28 第一章多项式州 可以按照字典排列写成 f(1,x2,x3)=xx2+x好x2x3+1xx好+x2x3 按照字典排列法写在多项式f(,x2,x)的和式中最前面的项称为f(x 2,.,xn)的首项,相应的系数称为f(x1,x2,xn)的首项系数 注意,f(:,2,x)的首项不十定是最高次项. 设f(xx,x)与g(sxx)是数域F上的n元多项式.如果它们的 相应项的系数都相等则(x,x)与gx,xn)称为相等.两个n元 多项式的和是以它们相应项的系数之和作为相应项的系数的多项式,记为 fx)+8(x1.x2.x) 具体地说,设 其中M,MEN”i记M=MOM2,当(k1,.,kn)eM1但(k1,k2,.,kn)EM2时, 约定b=0:而当(k1,k,k)M,(k,k2,kn)∈M2时,约定@kk,=0. 则f5)的和为 n)+gx 十b妇k)xxx 容易看出 deg( )≤max{degf(,xn,degg(,xn)} 对光多项武的加法容易验证下述公理成立: 结合律对任意x.xg,x)和x)eF[, 2, N (f(x,2, xn)+h(,x2, f(x)+(g(x 2)交换律对任意f,x,8 x)xn1. (43)存在零多项式每个系数都为零的n元多项式称为零多项式,记为0,同 时零多项式的次数约定为-.显然,0F,x小并且对任意f(, xm)EF[x1,x2.xn f(,2,xn)+0=0+f(,xn)=f(,x2,xn) (A4④)存在负多项式设 f(,2,xn)=∑a
⋅ 28 ⋅ 第一章 多 项 式 ¹ 可以按照字典排列写成 f (x, x, x) = x x + x xx + xx x + xx . 按照字典排列法写在多项式 f (x, x, . . . , xn) 的和式中最前面的项称为 f (x, x, . . . , xn) 的首项,相应的系数称为 f (x, x, . . . , xn) 的首项系数. 注意,f (x, x, . . . , xn) 的首项不一定是最高次项. 设 f (x, x, . . . , xn) 与 g(x, x, . . . , xn) 是数域 F 上的 n 元多项式.如果它们的 相应项的系数都相等.则 f (x, x, . . . , xn) 与 g(x, x, . . . , xn) 称为相等.两个 n 元 多项式的和是以它们相应项的系数之和作为相应项的系数的多项式,记为 f (x, x, . . . , xn) + g(x, x, . . . , xn). 具体地说,设 f (x, x, . . . , xn) = ∑ (k,k ,.,kn )∈M ak k⋯kn x k x k ⋯x kn n , g(x, x, . . . , xn) = ∑ (k,k ,.,kn )∈M bk k⋯kn x k x k ⋯x kn n , 其中 M, M ⊆ Nn.记 M = M∪M,当(k, k, . . . , kn) ∈ M 但(k, k, . . . , kn) ∉ M 时, 约定 bk k⋯kn = ;而当(k, k, . . . , kn) ∉ M,(k, k, . . . , kn) ∈ M 时,约定 ak k⋯kn = . 则 f (x, . . . , xn) 与 g(x, . . . , xn) 的和为 f (x, x, . . . , xn) + g(x, x, . . . , xn) = ∑ (k,k ,.,kn )∈M (ak k⋯kn + bk k⋯kn )x k x k ⋯x kn n . 容易看出, deg( f (x, . . . , xn) + g(x, . . . , xn)) ⩽ max{deg f (x, . . . , xn), deg g(x, . . . , xn)}. 对 n 元多项式的加法,容易验证下述公理成立: (A1) 结合律 对任意 f (x, x, . . . , xn), g(x, x, . . . , xn)和 h(x, x, . . . , xn) ∈F[x, x, . . . , xn], ( f (x, x, . . . , xn) + g(x, x, . . . , xn)) + h(x, x, . . . , xn) = f (x, x, . . . , xn) + (g(x, x, . . . , xn) + h(x, x, . . . , xn)); (A2) 交换律 对任意 f (x, x, . . . , xn), g(x, x, . . . , xn) ∈ F[x, x, . . . , xn], f (x, x, . . . , xn) + g(x, x, . . . , xn) = g(x, x, . . . , xn) + f (x, x, . . . , xn); (A3) 存在零多项式 每个系数都为零的 n 元多项式称为零多项式,记为 ,同 时零多项式的次数约定为 −∞.显然, ∈ F[x, x, . . . , xn],并且对任意 f (x, x, . . . , xn) ∈ F[x, x, . . . , xn], f (x, x, . . . , xn) + = + f (x, x, . . . , xn) = f (x, x, . . . , xn); (A4) 存在负多项式 设 f (x, x, . . . , xn) = ∑ (k,k ,.,kn )∈M ak k⋯kn x k x k ⋯x kn n ∈ F[x, x, . . . , xn].
51.7多元多项式环 ·29 多项式 ∑(-a%ak)[x1,x2,xn] (.)eM 称为f(x,x2,xn)的负多项式.记为-f(x,2,xn).显然。 f,x2,xm)+(-f(m,2,xn))=0=(-f(x,xn))+f(x,x2,xn): 设 f 是数域F上的n元多项式又令m:=十2,且定 M={(m.m2.m)(k.k2.k)eM(eem)Ma 则f(,x)与g(x,xx)的乘积fx。 8,x)规定 f(x1,x2,xn)g(,x2, X=c 其中 akkkbeea 显然,f(,2,.,xn)g(x,2,x)∈F[x,x2,并且其片项系数等于 f,2,)与g(,2x)的首项系数的乘积即胞 deg(())-deg f()d). 此外,对元多项式的乘法,乘法结合律、乘法交换律以及乘法对加法的分配 律成立.同时,对任意f(,x)eF[西,2. x均有 其中1是数域上的零次多项式。 于是,x在上述多项式的加法与乘法下构成个交换环它称 为数域F上的元多项式环. 习题○1.7 1.设f(,2,xg, x1证明,如果 为零多项式,则f(1,x2,x)与g(x,2,.,x)至少有一个是零多项式. 2.设f(,.xg(,2.x).h(,.x)eF[,.x小证明,如果 f(x,x2,xn)g(x1,x3,.,xn)=f(x,x2,.,x)h(x1,x2,.。,xm), 则g(,x2,xn)=h(,2xa 3.验证F[,x2,x]在n元多项式的加法与乘法下成为一个交换环
´ §1.7 多元多项式环 ⋅ 29 ⋅ 多项式 ∑ (k,k ,.,kn )∈M (−ak k⋯kn )x k x k ⋯x kn n ∈ F[x, x, . . . , xn] 称为 f (x, x, . . . , xn) 的负多项式.记为 −f (x, x, . . . , xn).显然, f (x, x, . . . , xn) + (−f (x, x, . . . , xn)) = = (−f (x, x, . . . , xn)) + f (x, x, . . . , xn). 设 f (x, x, . . . , xn) = ∑ (k,k ,.,kn )∈M ak k⋯kn x k x k ⋯x kn n , g(x, x, . . . , xn) = ∑ (ℓ,ℓ ,.,ℓn )∈M bℓ ℓ⋯ℓn x ℓ x ℓ ⋯x ℓn n , 是数域 F 上的 n 元多项式.又令 mi = ki + ℓi,i = , , . . . , n,且记 M = {(m, m, . . . , mn) ∣ (k, k, . . . , kn) ∈ M, (ℓ, ℓ, . . . , ℓm) ∈ M}. 则 f (x, x, . . . , xn) 与 g(x, x, . . . , xn) 的乘积 f (x, x, . . . , xn)g(x, x, . . . , xn) 规定 为 f (x, x, . . . , xn)g(x, x, . . . , xn) = ∑ (m,m ,.,mn )∈M cmm⋯mn x m x m ⋯x mn n , 其中 cmm⋯mn = ∑ ⩽j⩽n k j+ℓ j=mj ak k⋯kn bℓ ℓ⋯ℓn. 显然,f (x, x, . . . , xn)g(x, x, . . . , xn) ∈ F[x, x, . . . , xn],并且其首项系数等于 f (x, x, . . . , xn) 与 g(x, x, . . . , xn) 的首项系数的乘积,即 deg( f (x, x, . . . , xn)g(x, x, . . . , xn)) = deg f (x, x, . . . , xn) + deg g(x, x, . . . , xn). 此外,对 n 元多项式的乘法,乘法结合律、乘法交换律以及乘法对加法的分配 律成立.同时,对任意 f (x, x, . . . , xn) ∈ F[x, x, . . . , xn],均有 ⋅ f (x, x, . . . , xn) = f (x, x, . . . , xn) = f (x, x, . . . , xn) ⋅ , 其中 是数域 F 上的零次多项式. 于是,F[x, x, . . . , xn] 在上述多项式的加法与乘法下构成一个交换环.它称 为数域 F 上的 n 元多项式环. 习 题 1.7 1. 设 f (x, x, . . . , xn), g(x, x, . . . , xn) ∈ F[x, x, . . . , xn].证明,如果 f (x, x, . . . , xn)g(x, x, . . . , xn) 为零多项式,则 f (x, x, . . . , xn) 与 g(x, x, . . . , xn) 至少有一个是零多项式. 2. 设 f (x, x, . . . , xn), g(x, x, . . . , xn), h(x, x, . . . , xn) ∈ F[x, x, . . . , xn].证明,如果 f (x, x, . . . , xn)g(x, x, . . . , xn) = f (x, x, . . . , xn)h(x, x, . . . , xn), 则 g(x, x, . . . , xn) = h(x, x, . . . , xn). 3. 验证 F[x, x, . . . , xn] 在 n 元多项式的加法与乘法下成为一个交换环.
30. 第一章多项式州 §1.8对称多项式 设F[,x2,x]是数域F上的n元多项式环.在n元多项式中,经常遇到 的是所谓对称多项式.其定义如下 定义1.8.1设f(,x 两2图 ,xm]如果对自然数1,2,n的 任意一个排列i2,都有 ,xn】xx2x, 则f(x1,x2,x.)称为n元对称多项式 例如,容易看出欧 十xmX2X3+ 2Xm+.+xm-1比m= 都是元对称多项式它们称为n元基本对称多项式 可验证,两个元对称多项式之和、差与积仍是n元对称多项式. 此外,对任意多项式fx,x2,xn)∈F[k1,x2,xn],如果用基本对称多项 式02,0分别替换fx,x2,xn)中的未定元,xm,得到f(,o2, ,0),则f八G,》是一个关于未定元,x2,xm的对称多项式.例如取 n=3,f+2的,x.用o++x,2+x 与=xx分别替换2)的未定元,得到/ 显然,它是一个元对称多项式反之,有 定理1.81(对称多项式基本定理)设了(,是数域上的元对称 多项式则存在唯一的多项武行 ,xn,使得 f(2.)=g(.o). 其中1,2,n是数域F上的n元基本对称多项式. 证明存在性设对称多项式f(,x2,x)的首项为 akaka 则一定有k≥k2≥.≥km否则,将有某个j,使得k<k#由于f(,x2,xn)
⋅ 30 ⋅ 第一章 多 项 式 ¹ §1.8 对称多项式 设 F[x, x, . . . , xn] 是数域 F 上的 n 元多项式环.在 n 元多项式中,经常遇到 的是所谓对称多项式.其定义如下: 定义 1.8.1 设 f (x, x, . . . , xn) ∈ F[x, x, . . . , xn].如果对自然数 , , . . . , n 的 任意一个排列 i i⋯in,都有 f (xi , xi , . . . , xin ) = f (x, x, . . . , xn), 则 f (x, x, . . . , xn) 称为 n 元对称多项式. 例如,容易看出, σ = x + x + ⋯ + xn = ∑ ⩽i⩽n xi , σ = xx + ⋯ + xxn + xx + ⋯ + xxn + ⋯ + xn−xn = ∑ ⩽i<i⩽n xi xi , ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ σk = ∑ ⩽i<i<⋯<ik⩽n xi xi⋯xik , ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ σn = xx⋯xn, 都是 n 元对称多项式.它们称为 n 元基本对称多项式. 可验证,两个 n 元对称多项式之和、差与积仍是 n 元对称多项式. 此外,对任意多项式 f (x, x, . . . , xn) ∈ F[x, x, . . . , xn],如果用基本对称多项 式 σ, σ, . . . , σn 分别替换 f (x, x, . . . , xn) 中的未定元 x, x, . . . , xn,得到 f (σ, σ, . . . , σn),则 f (σ, σ, . . . , σn) 是一个关于未定元 x, x, . . . , xn 的对称多项式.例如取 n = ,f (x, x, x) = xx +x ∈ R[x, x, x].用 σ = x +x +x,σ = xx +xx +xx 与 σ = xxx 分别替换 f (x, x, x) 的未定元 x, x, x,得到 f (σ, σ, σ) = σσ + σ = x x + x x + xx + xx + x x + xx + xxx, 显然,它是一个三元对称多项式.反之,有 定理 1.8.1(对称多项式基本定理)设 f (x, x, . . . , xn) 是数域 F 上的 n 元对称 多项式.则存在唯一的多项式 g(x, x, . . . , xn) ∈ F[x, x, . . . , xn],使得 f (x, x, . . . , xn) = g(σ, σ, . . . , σn), 其中 σ, σ, . . . , σn 是数域 F 上的 n 元基本对称多项式. 证明 存在性 设对称多项式 f (x, x, . . . , xn) 的首项为 ak k⋯kn x k x k ⋯x kn n , 则一定有 k ⩾ k ⩾ ⋯ ⩾ kn.否则,将有某个 j,使得 kj < kj+.由于 f (x, x, . . . , xn)
451.8对称多项式 ·31 是对称的,则通过对换未定元和x1便可着出,f(x1,x2,xn)含有项 ak.x中x空. 显然,按字典排列法它应排在项a.k,xx.x女之前,这和ag.k,xxx为 f(:,x2,x)的首项的假设相矛盾 取n元对称多项式(,.)为 p1(x1,x2,xn)aa K.O - 容易看出,m,2,0n的首项依次是x,x 因此9(,x2,x) 的首项为a.k.xx空.始于是, f(x.x.)=f(x.x2. 是数域F上的n元对称多项式. 如果(,x2,xn)是零多项式,则f八x,p(1,x xn)是关 于m,2,0的多项式 如果f(,2,xn)是非零多项式,则f(,2 的首须a好 x资应在(x,x2,xn)的首项b62x中x好x始之前,其中23记 92(,x=bg.o 则数域F上的n元对称多项式 f(,x2,xa)=f(x,x2,)9(xx2, 为零多项式,或为非零多项式,并且(x1,x2,光,}的消项在2,x%)的 首项之前 设(,xx)为非零多项式 重复上述过程,得到对称多项武序列 (2,.x)=f,x .76,o )=f(,x2,x) 7p4(,x2 .x). 其中的消项前.=。.尊 x)是关于,o2,0n的多项式,而且f(xx,x)的首 项在f+1(,x2 设f(,X的首项为cx则m≥m2≥.≥m,并且 由于f(,2.)的项在,的项之前,故k≥m 因为适合k≥m的非负整数m,只有有限多个,而且对每个适合k1≥m1的非 负整数m1,适合m1≥m2≥.≥mn的n元非负整数组(m1,m2,.,mm)也只有有限 多个,因此存在某个j,使得f(:,x2,x)=0.于是, f(x,x)=9(,xn)+92(,xn)+.+9(名,xn) 这就证明,f(,x2,xn)可以表为系数在F中的关于1,2,0m的多项式
´ §1.8 对称多项式 ⋅ 31 ⋅ 是对称的,则通过对换未定元 xj 和 xj+ 便可着出,f (x, x, . . . , xn) 含有项 ak k⋯kn x k x k ⋯x k j− j− x k j+ j x k j j+ x k j+ j+ ⋯x kn n . 显然,按字典排列法它应排在项 ak k⋯kn x k x k ⋯x kn n 之前,这和 ak k⋯kn x k x k ⋯x kn n 为 f (x, x, . . . , xn) 的首项的假设相矛盾. 取 n 元对称多项式 ϕ(x, x, . . . , xn) 为 ϕ(x, x, . . . , xn) = ak k⋯kn σ k−k σ k−k ⋯σ kn−−kn n− σ kn n . 容易看出,σ,σ,. . . ,σn 的首项依次是 x,xx,. . . ,xx⋯xn.因此,ϕ(x, x, . . . , xn) 的首项为 ak k⋯kn x k x k ⋯x kn n .于是, f(x, x, . . . , xn) = f (x, x, . . . , xn) − ϕ(x, x, . . . , xn) 是数域 F 上的 n 元对称多项式. 如果 f(x, x, . . . , xn) 是零多项式,则 f (x, x, . . . , xn) = ϕ(x, x, . . . , xn) 是关 于 σ, σ, . . . , σn 的多项式. 如果 f(x, x, . . . , xn)是非零多项式,则 f (x, x, . . . , xn)的首项 ak k⋯kn x k x k ⋯ x kn n 应在 f(x, x, . . . , xn) 的首项 bℓ ℓ⋯ℓn x ℓ x ℓ ⋯x ℓn n 之前,其中 ℓ ⩾ ℓ ⩾ ⋯ ⩾ ℓn.记 ϕ(x, x, . . . , xn) = bℓ ℓ⋯ℓn σ ℓ−ℓ σ ℓ−ℓ ⋯σ ℓn−−ℓn n− σ ℓn n . 则数域 F 上的 n 元对称多项式 f(x, x, . . . , xn) = f(x, x, . . . , xn) − ϕ(x, x, . . . , xn) 为零多项式,或为非零多项式,并且 f(x, x, . . . , xn) 的首项在 f(x, x, . . . , xn) 的 首项之前. 设 f(x, x, . . . , xn) 为非零多项式.重复上述过程,得到对称多项式序列: f(x, x, . . . , xn) = f (x, x, . . . , xn), f(x, x, . . . , xn) = f(x, x, . . . , xn) − ϕ(x, x, . . . , xn), ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ fi+(x, x, . . . , xn) = fi(x, x, . . . , xn) − ϕi+(x, x, . . . , xn), 其中 ϕi+(x, x, . . . , xn) 是关于 σ, σ, . . . , σn 的多项式,而且 fi(x, x, . . . , xn) 的首 项在 fi+(x, x, . . . , xn) 的首项之前,i = ,, . . . . 设 fi(x, x, . . . , xn) 的首项为 cmm⋯mn x m x m ⋯x mn n ,则 m ⩾ m ⩾ ⋯ ⩾ mn,并且 由于 f (x, x, . . . , xn) 的首项在 fi(x, x, . . . , xn) 的首项之前,故 k ⩾ m. 因为适合 k ⩾ m 的非负整数 m 只有有限多个,而且对每个适合 k ⩾ m 的非 负整数 m,适合 m ⩾ m ⩾ ⋯ ⩾ mn 的 n 元非负整数组 (m, m, . . . , mn) 也只有有限 多个,因此存在某个 j,使得 fj(x, x, . . . , xn) = .于是, f (x, . . . , xn) = ϕ(x, . . . , xn) + ϕ(x, . . . , xn) + ⋯ + ϕj(x, . . . , xn). 这就证明,f (x, x, . . . , xn) 可以表为系数在 F 中的关于 σ, σ, . . . , σn 的多项式.
32 第一章多项式州 唯一性设存在g(,x,xn),h(x,x2,xn)eF[,xn],使得 f(x1,x2,xn)=g(a,02,0n)=h(C,02,n) (1.8.1) 设g(x.x)与h(.x)的首项分别为 akkk,xxx与bg6t,xx好x 于是, gom(1,2,x).2(x2x,0n(1,2,.,xm))】 的首项为 h(oi元a(x ,xn),0n(x,x2,x】 的首项为 +6ax9+46.x 由式81),ab,并且 +3+kn=+2+.+m kn-1+kn En-1+en kn =en. 由此得到k,2=2 ,kn=已.即g(,x2,xn)与h(x,x,xn)具有相 同的首项从g(x 与h(,x,.于 ,xn)中各减去首项,分别记为g(x, xx与h(显然, g1(G(x2,x02(2,xn .,xn)) e(om(x,xn),o(,x2,xn),0(,.,xn), 上式是关于的对称多项式,记为】 (2,x) 再对,x,()与h, 可证明 用吐述证明,如此 x入=h(x,X2, ■ 定理1.8.1中关于存在性部分的证明是构造性的,它给出了对称多项式表为关 于基本对称多项式,2,.,的多项式的具体方法, 各个项次数相等的多项式称为齐次多项式,否则称为非齐次多项式. 例如,多项式 是一个三次齐次多项式 对于给定的m次齐次多项式f(x1,x2,xn),可以把它的同次项归并在一起
⋅ 32 ⋅ 第一章 多 项 式 ¹ 唯一性 设存在 g(x, x, . . . , xn), h(x, x, . . . , xn) ∈ F[x, x, . . . , xn],使得 f (x, x, . . . , xn) = g(σ, σ, . . . , σn) = h(σ, σ, . . . , σn). (1.8.1) 设 g(x, x, . . . , xn) 与 h(x, x, . . . , xn) 的首项分别为 ak k⋯kn x k x k ⋯x kn n 与 bℓ ℓ⋯ℓn x ℓ x ℓ ⋯x ℓn n . 于是, g(σ(x, x, . . . , xn), σ(x, x, . . . , xn), . . . , σn(x, x, . . . , xn)) 的首项为 ak k⋯kn x k (xx) k⋯(xx⋯xn) kn = ak k⋯kn x k+k+⋯+kn x k+⋯+kn ⋯x kn n , 而 h(σ(x, x, . . . , xn), σ(x, x, . . . , xn), . . . , σn(x, x, . . . , xn)) 的首项为 bℓ ℓ⋯ℓn x ℓ+ℓ+⋯+ℓn x ℓ+⋯+ℓn ⋯x ℓn n . 由式 (1.8.1),ak k⋯kn = bℓ ℓ⋯ℓn,并且 k + k + ⋯ + kn = ℓ + ℓ + ⋯ + ℓn, k + k + ⋯ + kn− = ℓ + ℓ + ⋯ + ℓn−, ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ kn− + kn = ℓn− + ℓn, kn = ℓn. 由此得到 k = ℓ,k = ℓ,. . . ,kn = ℓn.即 g(x, x, . . . , xn) 与 h(x, x, . . . , xn) 具有相 同的首项.从 g(x, x, . . . , xn) 与 h(x, x, . . . , xn) 中各减去首项,分别记为 g(x, x, . . . , xn) 与 h(x, x, . . . , xn).显然, g(σ(x, x, . . . , xn), σ(x, x, . . . , xn), . . . , σn(x, x, . . . , xn)) = h(σ(x, x, . . . , xn), σ(x, x, . . . , xn), . . . , σn(x, x, . . . , xn)), 上式是关于 x, x, . . . , xn 的对称多项式,记为 f(x, x, . . . , xn). 再对 f(x, x, . . . , xn),g(x, x, . . . , xn) 与 h(x, x, . . . , xn) 用上述证明,如此 继续,即可证明 g(x, x, . . . , xn) = h(x, x, . . . , xn) ∎ 定理 1.8.1 中关于存在性部分的证明是构造性的,它给出了对称多项式表为关 于基本对称多项式 σ, σ, . . . , σn 的多项式的具体方法. 各个项次数相等的多项式称为齐次多项式,否则称为非齐次多项式. 例如,多项式 g(x, x, . . . , xn) = ∑ ⩽i<j⩽n x i xj 是一个三次齐次多项式. 对于给定的 m 次齐次多项式 f (x, x, . . . , xn),可以把它的同次项归并在一起