k = l 时有序数对 ( i , j ) = 有序数对 ( m , l ) ,则

( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g 1 ( x ) g 2 ( x ) g m ( x ) ) = i = 1 n j = 1 m ( f i ( x ) , g j ( x ) ) .

证 对m作数学归纳法。

m = 1 时,由定理2得定理3的结论正确。假设定理3的结论对 m 1 ( m 2 ) 正确,我们将由此推出定理3的结论对m也正确。因为 f i ( x ) , g j ( x ) 至少有一个不为零多项式, i = 1 , 2 , , n ; j = 1 , 2 , , m ,故 f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g 1 ( x ) g 2 ( x ) g m 1 ( x ) 不全为零多项式, f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g m ( x ) 不全为零多项式。设

( ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g 1 ( x ) g 2 ( x ) g m 1 ( x ) ) , ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g m ( x ) ) ) = d ( x ) .

若多项式 d ( x ) 的次数 ( d ( x ) ) 1 ,则 d ( x ) 存在不可约因式 p ( x ) 。从而

p ( x ) | ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g 1 ( x ) g 2 ( x ) g m 1 ( x ) ) ,

p ( x ) | ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g m ( x ) ) .

于是, p ( x ) | f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , p ( x ) | g 1 ( x ) g 2 ( x ) g m 1 ( x ) , p ( x ) | g m ( x ) 。但 p ( x ) 为不可约多项式,故 p ( x ) | 某个 f r ( x ) ( 1 r n ) p ( x ) | 某个 g s ( x ) ( 1 s m 1 ) ,于是 p ( x ) | ( f r ( x ) , g s ( x ) ) p ( x ) | ( f r ( x ) , g m ( x ) ) ,这与已知条件 ( ( f r ( x ) , g s ( x ) ) , ( f r ( x ) , g m ( x ) ) ) = 1 矛盾。故

( ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g 1 ( x ) g 2 ( x ) g m 1 ( x ) ) , ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g m ( x ) ) ) = 1 。于是,由定理1,定理2及归纳假设得

( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g 1 ( x ) g 2 ( x ) g m ( x ) ) = ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g 1 ( x ) g 2 ( x ) g m 1 ( x ) ) ( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g m ( x ) ) = [ i = 1 n j = 1 m 1 ( f i ( x ) , g j ( x ) ) ] i = 1 n ( f i ( x ) , g m ( x ) ) = i = 1 n j = 1 m ( f i ( x ) , g j ( x ) ) .

推论1 设 f 1 ( x ) , f 2 ( x ) , , f n ( x ) g 1 ( x ) , g 2 ( x ) , , g m ( x ) 是任意两组多项式,若前一组多项式中任一多项式与后一组多项式中任一多项式互素,则 f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) g 1 ( x ) g 2 ( x ) g m ( x ) 互素。

推论2 设 f 1 ( x ) , f 2 ( x ) , , f n ( x ) g 1 ( x ) , g 2 ( x ) , , g m ( x ) 是任意两组多项式,且多项式 f 1 ( x ) , f 2 ( x ) , , f n ( x ) 两两互素,多项式 g 1 ( x ) , g 2 ( x ) , , g m ( x ) 两两互素,则

( f 1 ( x ) f 2 ( x ) f n ( x ) , g 1 ( x ) g 2 ( x ) g m ( x ) ) = i = 1 n j = 1 m ( f i ( x ) , g j ( x ) ) .

推论3 设 f ( x ) , g ( x ) 是任意两个非零多项式,其首项系数分别为 a , b

f ( x ) = a p 1 α 1 ( x ) p 2 α 2 ( x ) p k α k ( x ) ,整数 α i 0 , i = 1 , 2 , , k

g ( x ) = b p 1 β 1 ( x ) p 2 β 2 ( x ) p k β k ( x ) ,整数 β i 0 , i = 1 , 2 , , k

其中 p 1 ( x ) , p 2 ( x ) , , p k ( x ) 是互不相同的首项系数为1的不可约多项式,则

( f ( x ) , g ( x ) ) = p 1 min ( α 1 , β 1 ) ( x ) p 2 min ( α 2 , β 2 ) ( x ) p k min ( α k , β k ) ( x ) .

证 由推论2得,

( f ( x ) , g ( x ) ) = ( p 1 α 1 ( x ) p 2 α 2 ( x ) p k α k ( x ) , p 1 β 1 ( x ) p 2 β 2 ( x ) p k β k ( x ) ) = k = 1 k j = 1 k ( p i α i ( x ) , p j β j ( x ) ) = i = 1 k ( p i α i ( x ) , p i β i ( x ) ) = i = 1 k p i min ( α i , β i ) ( x ) .

文章引用

杨继明. 关于最大公因式的一个命题的推广
A Generalization of a Proposition of the Greatest Common Factor[J]. 理论数学, 2020, 10(09): 847-851. https://doi.org/10.12677/PM.2020.109098

参考文献

  1. 1. 闵嗣鹤, 严士健. 初等数论[M]. 第三版. 北京: 高等教育出版社, 2003.

  2. 2. 杨继明. 关于最大公因数的一个定理的推广[J]. 高等数学研究, 2016, 19(4): 47-48.

  3. 3. 高哲敏, 张华, 肖薇. 高等代数专题选讲[M]. 昆明: 云南科技出版社, 1997.

期刊菜单