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[数论] $\frac{1}{f(x)}\bmod n$

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hbghlyj 发表于 2025-1-31 03:40 |阅读模式
@Max Alekseyev的回答 中用到了 $\frac{v(x)}{f(x)}\bmod p$,我想问,何时存在一个多项式$=\frac{1}{f(x)}\bmod p$?

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-31 03:47
求 $1+2x\in\mathbb{Z}_8[x]$ 的乘法逆元?

这里有一种解决方法(有更好的解决方法吗?):
设 $a+bx+cx^2$ 是 $1+2x$ 在 $\mathbb{Z}_8[x]$ 中的乘法逆元。那么我们有
$$(1+2x)(a+bx+cx^2) =1\pmod8$$
展开左边,比较两边的 $x^0,x^1,x^2$ 和 $x^3$ 的系数,我们得到以下方程组:
$$\begin{cases} a=1\pmod8\\ 2a+b=0\pmod8\\ 2b+c=0\pmod8\\ 2c=0\pmod8\end{cases}$$
所以 $ a=1, b=6,c=4$ 是解。因此,$1+2x$ 在 $\mathbb{Z}_8[x]$ 中的乘法逆元是 $1+6x+4x^2$。我们可以通过将它们相乘并查看是否得到 $1$ 模 $8$ 来验证这一点:
$$(1+2x)(1+6x+4x^2) = 1+ (8)x+(16)x^2+(8)x^3 \equiv 1\pmod 8$$

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-31 03:55

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-31 04:08
幂零根基(nilradical)定义为$$\mathrm{rad}(0)=\lbrace f\in R\mid f^{m}=0{\text{ for some }}m\in \mathbb {Z} _{>0}\rbrace .$$
参考文献: Commutative Algebra - David Eisenbud
Screenshot 2025-01-30 200804.png

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-31 06:13
hbghlyj 发表于 2025-1-30 19:48
$\frac{1}{f(x)}\bmod n$ 存在的条件是什么


对于 $R=\mathbb{Z}_n$,令 $d$ 为 $n$ 的squarefree part($n$ 的所有不同素因子的乘积)。那么一个多项式 $a_0+a_1x+\cdots+a_nx^n\in\mathbb{Z}_n[x]$ 是一个单位当且仅当 $\gcd(a_0,n)=1$,并且 $d|a_i$ 对于 $i=1,\ldots,n$。特别地,如果 $n$ 是无平方因数的,那么 $\mathbb{Z}_n[x]$ 中的单位仅是 $\mathbb{Z}_n$ 的单位。

为了证明这一点,我们需要一些引理。
引理 1. 设 $R$ 是一个交换环。如果 $u$ 是一个单位并且 $a$ 是幂零的,那么 $u+a$ 是一个单位。

证明. 只需证明当 $a$ 是幂零的时 $1-a$ 是一个单位。如果 $a^n=0$ 且 $n\gt 0$,那么
$$(1-a)(1+a+a^2+\cdots+a^{n-1}) = 1 - a^n = 1。$$
证毕

引理 2. 如果 $R$ 是一个环,并且 $a$ 在 $R$ 中是幂零的,那么 $ax^i$ 在 $R[x]$ 中是幂零的。

证明. 设 $n\gt 0$ 使得 $a^n=0$。那么 $(ax^i)^n = a^nx^{ni}=0$。证毕

引理 3. 设 $R$ 是一个交换环。那么
$$\bigcap\{ \mathfrak{p}\mid \mathfrak{p}\text{ 是 }R\text{ 的一个素理想}\} = \{a\in R\mid a\text{ 是幂零的}\}。$$

证明. 如果 $a$ 是幂零的,那么 $a^n = 0\in\mathfrak{p}$ 对于某些 $n\gt 0$ 和所有素理想 $\mathfrak{p}$,并且 $a^n\in\mathfrak{p}$ 意味着 $a\in\mathfrak{p}$。

反之,如果 $a$ 不是幂零的,那么不包含 $a$ 的任何正幂的理想集是非空的(它包含 $(0)$)并且在递增并集中是闭合的,因此根据佐恩引理它包含一个极大元素 $\mathfrak{m}$。如果 $x,y\notin\mathfrak{m}$,那么理想 $(x)+\mathfrak{m}$ 和 $(y)+\mathfrak{m}$ 严格包含 $\mathfrak{m}$,所以存在正整数 $m$ 和 $n$ 使得 $a^m\in (x)+\mathfrak{m}$ 和 $a^n\in (y)+\mathfrak{m}$。那么 $a^{m+n}\in (xy)+\mathfrak{m}$,所以 $xy\notin\mathfrak{m}$。因此,$\mathfrak{m}$ 是素理想,所以 $a$ 不在 $R$ 的所有素理想的交集中。证毕

定理. 设 $R$ 是一个交换环。那么
$$p(x) = a_0 + a_1x + \cdots + a_nx^n\in R[x]$$
是 $R[x]$ 中的一个单位当且仅当 $a_0$ 是 $R$ 的一个单位,并且每个 $a_i$,$i\gt 0$,是幂零的。

证明. 假设 $a_0$ 是一个单位并且每个 $a_i$ 是幂零的。那么根据引理 2,$a_ix^i$ 是幂零的,并且反复应用引理 1 我们得出 $a_0+a_1x+\cdots+a_nx^n$ 是 $R[x]$ 中的一个单位,如所述。

反之,假设 $p(x)$ 是一个单位。如果 $\mathfrak{p}$ 是 $R$ 的一个素理想,那么 $R[x]$ 模 $\mathfrak{p}$ 的约化将 $R[x]$ 映射到 $(R/\mathfrak{p})[x]$,这是一个整环上的多项式环;由于约化映射将单位映射为单位,因此 $\overline{p(x)}$ 是 $(R/\mathfrak{p})[x]$ 中的一个单位,因此 $\overline{p(x)}$ 是常数。因此,$a_i\in\mathfrak{p}$ 对于所有 $i\gt 0$。

因此,$a_i \in\bigcap\mathfrak{p}$,即 $R$ 的所有素理想的交集。$R$ 的所有素理想的交集正是 $R$ 的幂零元素集,这就证明了结果。证毕

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-31 06:29
hbghlyj 发表于 2025-1-30 22:13
$\overline{p(x)}$ 是 $(R/\mathfrak{p})[x]$ 中的一个单位,因此 $\overline{p(x)}$ 是常数。


这里是因为整环上的多项式满足$\deg(fg)=\deg(f)+\deg(g)$,所以整环上的多项式环的单位必是常数。

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-31 06:30
b[1].png Ben Lynn的笔记(nilradical的简短介绍):crypto.stanford.edu/pbc/notes/commalg/nilradical.html

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-31 06:34
若存在 $\frac{1}{f(x)}\bmod n$,唯一的条件是什么

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-31 06:35

如何判定整除?

如何判定 $\frac{f(x)}{g(x)}\bmod n$ 存在

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