Aquí hay dos resultados cruciales.
Teorema de Dedekind: Sea $f$ sea un polinomio irreducible mónico sobre $\mathbb{Z}$ de grado $n$ y que $p$ sea un primo tal que $f$ tiene raíces distintas $\bmod p$ (esto es cierto precisamente para los primos que no dividen el discriminante ). Supongamos que la factorización prima de $f \bmod p$ es $$f \equiv \prod_{i=1}^k f_i \bmod p.$$
Entonces el grupo de Galois $G$ de $f$ contiene un elemento de tipo ciclo $(\deg f_1, \deg f_2, ...)$ . En particular, si $f$ es irreducible $\bmod p$ entonces $G$ contiene un $n$ -ciclo.
Teorema de la densidad de Frobenius : La densidad de los primos con respecto a los cuales la factorización de $f \bmod p$ tiene la forma anterior es igual a la densidad de elementos de $G$ con el tipo de ciclo correspondiente. En particular, para cada tipo de ciclo existe al menos un primo de este tipo $p$ .
De ello se deduce que
$f$ es reducible $\bmod p$ para todos $p$ sólo si $G$ no contiene un $n$ -ciclo.
El valor más pequeño de $n$ para el que esto es posible es $n = 4$ donde el grupo de Galois $V_4 \cong C_2 \times C_2$ no tiene $4$ -ciclo. Así, para escribir una familia de ejemplos basta con escribir una familia de cuárticos irreducibles con grupo de Galois $V_4$ . Como se expone, por ejemplo, en esta pregunta de math.SE si $$f(x) = (x^2 - a)^2 - b$$
es irreducible y $a^2 - b$ es un cuadrado, entonces $f$ tiene grupo de Galois $V_4$ . En particular, tomando $b = a^2 - 1$ el problema se reduce a encontrar infinitas $a$ tal que $$f(x) = x^4 - 2ax^2 + 1$$
es irreducible. Obtenemos sus ejemplos estableciendo $a = 0, 5$ .
Por el teorema de la raíz racional, las únicas raíces racionales posibles de $f$ son $\pm 1$ por lo que tomando $a \neq 1$ ya garantizamos que $f$ no tiene raíces racionales. Si $f$ se divide en dos factores cuadráticos, entonces ambos tienen término constante $\pm 1$ por lo que podemos escribir $$x^4 - 2ax + 1 = (x^2 - bx \pm 1)(x^2 + bx \pm 1)$$
para algunos $b$ . Esto da $$2a = b^2 \mp 2.$$
Así $f$ es irreducible si y sólo si $2a$ no puede escribirse de la forma anterior (y tampoco $a \neq 1$ ).
Clasificación de polinomios $f$ con esta propiedad parece bastante difícil en general. Cuando $n = 4$ resulta que $V_4$ es de hecho el único subgrupo transitivo de $S_4$ que no contenga un $4$ -pero para valores más altos de $n$ debería haber muchos más, y entonces uno tiene que decir si un polinomio tiene uno de estos como grupo de Galois...
(Excepto si $n = q$ es primo; en este caso $q | |G|$ por lo que debe tener un $q$ -ciclo).
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Su afirmación inicial es falsa. Por ejemplo, $f(x)=4x^2-1$ es reducible sobre $\mathbb{Z}$ pero irreducible sobre $\mathbb{F}_2$ .
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Ah, tienes razón. Quise decir que a menos que el coeficiente principal sea cero modulo $p$ .
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¿Se consideran irreducibles los polinomios invertibles? Pensaba que no eran ni reducibles, ni irreducibles, como el entero $1$ no es ni primo ni compuesto.