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大学数学基礎解説
文献あり

UFD上の多項式環はUFDの証明

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次の定理の証明をします。

一意分解整域A上の多項式環A[X]は一意分解整域である

まず、一意分解整域とは、0でも単元でもない元が必ず有限個の素元の積になるような整域です。なお、一般の整域Rにおいて、素元の積への分解は順序と単元倍を除いて一意的です(これが「一意」の理由)。
そのため、今回示せばよいのは「A[X]の0でも単元でもない元が有限個の素元の積に書ける」ということです。

次の定理2が証明できれば定理1もわかります。実際、整域Aの商体F上の多項式環F[X]は、
ユークリッド整域なので一意分解整域。よってf(X)A[x]はF[X]で素元(既約多項式)の積に
f(X)=p1(X)pn(X)(pi(X)F[X])
と分解できる。よって定理2より、帰納的に
f(X)=q1(X)qn(X)(qi(X)A[X])
となり、各qi(X)の構成から、qi(X)F[X]において既約であるからA[X]においても既約。

一意分解整域Rの商体をFとする。f[X]R[X]F[X]において、
f(X)=g1(X)h1(X)   (g1(X),h1(X)F[X])
と二つの多項式の積に分解すれば、f(X)R[X]において、次のように二つの多項式の積に分解する。
f(X)=g(X)h(X)   (g(X),h(X)R[X])
deg(g1)=deg(g) deg(h1)=deg(h)

g1(X),h1(X)
g1(X)=abg0(X)h1(X)=cdh0(X)(a,b,c,dR)
(g0(X),h0(X)R[X])
と書け、(最小公倍元aをかけて最大公約元bで割ればよい)
f(X)=acbdg0(X)h0(X)
となる。原始多項式の積はまた原始多項式なのでg0(X)h0(X)R[X]の原始多項式となり、次の補題により
acbdRg(X)=acbdg0(X) h(X)=h0(X)

f(X),g(X)R[X],g(X)f(X)=g(X)h(X)h(X)F[X]h(X)R[X]

f(X)=g(X)h(X)(f(X),g(X)R[X],g(X),h(X)F[X])
なら、aRh1R[X]が存在して、af(X)=g(X)h1(X)となる。
f(X)g(X)の最大公約元をそれぞれb,cとすれば、
f(X)=bf0(X),h(X)=ch0(X)f0(X),h0(X)はR[X]の原始多項式、の形に表され、
abf0(X)=cg(X)h0(X) 
f0(X),g(X)h0(X)は原始多項式よりab|cc|abとなるので
abu=cとなるRの単元uが存在して,
f0(X)=ug(X)h0(X)
となる。したがって、
f(X)=bf0(X)=g(X)buh0(X),buh0(X)R[X]
ところで、f(X)=g(X)h(X)だったので、g(X)h(X)=g(X)buh0(X)
で、F[X]は整域であるから、h(X)=buh0(X)R[X]である。

初めてこのような記事を書いたので数学的な間違いや、書き方の間違いがあるかもしれません。その時はご指摘くださるとありがたいです。

参考文献

[1]
藤崎源二郎, 体とガロア理論, 岩波書店
投稿日:202343
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