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Factoring $x^n+n$ $\mathbb{Z}[x]$

Yo estaba trabajando en algunas polinomio irreductibilidad de los problemas, y, finalmente, llegó a preguntarse cuál enteros positivos $n$ tenía la propiedad de que la $p_n(x)=x^n+n$ es reducible $\mathbb{Z}[x]$ es decir que puede ser escrito como el producto de dos polinomios con coeficientes enteros. He encontrado dos clases de números enteros que trabajar sin demasiado esfuerzo

Clase 1: $n=4m^4, m\in \mathbb{Z}$. Aquí,

$$x^n+n=x^{4m^4}+4m^4=\left(x^{m^4}\right)^4+4m^4,$$

los factores que de acuerdo a la Sophie Germain identidad:

$$a^4 + 4b^4 = (a^2 + 2b^2 + 2ab)(a^2 + 2b^2 - 2ab).$$

Clase 2: $n=a^{a^b}$, para un entero impar $a>1$, y cualquier entero positivo $b>1$. Ahora,

$$x^{a^{a^b}}+a^{a^b}=\left(x^{a^{a^b-b}}\right)^{a^b}+a^{a^b}.$$

Desde $a$ es impar, $a^b$ es impar, por lo que este puede ser factorizado el uso de la identidad para la suma de dos impares poderes.

Ambas fueron muy directamente motivada por la consideración de las identidades de ese factor en particular binomios, y luego elegir la $n$ a fuerza de $p_n(x)$ en la forma deseada. Por desgracia, no sé de lo que ya estas identidades, y la obvia limitación de esta técnica es su incapacidad para mostrar que los demás valores de $n$ dar irreductible $p_n$.

Sospecho que la caracterización de todos $n$ va a requerir mucho más pesada maquinaria de la simple manipulaciones he usado hasta ahora, y agradecería cualquier ayuda/progreso.

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Kevin Dong Puntos 5476

Resulta $p_n(x)$ es reducible sólo cuando es "obvio". Más precisamente, el polinomio de $p_n(x)$ es reducible $\mathbb{Z}$ si y sólo si al menos una de las dos condiciones siguientes.

  • Existe una extraña prime $q$ tal que $q\,\vert\,n$ $n$ $q$th poder.
  • Tenemos $n = 4b^4$ algunos $b \in \mathbb{N}$.

Prueba. El "si", la dirección es fácil. En el primer caso, tenemos$$p_n(x) = x^n + n = \left(x^{n\over{q}} + \sqrt[q]{n}\right)\left(\sum_{k=0}^{q-1} (-1)^k \sqrt[q]{n^k} x^{{(q-1-k)n}\over{q}}\right),$$and in the second one, Sophie Germain's Identity gives us$$p_n(x) = x^{4b^4} + 4b^4 = \left( x^{2b^4} + 2bx^{b^4} + 2b^2\right)\left(x^{2b^4} - 2bx^{b^4} + 2b^2\right).$$Now, assume that $p_n(x)$ is reducible; this is equivalent to$$[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}) : \mathbb{Q}] < n$$because $\zeta_{2n} \sqrt[n]{n}$ is a root of $p_n(x)$. Let $c \in \mathbb{N}$ be the largest number such that $n$ is the $c$th power, say $n = t^c$. Let$$g = \text{gcd}(n, c),\text{ }a = t^{c\over{g}},$$then $n = a^g$.

Necesitamos estudiar el campo $\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})$. Puesto que todas las raíces de $x^n - n$ han módulo de $\sqrt[n]{n}$, el módulo de la constante término del polinomio mínimo de a $\sqrt[n]{n}$ $\mathbb{Q}$ es $$\left(\sqrt[n]{n}\right)^{[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}) : \mathbb{Q}]} = t^{{[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}): \mathbb{Q}] \cdot c}\over{n}}.$$This field is real, and so $|x| = \pm x$ for every $x \in \mathbb{Q}$, thus$$t^{{[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}): \mathbb{Q}] \cdot c}\over{n}} \in \mathbb{Q}.$$Since $t$ is not a perfect power, this implies $${{[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}): \mathbb{Q}] \cdot c}\over{n}}\in\mathbb{N},$$so $$n\text{ divides }{{[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}): \mathbb{Q}] \cdot c}},$$so $${n\over{g}}\text{ divides }{{[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]\cdot c}\over{g}}.$$Since$$\gcd\left({n\over{g}},{c\over{g}}\right)=1,$$we get $${n\over{g}}\text{ divides }[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}],$$and hence $$[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]\ge {n\over{g}}.$$On the other hand, $\sqrt[n]{n}=\sqrt[n/g]{a}$, so $$[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]=[\mathbb{Q}(\sqrt[n/g]{a}):\mathbb{Q}]\le {n\over{g}},$$hence together, we get $$[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]= {n\over{g}}.$$(Notice that this implies that the polynomial $x^n-n$ is reducible if and only if $g>1$; in other words, if and only if there exists a prime $q$ such that $q\a mediados de n$ and $n$ is the $q$th power). The field$$\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})=\mathbb{Q}(\sqrt[n/g]{a})$$has a subfield $\mathbb{Q}(\sqrt[d]{a})$ for every $d\mid(n/g)$, and similar calculation as above shows$$[\mathbb{Q}(\sqrt[d]{a}): \mathbb{Q}]=d.$$These are in fact the only subfields of $\mathbb{Q}(\sqrt[n/g]{a})$: if $F$ is any subfield of $\mathbb{Q}(\sqrt[n/g]{a})$, then $$d:=[F:\mathbb{Q}] = \frac{[\mathbb{Q}(\sqrt[n/g]{a}) : \mathbb{Q}]}{[\mathbb{Q}(\sqrt[n/g]{a}) : F]} = \frac{n}{g\cdot [\mathbb{Q}(\sqrt[n/g]{a}) : F]} $$ and the modulus of the constant term of minimal polynomial of $\sqrt[n/g]{a}$ over $F$ is$$\sqrt[n/g]{a}^{[\mathbb{Q}(\sqrt[n/g]{a}):F]}=\sqrt[d]{a}.$$This is again a real field, thus $\sqrt[d]{a}\en F$. We have$$\mathbb{Q}(\sqrt[d]{a})\subseteq F \text{ and }[\mathbb{Q}(\sqrt[d]{a}): \mathbb{Q}]=d=[F:\mathbb{Q}],$$hence$$F=\mathbb{Q}(\sqrt[d]{a}).$$

Si tenemos en cuenta su lugar en el campo de $\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n})$ y el polinomio$$x^n+n=p_n(x),$$then the first part of the above argument again gives us$$[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]\ge {n\over{g}};$$however, this time there does not have to be an equality. Together, we get $${n\over{g}} \le [\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]<n,$$so $g>1$.

Si $g$ es divisible por algún extraño primo, entonces hemos terminado. Ahora, suponga que $g$ es una potencia de $2$, decir $g=2^\ell$$\ell\in\mathbb{N}$. A continuación,$2\mid n$, lo $2\mid a$, so$$2^{2^\ell}=2^g\mid n.$$We have$$2^\ell\ge\ell+1,\text{ }\ell\in\mathbb{N},$$hence$$2 \text{ divides } {{n}\over{2^\ell}}={n\over{g}}.$$It follows the field$$\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})=\mathbb{Q}(\sqrt[n/g]{a})$$has a subfield $\mathbb{Q}(\sqrt{a})$. The fields $\mathbb{Q}$ and $\mathbb{Q}(\sqrt{a})$ are the only subfields of $\mathbb{Q}(\sqrt[n/g]{a})$ that are Galois over $\mathbb{Q}$ because $\sqrt[d]{a}$ has non-real conjugates for $d>2$. We have $$\sqrt{2}\in\mathbb{Q}(\zeta_8)\subseteq\mathbb{Q}(\zeta_{2^{2^\ell+1}})\subseteq\mathbb{Q}(\zeta_{2n})$$ and$$\sqrt{p}\in\mathbb{Q}(\zeta_{4p})\subseteq\mathbb{Q}(\zeta_{2n})$$for every odd prime $p$ dividing $a$, hence $\mathbb{Q}(\sqrt{a})\subseteq\mathbb{Q}(\zeta_{2n})$. The extension $\mathbb{Q}(\zeta_{2n})/\mathbb{Q}$ is Galois with abelian Galois group, so $$\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_{2n})/\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}))\unlhd\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_{2n})/\mathbb{Q})$$and the extension $\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})/\mathbb{Q}$ is Galois (and abelian). Together, it implies$$\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})=\mathbb{Q}(\sqrt{a}).$$Since $\mathbb{Q}(\zeta_{2n})/\mathbb{Q}$ is Galois, the fields $\mathbb{Q}(\zeta_{2n})$ and $\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})$ are linearly disjoint over $\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})$ and$$[\mathbb{Q}(\zeta_{2n},\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})]=[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}):\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})]\cdot[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})].$$Con esto, obtenemos $$[\mathbb{Q}(\zeta_{2n},\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]$$$$=[\mathbb{Q}(\zeta_{2n},\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})]\cdot[\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}] $$$$=[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}):\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})]\cdot[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n})]\cdot[\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]$$$$ ={{[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}):\mathbb{Q}]\cdot[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]}\over{[\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]}}$$$$ ={{[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}):\mathbb{Q}]\cdot[\mathbb{Q}(\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]}\over{[\mathbb{Q}(\sqrt{a}):\mathbb{Q}]}}$$$$={{\varphi(2n)\cdot n}\over{2^{\ell+1}}}.$$

Pero nosotros have$$\mathbb{Q}(\zeta_{2n},\sqrt[n]{n})=\mathbb{Q}(\zeta_{2n},\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}),$$and by the same method as above, we can show that$$[\mathbb{Q}(\zeta_{2n},\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]={{[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}):\mathbb{Q}]\cdot[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]}\over{[\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]}}$$$$={{\varphi(2n)\cdot[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]}\over{[\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]}}.$$Comparing these two expressions gives us$$[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]={{[\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]\cdot n}\over{2^{\ell+1}}}.$$Polynomial $p_n(x)$ being reducible is thus equivalent to$$[\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]<2^{\ell+1}.$$Since $$2^\ell+1\ge\ell+2,$$we have$$\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}})\subset\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+2}})\subseteq\mathbb{Q}(\zeta_{2n})$$and also $\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}})\subseteq\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n})$ because $$\zeta_{2^{\ell+1}}={{(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n})^{n\over{2^\ell}}}\over{a}}.$$Next, we have $\zeta_{2^{\ell+2}},\sqrt{a}\in\mathbb{Q}(\zeta_{2n})$ as explained above, and therefor $\zeta_{2^{\ell+2}}\sqrt{a}\in\mathbb{Q}(\zeta_{2n})$. Using once again $$2^\ell+1\ge\ell+2,$$it is also$$\zeta_{2^{\ell+2}}\sqrt{a}=(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n})^{2n/2^{\ell+2}}\in\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}).$$If we had $\zeta_{2^{\ell+2}}\sqrt{a}\notin\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}})$, then it would be$$[\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}},\zeta_{2^{\ell+2}}\sqrt{a}):\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}})]\ge2,$$y así $$[\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]\ge[\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}},\zeta_{2^{\ell+2}}\sqrt{a}):\mathbb{Q}]$$$$=[\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}},\zeta_{2^{\ell+2}}\sqrt{a}):\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}})]\cdot[\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}}):\mathbb{Q}]$$$$\ge2\varphi({2^{\ell+1}})$$$$=2^{\ell+1},$$ una contradicción. Es follows$$\zeta_{2^{\ell+2}}\sqrt{a}\in\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}})\subset\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+2}}),$$hence $\mathbb{Q}(\sqrt{a})\subseteq\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+2}})$. But the only real quadratic subfield of $\mathbb{Q}(\zeta_{2^k})$ for $k\ge3$ is $\mathbb{Q}(\sqrt{2})$ (it also has non-real quadratic subfields $\mathbb{Q}(i)$ and $\mathbb{Q}(\sqrt{-2})$), and therefore, $\mathbb{Q}(\sqrt{a})=\mathbb{Q}(\sqrt{2})$, which by Kummer theory implies $a=2b^2$ for some $b\in\mathbb{N}$. If we had $\ell\ge2$, then it would be $$\sqrt{a}=b\sqrt{2}\in\mathbb{Q}(\zeta_8)\subseteq\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}}),$$and so$$\zeta_{2^{\ell+2}}={{\zeta_{2^{\ell+2}}\sqrt{a}}\over{\sqrt{a}}} \in\mathbb{Q}(\zeta_{2^{\ell+1}}),$$ which is impossible by degree comparison. Hence, finally $$\ell=1 \implies n=a^{2^\ell}=4b^4.\tag*{$\square$}$$


Un par de comentarios están en orden. En el caso de $n=4b^4$ $g=2$ (es decir, $n$ no es un $q$th potencia para cualquier extraño prime $q$ dividiendo $b$) nos have$$[\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]\ge[\mathbb{Q}(i):\mathbb{Q}]=2,$$hence$$[\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]={{[\mathbb{Q}(\zeta_{2n})\cap\mathbb{Q}(\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}):\mathbb{Q}]\cdot n}\over4} \ge {n\over2}.$$This implies that the factors given by Sophie Germain's Identity are in this case irreducible over $\mathbb{Z}$ (because both factors have roots of the form $\zeta_{2n}\sqrt[n]{n}$ for some choice of primitive $2n$th root of unity $\zeta_{2n}$ since every primive $8$th root of unity is a $b^4$th power of some primitive $2n$th root of unity). However, in general, finding the factorization of $x^n\pm$ n en factores irreducibles parece difícil.

P. S. Mirando adelante a verle en un par de días!

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