模p多项式根定理

2021-01-25  本文已影响0人  摇摆苏丹

引言

对于多项式方程,根据代数基本定理,我们能算出其根的数量。对于同余式,是否也有相似的定理?没错,它就是模p多项式根定理。

表述

p为素数,f(x) = a_0x^d + a_1x^{d-1} + \cdots + a_d是次数为d \geq 0的整系数多项式,且p \nmid a_0,则同余式f(x) \equiv 0 \ (mod \ p)最多有d个模p不同余的解(可简写为最多有d个解)。

证明

原命题的反命题是:至少存在一个首项系数不被p整除的整系数多项式F(x),使得同余式F(x) \equiv 0 \ (mod \ p)根的个数大于F(x)的次数。现在用反证法证明这个反命题不成立。
在所有满足上述条件中的多项式中取一个次数最低的,设为:
F(x) = A_0x^d + A_1x^{d-1} + \cdots + A_d
注意,满足上述条件的多项式中一定存在一个次数最低的。容易证明,当d=0时,F(x)=A_d,又p \nmid A_d,则F(x) \equiv 0 \ (mod \ p)无解,此时原命题成立,原命题的反命题不成立。我们关心的是,当d \geq 1的时候,是否存在d使得F(x) \equiv 0 \ (mod \ p)d+1甚至更多个解。可以假设这样的d存在,但是d一定有最小值。
F(x)的一组解为:
r_1,r_2,\cdots,r_{d+1}
取其中一个特解r_1,令其为r,则有F(r) \equiv 0 \ (mod \ p),以及F(x)-F(r) \equiv 0 \ (mod \ p)
\begin{array}{c} F(x)-F(r)= A_0x^d + A_1x^{d-1} + \cdots + A_d - (A_0r^d + A_1r^{d-1} + \cdots + A_d) \\ F(x)-F(r)= A_0(x^d-r^d) + A_1(x^{d-1}-r^{d-1}) + \cdots + A_{d-1}(x-r) \end{array}
对于x^i-r^i,总能提出因式x-r,因此:
F(x)-F(r)= (x-r)G(x) \equiv 0 \ (mod \ p)
其中G(x)是另一个多项式,其最高次数为d-1。令r为特解r_1,令r_kr_1p不同余的另一个解,得到:
F(r_k)-F(r_i) = (r_k-r_i)G(r_k) \equiv 0 \ (mod \ p)
由于r_kr_1p不同余,p为质数,所以p \mid G(r_k),即G(r_k) \equiv 0 \ (mod \ p)r_k可以取除了r_1的所有d个根,对于G(x)来说,r_2,r_2,\cdots,r_{d+1}都是它的根。于是G(x)就成了次数为d-1,但是有d个模p不同余的根的多项式,G(x)的根的个数大于其次数,但是G(x)的次数小于F(x),于是F(x)不是次数最低的那个多项式,原命题的反命题存在矛盾,因此原命题得证。

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