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Last edited by hbghlyj 2025-4-4 22:14三元轮换对称多项式的基本定理及其应用 林才雄,吴康 豆丁
定义 1 (三元轮换对称多项式) 若关于变元 $x, y, z$ 的多项式 $f(x, y, z)$ 是数环 $R$ 上的一个三元多项式, 且满足关系 $f(x, y, z)=f(y, z, x)=f(z, x, y)$, 则称多项式 $f(x, y, z)$ 是 关于变元 $x, y, z$ 的三元轮换对称多项式.
例如, $f(x, y, z)=x^2 y+y^2 z+z^2 x$ 是整数环上的一个三元轮换对称多项式.
定理 1(对称多项式基本定理) 数环 $R$ 上的每一个 $n$ 元对称多项式 $f(x_1, x_2, \cdots,x_n)$ 都可以表示成初等对称多项式 $\sigma_1, \sigma_2, \cdots, \sigma_n$ 的系数在 $R$ 中的多项式, 并且这种表示法是唯一的.
定理 2(三元轮换对称多项式基本定理)关于变元 $x, y, z$ 在数环 $R$ 上的任一三元轮换对称多项式 $f(x, y, z)$, 都可以表示成三元初等对称多项式 $\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3$ 外加一个轮换对称式的系数在 $R$ 中的多项式, 即可以用
$$
\sigma_1=\sum x, \sigma_2=\sum x y, \sigma_3=\sum x y z, \sigma_{31}=\sum x^2 y
$$
表示出来. 我们称 $(*)$ 式为三元初等轮换对称式.
证明:我们对 $f(x, y, z)$ 的次数 $n$ 进行数学归纳法.
(1) 当 $n=1$ 时, $f(x, y, z)=a \sum x$, 则令 $g\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}\right)=a \sigma_1$ 即可;
当 $n=2$ 时, $f(x, y, z)=a \sum x^2+b \sum x y+c \sum x$, 则令
$g\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}\right)=a \sigma_1^2+(b-2 a) \sigma_2+c \sigma_3$ 即可;
当 $n=3$ 时, $f(x, y, z)=a \sum x^3+b \sum x^2 y+c \sum x y^2+d x y z+e \sum x^2+p \sum x y+\mathrm{q} \sum x$,
则令
$$g\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}\right)=a \sigma_1^3+e \sigma_1^2+(c-3 a) \sigma_1 \sigma_2+q \sigma_1+(p-2 e) \sigma_2+(3 a-3 c+d) \sigma_3+(b-c) \sigma_{31}$$即可;
(2) 假设命题对 $f(x, y, z)$ 的次数 $n \leqslant k-1, k \geqslant 4, k \in N$ 时成立, 则当次数为 $n=k$ 时, 设多项式 $f(x, y, z)$ 按字典排序法的最前项是 $\lambda x^{\alpha_1} y^{\alpha_2} z^{\alpha_3}$, 则 $\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3=k$, 且 $\alpha_1 \geqslant \alpha_2 \geqslant \alpha_3$. 不妨假定 $f(x, y, z)$ 只含有 $\lambda x^{\alpha_1} y^{\alpha_2} z^{\alpha_3}$ 且 $\alpha_1 \geqslant \alpha_2 \geqslant \alpha_3$, 因为
$$
\begin{gathered}
\sum x^{\alpha_1} y^{\alpha_2} z^{\alpha_3}+\sum x^{\alpha_1} y^{\alpha_1 z^{\alpha_2}}=\left(x^{\alpha_1} y^{\alpha_2} z^{\alpha_3}+y^{\alpha_1} z^{\alpha_2} x^{\alpha_3}+z^{\alpha_1} x^{\alpha_2} y^{\alpha_3}\right)+\left(x^{\alpha_1} y^{\alpha_3 z^{\alpha_2}}+y^{\alpha_1} z^{\alpha_3} x^{\alpha_2}+z^{\alpha_1} x^{\alpha_3} y^{\alpha_2}\right) \\
=\sum x^{\alpha_1} y^{\alpha_1} z^{\alpha_3}\left(y^{\alpha_2-\alpha_3}+z^{\alpha_2-\alpha_3}\right)=\sum x^{\alpha_2-\alpha_3}\cdot \sum x^{\alpha_1 y^{\alpha_1} z^{\alpha_3}}-\sum x^{\alpha_1+\alpha_2-\alpha_3} y^{\alpha_1} z^{\alpha_3},
\end{gathered}
$$
其中 $\sum x^{\alpha_2-\alpha_3}, \sum x^{\alpha_1} y^{\alpha_3} z^{\alpha_3}, \sum x^{\alpha_1+\alpha_2-\alpha_3} y^{\alpha_3} z^{\alpha_3}$ 都是对称多项式, 所以由对称多项式的基本定理可得, 存在一个数环 $R$ 上的多项式 $g(x, y, z)$, 使得
$$
g\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3\right)=\sum x^{\alpha_2-\alpha_3}\cdot\sum x^{\alpha_1} y^{\alpha_1} z^{\alpha_3}-\sum x^{\alpha_1+\alpha_2-\alpha_3} y^{\alpha_3} z^{\alpha_3},
$$
下面, 我们分两种情况来讨论:
(1)若 $\alpha_1-\alpha_2 \geqslant \alpha_2-\alpha_3$, 则令
$$
\rho_1\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}\right)=\lambda \sigma_1^{\left(\alpha_1-\alpha_2\right)-\left(\alpha_2-\alpha_1\right)} \sigma_3^{\alpha^\alpha} \sigma_{31}^{\alpha_2-\alpha_1} \text {, }
$$
此时有, $\rho_1\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}\right)$ 的最前项为
$$
\lambda x^{\left(\alpha_1-\alpha_2\right)-\left(\alpha_2-\alpha_1\right)}(x y z)^{\alpha_3}\left(x^2 y\right)^{\alpha_2-\alpha_3}=\lambda x^{\alpha_1 \alpha_1 \alpha_2 z^{\alpha_3}} .
$$
(2)若 $\alpha_1-\alpha_2<\alpha_2-\alpha_3$, 则令
$$
\rho_1\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}\right)=\lambda \sigma_2^{\left(\alpha_2-\alpha_{)}\right)-\left(\alpha_1-\alpha_2\right)} \sigma_3^{\alpha_1} \sigma_{31}^{\alpha_1-\alpha_2},
$$
此时有, $\rho_1\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}\right)$ 的最前项为
$$
\lambda(x y)^{\left(\alpha_2-\alpha_3\right)-\left(\alpha_1-\alpha_2\right)}(x y z)^{\alpha_3}\left(x^2 y\right)^{\alpha_1-\alpha_2}=\lambda x^{\alpha_1 y^{\alpha_2} z^{\alpha_3}} .
$$
我们对多项式 $f_1(x, y, z)$ 继续上述步骤, 则经过有限步之后, 存在某个多项式 $f_m(x, y, z)=f_{m-1}(x, y, z)-\rho_m\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}\right), m \in N^{+}$是 $k-1$ 次的, 于是, 由归纳假设可得, 存在多项式 $h(x, y, z, u)$, 使得
$$
f_m(x, y, z)=f_{m-1}(x, y, z)-\rho_m\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}\right)=h\left(\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}\right)
$$于是有\begin{aligned} f(x, y, z) & =f_{1}(x, y, z)+\rho_{1}\left(\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}, \sigma_{31}\right) \\ & =f_{2}(x, y, z)+\rho_{2}\left(\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}, \sigma_{31}\right)+\rho_{1}\left(\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}, \sigma_{31}\right) \\ & =\cdots=f_{m}(x, y, z)+\rho_{m}\left(\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}, \sigma_{31}\right)+\cdots+\rho_{1}\left(\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}, \sigma_{31}\right) \\ & =h\left(\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}, \sigma_{31}\right)+\rho_{m}\left(\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}, \sigma_{31}\right)+\cdots+\rho_{1}\left(\sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3}, \sigma_{31}\right)\end{aligned}所以, $f(x, y, z)$ 表示成关于 $\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3, \sigma_{31}$ 的多项式. 即命题对 $\mathrm{n}=k$ 时也成立.
故根据(1)、(2), 由数学归纳法, 可知:
关于变元 $x, y, z$ 在数环 $R$ 上的任一三元轮换对称多项式 $f(x, y, z)$, 都可以表示成三元初等对称多项式 $\sigma_1, \sigma_2, \sigma_3$ 外加一个轮换对称式的系数在 $R$ 中的多项式, 即可以用 $\sigma_1=\sum x, \sigma_2=\sum x y, \sigma_3=\sum x y z, \sigma_{31}=\sum x^2 y$ 表示出来. |
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