技术问询:求α+α²在ℚ上的极小多项式(α³=p,p为素数)
首先得纠正你一开始的小误区:你令α+α²=0得到α=0或α=-1,但α³=p(p是素数),显然α不可能是0(0³=0≠p),也不可能是-1((-1)³=-1≠p,素数都是正整数),所以β=α+α²≠0,咱们换个思路一步步推导:
步骤1:设β=α+α²,利用α³=p展开β的幂次
已知α³=p,那所有α的高次幂都能转化为α的0次、1次、2次幂的组合:α⁴=α·α³=pα,α⁵=α·α⁴=pα²,以此类推。
先写基础的一次方:β = α² + α
计算二次方:β² = (α² + α)² = α⁴ + 2α³ + α²
把α⁴=pα、α³=p代入,得到:β² = pα + 2p + α²
计算三次方:β³ = (α² + α)³ = α⁶ + 3α⁵ + 3α⁴ + α³
分别替换各项:
- α⁶=(α³)²=p²
- α⁵=pα²
- α⁴=pα
- α³=p
代入后化简:β³ = p² + 3pα² + 3pα + p = p(p + 1) + 3p(α² + α)
注意到α²+α=β,所以进一步简化为:β³ = p(p + 1) + 3pβ
步骤2:整理得到β满足的多项式
把上式移项整理,就能得到β满足的三次多项式:β³ - 3pβ - p(p + 1) = 0
步骤3:证明这是ℚ上的极小多项式
首先,K=ℚ(α)在ℚ上的次数是3——因为多项式x³-p用艾森斯坦判别法可证不可约(素数p整除常数项p,p²不整除常数项,首项系数1不被p整除)。
而β=α+α²∈ℚ(α),如果β在ℚ上的次数小于3,那ℚ(β)是ℚ(α)的子域,次数只能是1,也就是β∈ℚ。但假设β=q∈ℚ,那么α²+α - q=0,结合α³=p,我们用α³=p除以α²+α - q:
α³ = α·(α²+α - q) - α² + qα = α·(α²+α - q) - (α²+α - q) + (q-1)α + q
因为α²+α - q=0,所以α³=(q-1)α + q,又因为α³=p,所以(q-1)α + (q - p)=0。
由于α是ℚ上次数为3的代数元,系数必须全为0:q-1=0且q-p=0,即1=p,但p是素数,不可能等于1,矛盾。因此β不在ℚ上,它在ℚ上的次数为3,刚才得到的三次多项式就是它的极小多项式。
内容的提问来源于stack exchange,提问作者user396850




