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求证:若整系数多项式满足f(a)=素数p,则至多有3个整数根

证明:若整系数多项式f(x)满足f(a)=p(p为素数,a为整数),则f(x)至多有三个不同整数根

咱们来一步步推导这个结论,核心是利用整系数多项式的因式分解特性:

  • 首先假设反例:假设f(x)存在四个不同的整数根,记为α₁, α₂, α₃, α₄。因为f(x)是整系数多项式,根据因式定理,它可以分解为:
    f(x) = (x-α₁)(x-α₂)(x-α₃)(x-α₄)g(x)
    这里的g(x)同样是整系数多项式。

  • 代入已知条件f(a)=p(a是整数,p是素数),我们得到:
    (a-α₁)(a-α₂)(a-α₃)(a-α₄)g(a) = p
    因为g(a)是整数(整系数多项式代入整数仍为整数),所以等式左边是几个整数的乘积,结果等于素数p。

  • 接下来分析因子的性质:
    由于α₁, α₂, α₃, α₄是不同的整数,那么a-α₁, a-α₂, a-α₃, a-α₄必然是四个不同的非零整数(如果有一个为0,那f(a)=0≠p,直接矛盾)。
    而素数p的整数因子只有±1和±p这四个可能,且它们的乘积为1×(-1)×p×(-p) = p²,显然p² ≠ p(因为p是素数,p≥2)。

  • 矛盾点出现:
    四个不同的整数相乘,再乘另一个整数g(a),结果要等于p。但四个不同整数的乘积绝对值要么是p²(用全所有p的因子),要么更大(包含其他整数),再乘任何非零整数g(a),结果的绝对值都不可能等于p;如果g(a)=0,那f(a)=0≠p,也不成立。

所以我们的反例假设不成立,也就是说f(x)不可能有四个不同的整数根,最多只能有三个。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者Stratrocrat

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