Capítulo 4

Polinomios

4.1 Introducción

Polinomios con coeficientes en A

Sea A un anillo. Llamaremos conjunto de polinomios con coe-

ficientes en A, y lo denotaremos por A[x], al conjunto de las ex-

presiones de la forma

a(x) = amxm + am−1x

m−1 + . . .+ a1x+ a0,

con los ai ∈ A y m ∈ N.

Grado

El grado de un polinomio no nulo a(x), notado grado(a(x)), es el

mayor entero n tal que an 6= 0. El polinomio cuyos coeficientes

son todos nulos se llama polinomio nulo y se denota por 0. Por

convención, su grado es grado(0) = −∞.

127

Definiciones

Sea a(x) =∑n

i=0 aixi ∈ k[x] un polinomio no nulo con an 6= 0

(de grado n).

Llamaremos término líder de a(x) al término anxn, coeficiente

líder a an y término constante a a0.

Un polinomio es mónico si su coeficiente líder es 1. Los polino-

mios se dicen constantes cuando su grado es cero, así como el

polinomio nulo.

Nota 4.1.1. Los polinomios se pueden sumar y multiplicar, extendiendo las ope-

raciones de A:

Si a(x) =∑n

i=0 aixi, b(x) =

∑m

i=0 bixi, suponiendo sin pérdida de generali-

dad que m ≥ n, podemos definir la suma como

a(x) + b(x) =n∑

i=0

(ai + bi)xi + bn+1x

n+1 + . . .+ bmxm.

Cuando m = n, basta quedarnos con el primer sumando de la expresión anterior.

Tomando de nuevo a(x) y b(x), su producto está definido como:

d(x) = a(x)b(x) =m+n∑

l=0

dlxl, donde dl =

∑

i+j=l

aibj .

Estando así definidas las operaciones, es claro que extienden las de A; basta

tomar m = n = 0. Por otro lado, también es evidente que tenemos1

• grado(a(x)+b(x)) ≤ max{grado(a(x)), grado(b(x))}, no dándose la igual-

dad solamente cuando m = n y am + bn = 0.

• grado(a(x)b(x)) ≤ grado(a(x)) + grado(b(x)) (se da la igualdad cuando Aes dominio de integridad).

Es fácil comprobar que la suma y el producto de polinomios verifican las pro-

piedades asociativa y distributiva, además de poseer la suma elemento neutro,

elemento opuesto y ser conmutativa. En otras palabras:

1Para ser estrictos, esto es cierto siempre y cuando asumamos que −∞ < n y −∞+n = −∞para cualquier n ≥ 0.

128

El anillo A[x]

El conjunto A[x] con la suma y producto definidos anteriormente

es un anillo. Además:

• Si A es un anillo conmutativo, A[x] es conmutativo.

• Si A es un anillo con elemento unidad, A[x] tiene elemento

unidad.

• Si A es dominio de integridad, A[x] es dominio de integri-

dad.

Unidades de A[x]

Si A es un dominio de integridad, un polinomio de A[x] es una

unidad si y sólo si es una constante y es una unidad en A. Es

decir, el grupo multiplicativo A[x]∗ de las unidades de A[x] es el

grupo A∗ de las unidades de A.

4.2 El anillo k[x]. Divisibilidad

En adelante consideraremos principalmente el anillo de polinomios k[x], donde kes un cuerpo (por ejemplo, Q,R,C,Fp). Este anillo de polinomios es un dominio

de integridad, conmutativo y unitario. Sus unidades son las de k, es decir, k∗ =k \ {0}. El grado de los polinomios puede ser usado como una medida que, a

modo del valor absoluto en los enteros, nos permite realizar la división euclídea.

Veremos que ésta no es la única similitud con Z.

Teorema de división

Sean f(x), g(x) ∈ k[x] dos polinomios, con g(x) 6= 0. Entonces,

existen dos únicos polinomios q(x), r(x) ∈ k[x] tales que

f(x) = q(x)g(x) + r(x)

y grado(r(x)) < grado(g(x)).

129

PRUEBA: La demostración es constructiva, indicando cómo se calculan cociente

y resto de la división euclídea.

Si grado(f(x)) < grado(g(x)) tomamos q(x) = 0, r(x) = f(x), y ya hemos

terminado nuestra construcción.

Supongamos ahora que grado(f(x)) ≥ grado(g(x)) y sean axm, bxn los tér-

minos líder de f(x), g(x) respectivamente. Escribamos

f1(x) = f(x)− (a/b)xm−ng(x);

así pues f1(x) es un polinomio de grado estrictamente inferior al de f(x) y esco-

giendo q1(x) = (a/b)xm−n, tenemos que f(x) = q1(x)g(x) + f1(x).

Aplicando el mismo razonamiento a f1(x) y así sucesivamente, logramos crear

un conjunto finito de igualdades del tipo

f(x) = q1(x)g(x) + f1(x)f1(x) = q2(x)g(x) + f2(x)

......

ft−1(x) = qt(x)g(x) + ft(x),

donde

grado(f1(x)) > grado(f2(x)) > . . . > grado(ft(x))

y como vamos descendiendo al menos una unidad el grado en cada fi(x), o bien

ft(x) = 0 o bien es de grado inferior al de g(x), y de ahí la finitud del proceso.

Poniendo

q(x) =t∑

i=1

qi(x), r(x) = ft(x)

se tiene f(x) = q(x)g(x) + r(x).

Hemos probado la existencia. Probemos ahora la unicidad. Consideremos

pues dos expresiones para f(x) que verifiquen las propiedades que establece el

teorema de división:

f(x) = q(x)g(x) + r(x) = q′(x)g(x) + r′(x);

entonces

r(x)− r′(x) = (q′(x)− q(x))g(x),

con lo que r(x)− r′(x) debe ser nulo, ya que todo múltiplo no nulo de g(x) tiene

que ser de grado mayor o igual que él. �

130

Algoritmo de división

Para calcular el cociente y el resto de la división entre f(x) y

g(x), de grados respectivos m y n.

Si m ≥ n tome

f1(x) = f(x)− (a/b)xm−ng(x) , q1(x) = (a/b)xm−n.

Repita con f1(x) y g(x) hasta que grado(ft(x)) < grado(g(x)).El cociente y el resto son

q(x) = q1(x) + . . .+ qt−1(x), r(x) = ft(x).

Si m < n, el cociente es 0 y el resto el propio f(x).

Veamos cómo funciona esto último con un ejemplo, que nos acompañará por

nuestra lectura de las próximas secciones.

Ejemplo 4.2.1. Sean

f(x) = x5 −1

2x3 + 2x2 − 3x+ 3, g(x) = 2x3 −

2

3x2 + 3x− 1

dos polinomios de Q[x]. Si queremos calcular el cociente y el resto de la división

de f(x) entre g(x), tomamos en primer lugar

f1(x) = f(x)−1

2x2g(x) =

1

3x4 − 2x3 +

5

2x2 − 3x+ 3.

Como grado(f1(x)) = 4, seguimos. Sea ahora

f2(x) = f1(x)−1

6xg(x) = −

17x3

9+ 2x2 −

17x

6+ 3.

Tenemos que seguir, pues todavía no hemos bajado de grado 3, pero este será el

último paso. Así,

f3(x) = f2(x) +17

18g(x) =

37x2

27+

37

18.

Ahora ya hemos terminado. El cociente y el resto de la división son

q(x) =1

2x2 +

1

6x−

17

18, r(x) =

37

27x2 +

37

18.

131

La división euclídea establece un paralelismo claro entre k[x] y Z que tiene su

reflejo más inmediato en el siguiente corolario.

Corolario 4.2.2. Sea I ⊂ k[x] un ideal. Entonces I es un ideal principial. Eso

es, existe m(x) ∈ k[x] tal que

I = (m(x)) = {f(x)m(x) | f(x) ∈ k[x]}.

PRUEBA: Queda como ejercicio, al ser similar a la equivalente para enteros.

�

Algunos otros resultados, circunscritos en este caso al anillo k[x] son los sui-

guientes.

Corolario 4.2.3. (Teorema del resto) Sea un polinomio f(x) ∈ k[x], y sea un

elemento del cuerpo a ∈ k. Entonces f(a) es el resto de dividir f(x) por x− a.

PRUEBA: Por el teorema de división,

f(x) = (x− a)q(x) + r(x), con grado(r(x)) < grado(x− a) = 1.

Por tanto, r(x) debe ser constante, digamos r, luego f(a) = (a− a)q(a) + r = r.

�

Raíz de un polinomio

Sea f(x) ∈ A[x] un polinomio, se dice que a ∈ A es una raíz de

f(x) si f(a) = 0.

Corolario 4.2.4. (Teorema de la raíz) Sea un polinomio f(x) ∈ k[x] de grado

positivo. Entonces f(x) tiene una raíz a ∈ k si y sólo si es divisible por x− a.

PRUEBA: En efecto, podemos escribir f(x) = q(x)(x − a) + r con r ∈ k.

Así f(a) = 0 si y sólo si r = 0, lo que equivale a que (x− a)|f(x). �

Multiplicidad de una raíz

Sean f(x) ∈ A[x] un polinomio y a ∈ A una raíz. Se llama

multiplicidad de a al mayor entero positivo m tal que (x − a)m

divide a f(x).

132

Corolario 4.2.5. (D’Alembert) Un polinomio no nulo f(x) ∈ k[x] de grado ntiene a lo sumo n raíces distintas en k.

PRUEBA: Lo probaremos por inducción en n, el grado de f(x).

Si grado(f(x)) = 0, entonces f(x) es un polinomio constante no nulo, luego

no tiene raíces en k. Nuestra hipótesis de inducción es que si h(x) es polinomio

no nulo de grado n− 1 con r raíces distintas, entonces r ≤ n− 1.

Supongamos ahora que f(x) es un polinomio de grado n > 0 y que tiene rraíces distintas a1, . . . , ar en k. Veamos que r ≤ n.

Tenemos que f(ar) = 0, luego por el teorema de la raíz f(x) = (x− ar)g(x),con grado(g(x)) = n− 1. Para cada i con 1 ≤ i ≤ r − 1,

f(ai) = 0 = (ai − ar)g(ai).

Como ai 6= ar, por fuerza g(ai) = 0. En consecuencia a1, . . . , ar−1 son raíces de

g(x) y grado(g(x)) = n− 1. Por inducción, r − 1 ≤ n− 1, así que r ≤ n. �

Nota 4.2.6. Hay que hacer notar que este corolario no implica el aserto de que

todo polinomio posee tantas raíces como su grado. Este teorema es mucho más

profundo e interesante y necesita conceptos que no veremos hasta más tarde.

4.3 Máximo común divisor

Continuan los parecidos razonables entre k[x] y Z, pues al igual que cuando ma-

nejamos los enteros, con el teorema de división para polinomios podemos trabajar

la divisibilidad de polinomios, el algoritmo de Euclides y la identidad de Bézout.

Máximo común divisor

Sean dos polinomios f(x), g(x) ∈ k[x]. Un polinomio p(x) ∈k[x] es un máximo común divisor de f(x) y g(x) si verifica:

1. p(x)|f(x) y p(x)|g(x)

2. Si q(x) es otro polinomio que divide a f(x) y a g(x) enton-

ces q(x)|p(x).

Nota 4.3.1. El máximo común divisor de dos polinomios no es único. Si p(x) =mcd(f(x), g(x)), entonces, para cualquier a ∈ k \{0}, ap(x) = mcd(f(x), g(x)).

133

Por eso cuando hablamos de un máximo común divisor, podremos acordar que

estamos tomando un polinomio mónico y, en esas condiciones, sí que es único.

Como en los enteros, podemos calcular un máximo común divisor de dos po-

linomios usando el teorema de división. Consideremos para ello dos polinomios

f(x), g(x) ∈ k[x]. Sabemos que existen q(x), r(x) ∈ k[x] con grado(r(x)) <grado(g(x)) tales que

f(x) = q(x)g(x) + r(x).

Proposición 4.3.2. Con las notaciones anteriores, se tiene que

mcd(f(x), g(x)) = mcd(g(x), r(x))

PRUEBA: Supongamos que

a(x) = mcd(g(x), r(x)), b(x) = mcd(f(x), g(x)).

Como f(x) = q(x)g(x)+ r(x), a(x) no puede sino dividir a f(x) y así a(x) es un

divisor común de f(x) y g(x), luego por ser b(x) el máximo entre ellos, a(x)|b(x).

Análogamente, como

r(x) = f(x)− q(x)g(x),

se tiene que b(x)|r(x) y así b(x) es un divisor común de g(x) y r(x), luego

b(x)|a(x). �

Algoritmo de Euclides

Sean f(x), g(x) ∈ k[x] dos polinomios no nulos, con

grado(f(x)) > grado(g(x)). Entonces, si haciendo divisiones

sucesivas obtenemos

f(x) = q(x)g(x) + r(x)g(x) = q0(x)r(x) + r1(x)r(x) = q1(x)r1(x) + r2(x)

...

rn−2(x) = qn−1(x)rn−1(x) + rn(x)rn−1(x) = qn(x)rn(x),

este proceso es finito y, con las notaciones anteriores,

mcd(f(x), g(x)) = rn(x).

134

PRUEBA: Consideremos la sucesión {grado(ri(x))}, que es una sucesión es-

trictamente decreciente de enteros no negativos, pues el resto de la división polinó-

mica es de menor grado que el divisor. Como el primer elemento es grado(f(x)),la sucesión puede tener a lo más grado(f(x)) + 1 elementos. Por tanto, existe un

n ≥ 1 tal que rn+1(x) = 0. Esto prueba la finitud del proceso.

Ahora queda preguntarse si realmente obtenemos el máximo común divisor de

f(x) y g(x). Para la respuesta basta con aplicar el resultado anterior para obtener

que

mcd(f(x), g(x)) = mcd(g(x), r(x)) = . . . = mcd(rn−1(x), rn(x)) = rn(x).

�

Así pues, con este teorema hemos probado que el siguiente algoritmo es co-

rrecto:

Algoritmo de Euclides

Para hallar el máximo común divisor de dos polinomios no nulos

f(x), g(x) ∈ k[x].Efectúe la división f(x) = q(x)g(x)+r(x) y tome f0(x) = f(x),g0(x) = g(x) y r0(x) = r(x). Mientras ri(x) 6= 0, repita con

fi+1(x) = gi(x) y gi+1(x) = ri(x).Si rn+1(x) = 0, mcd(f(x), g(x)) = rn(x), notando r−1(x) =g(x).

Como en la sección anterior, ilustremos el método de arriba con los mismos

polinomios:

Ejemplo 4.3.3. Queremos hallar el máximo común divisor de

f(x) = x5 −1

2x3 + 2x2 − 3x+ 3, g(x) = 2x3 −

2

3x2 + 3x− 1

en Q[x]. Siguiendo el algoritmo, dividimos el primero entre el segundo, y toma-

mos

f0(x) = f(x), g0(x) = g(x), r0(x) =37

27x2 +

37

18.

Como r0(x) 6= 0, dividimos g(x) entre r0(x), tomando

f1(x) = g(x), g1(x) = r0(x), r1(x) = 0.

135

La división anterior era exacta de cociente (18/37)(3x−1), con lo que mcd(f(x), g(x)) =r0(x), o tomando el polinomio mónico asociado,

mcd(f(x), g(x)) = x2 +3

2.

Hemos demostrado la validez del algoritmo de Euclides. Como pasaba en

la primera sección, a pesar de ser un resultado aparentemente trivial, esconde

algunas aplicaciones, siendo la primera de ellas la identidad de Bézout.

Identidad de Bézout

Sean f(x), g(x) ∈ k[x] dos polinomios no nulos. Si denotamos

mcd(f(x), g(x)) = d(x) entonces existen elementos a(x), b(x) ∈k[x] tales que

d(x) = a(x)f(x) + b(x)g(x).

PRUEBA: La demostración es consecuencia de aplicar el algoritmo de Eucli-

des al revés.

En efecto, si con la notación del teorema, llamamos rn(x) = d(x), tendremos que

rn(x) = rn−2(x)− qn−1(x)rn−1 == rn−2(x)− qn−1(x)(rn−3(x)− qn−2(x)rn−2(x)) =

...

= a(x)r(x) + b(x)g(x) =

= a(x)f(x) + (b(x)− a(x)q(x))g(x).

Tomando a(x) = a(x) y b(x) = (b(x)− a(x)q(x)), tenemos lo que queríamos.

Es posible dar una prueba distinta (no efectiva), siguiendo la expuesta en el

tema anterior para los enteros, ya que solo se usa que todos los ideales del anillo

son principales, y este es un hecho que también se verifica en k[x]. �

Ejemplo 4.3.4. Sabemos que

mcd

(

x5 −1

2x3 + 2x2 − 3x+ 3, 2x3 −

2

3x2 + 3x− 1

)

= x2 +3

2.

¿Cuáles son los polinomios a(x) y b(x) de la identidad de Bézout para ellos?

Siguiendo el algoritmo de Euclides realizado anteriormente para ellos,

d(x) =27

37f(x)−

27

37

(

1

2x2 +

1

6x−

17

18

)

g(x),

136

luego

a(x) =27

37, b(x) = −

27

37q(x).

4.4 Factorización. Factores múltiples

Continuando con las analogías con el anillo de los enteros, vamos a ver qué ele-

mentos juegan el papel en el anillo de polinomios k[x] de los números primos, y

una vez que los hayamos identificado, trabajaremos un poco con ellos y con la

noción de factorización.

Polinomio irreducible

Un polinomio p(x) ∈ k[x] es irreducible si no es una constante,

y si el que podamos escribir p(x) = f(x)g(x) implica que uno de

los dos factores sea una unidad (una constante).

Proposición 4.4.1. Sea p(x) ∈ k[x] un polinomio irreducible. Si f(x) es un

polinomio que no es divisible por p(x), entonces mcd(f(x), p(x)) = 1.

PRUEBA: Sea d(x) = mcd(p(x), f(x)). Como d(x)|p(x), existirá cierto

polinomio p0(x) de modo que podamos escribir p(x) = d(x)p0(x). Ahora bien,

por la definición de irreducibilidad, o bien d(x) o bien p0(x) es constante. Si el

polinomio constante es d(x), tendríamos el resultado.

Veamos pues qué pasa cuando el que fuera constante fuera p0(x). En ese caso

p(x)|d(x), por lo que p(x) dividiría a f(x), que no es posible. Por consiguiente

d(x) no puede ser nada más que una constante. �

Veremos a continuación algunos resultados que dejaremos sin demostrar, pues

sus pruebas se pueden escribir de una manera completamente análoga a las de sus

semejantes del ámbito de los enteros.

Proposición 4.4.2. (Teorema de Euclides) Sea p(x) ∈ k[x] un polinomio irredu-

cible. Dados dos polinomios f(x), g(x) ∈ k[x], si p(x)|f(x)g(x), entonces p(x)divide a alguno de los dos.

137

Descomposición en factores irreducibles

Cualquier polinomio no constante de k[x] es irreducible o factori-

za en producto de polinomios irreducibles. Este producto es único

en tanto que si tenemos dos factorizaciones de f(x) en producto

de polinomios irreducibles en k[x] de la forma

f(x) = p1(x) · · · ps(x) = q1(x) · · · qt(x)

necesariamente s = t y existe una correspondencia uno a uno

entre los factores p1(x), . . . , ps(x) y q1(x), . . . , qt(x) donde si

pi(x) se corresponde con qj(x), existe un α ∈ k \ {0} tal que

pi(x) = αqj(x).

Proposición 4.4.3. Sea I = (f(x)) ⊂ k[x] un ideal. Entonces son equivalentes

las siguientes condiciones:

1. I es maximal.

2. I es primo.

3. f(x) es irreducible.

Vamos a presentar una herramienta específica y útil de los polinomios, que

no tiene paralelismo en los enteros: la derivada (formal), que coincide con el

concepto usual de análisis.

Usaremos la notación habitual:

• f ′(x) es el polinomio que se obtiene al derivar f(x);

• D : k[x] → k[x] es la función que a cada polinomio le asocia su derivada.

Esto es, D(f(x)) = f ′(x).

138

Derivada de un polinomio

La derivada de un polinomio f(x) viene definida por las siguien-

tes reglas:

1. Si f(x) = axn con a ∈ k, entonces D(axn) = naxn−1. (Si

n = 0, D(a) = 0.)

2. Si f(x) = g(x) + h(x), entonces D(f(x)) = D(g(x)) +D(h(x)). Esto es, la derivada es un homomorfismo de gru-

pos aditivos.

Proposición 4.4.4. Para cualesquiera polinomios f(x), g(x) ∈ k[x] y para todo

natural s > 1 se verifica que:

1. D(f(x)g(x)) = f(x)D(g(x)) + g(x)D(f(x)).

2. D(f(x)s) = sf(x)s−1D(f(x)).

PRUEBA: La prueba es puramente efectiva. �

Factores múltiples de un polinomio

Sea f(x) ∈ k[x] un polinomio, donde k ∈ {Q,R,C}. Enton-

ces f(x) tiene factores múltiples si y sólo si f(x) y f ′(x) no son

primos entre sí.

PRUEBA: Supongamos en primer lugar que f(x) tiene algún factor múltiple, y

sea por tanto f(x) = p(x)sq(x), con s > 1. Entonces

f ′(x) = p(x)s−1[sp′(x)q(x) + p(x)q′(x)],

luego p(x) es un factor común de f(x) y f ′(x).

Supongamos ahora que d(x) = mcd(f(x), f ′(x)) es de grado mayor que cero,

y sea p(x) un factor irreducible de d(x). Veamos que p(x) es un factor múltiple

de f(x). Notemos que p′(x) 6= 0, al ser p(x) irreducible.

En efecto, como p(x)|f(x), tenemos f(x) = p(x)g(x). Derivando esa expresión,

f ′(x) = p′(x)g(x) + p(x)g′(x).

139

Como p(x)|f ′(x), p(x) también divide al producto p′(x)g(x), y, por ser p(x) irre-

ducible, divide a uno de los factores. Ahora bien, p(x) no puede dividir a p′(x)pues tiene grado estrictamente mayor y ambos son no nulos, luego p(x)|g(x),y g(x) = p(x)h(x), así que sustituímos y conseguimos la expresión f(x) =p(x)2h(x). �

Nota 4.4.5. La especificación de que el cuerpo de coeficientes es Q, R o C no es

irrelevante. En efecto, en la segunda implicación hemos usado que un polinomio

de grado mayor que 1 no puede dividir a su derivada. Esto en cuerpos como Fp no

es cierto ya que, por ejemplo, f(x) = x3 +1 es un polinomio irreducible de F3[x]que verifica que f ′(x) = 0 y, por tanto f(x)|f ′(x).

4.5 Congruencias. Teorema chino del resto

Trabajaremos con las congruencias para polinomios, definidas igualmente a las

de los enteros y con propiedades similares, ya que son ejemplos del mismo caso

general (el cociente de un anillo sobre un ideal). No nos extenderemos mucho por

tanto en este punto; simplemente lo preciso.

Congruencia de polinomios

Sea p(x) ∈ k[x] un polinomio. Dados dos polinomios

f(x), g(x) ∈ k[x], diremos que f(x) y g(x) son congruentes

módulo p(x), y escribiremos

f(x) ≡ g(x) (mod p(x)),

si p(x) divide a f(x)− g(x).

Proposición 4.5.1. Si un polinomio m(x) tiene grado d, cualquier clase de con-

gruencia módulo m(x) tiene un único representante r(x) de grado estrictamente

menor que d.

PRUEBA: Sea un polinomio f(x) ∈ k[x]. Por el algoritmo de división tene-

mos que

f(x) = q(x)m(x) + r(x), con grado(r(x)) < grado(m(x))

y f(x) ≡ r(x) (mod m(x)). Como el resto de la división es único, es él el

representante de menor grado buscado. �

140

Dicho de otro modo, lo que esto prueba es que el conjunto de polinomios de

k[x] de grado estrictamente menor que el de m(x) es un conjunto completo de

representantes para k[x]/(m(x)).

Ejemplo 4.5.2. Sea m(x) = x2+1 ∈ Q[x]. Por la proposición, cada elemento de

Q[x]/(m(x)) tiene un representante de grado menor o igual que 1. Como

x2 ≡ −1 (mod x2 + 1),

multiplicando por x tenemos que

x3 ≡ −x (mod x2 + 1).

En general, es fácil ver por inducción en n que

x2n ≡ (−1)n (mod x2 + 1), x2n+1 ≡ (−1)nx (mod x2 + 1).

Como Q es un cuerpo infinito, existen infinitos polinomios de grado menor o

igual que 1 en Q[x], y por tanto Q[x]/(x2 + 1) es un conjunto infinito.

Si utilizáramos ahora F3 en lugar de Q, por lo anterior tendríamos que

(F3)[x]/(x2 + 1) = { 0, 1, 2, x, x+ 1, x+ 2, 2x, 2x+ 1, 2x+ 2 }.

Teorema chino del resto

Sean m1(x), . . . , mn(x) ∈ k[x] polinomios primos entre sí dos a

dos, y sean a1(x), . . . , an(x) ∈ k[x] otros polinomios arbitrarios.

Entonces existe f(x) ∈ k[x] tal que:

f(x) ≡ a1(x) (mod m1(x))f(x) ≡ a2(x) (mod m2(x))

......

f(x) ≡ an(x) (mod mn(x))

Además, para que el polinomio f(x) ∈ k[x] sea otra solución es

condición necesaria y suficiente que se verifique que

f(x) ≡ f(x) (mod m1(x)m2(x) · · ·mn(x)).

141

PRUEBA: La demostración es análoga a la del teorema homónimo en el contexto

entero.

Puesto que mi(x) y mj(x) son primos entre sí, para todo i 6= j, mi(x) es primo

con el producto

li(x) = m1(x) · · ·mi−1(x)mi+1(x) · · ·mn(x).

Así pues, por la identidad de Bézout, existirán αi(x), βi(x) ∈ k[x] tales que

1 = αi(x)mi(x) + βi(x)li(x) , para cualquier i = 1, . . . , n.

Se tiene entonces que

βi(x)li(x) ≡ 1 (mod mi(x))βi(x)li(x) ≡ 0 (mod mj(x)), para todo i 6= j

Podemos tomar como solución entonces

f(x) = a1(x)β1(x)l1(x) + a2(x)β2(x)l2(x) + . . .+ an(x)βn(x)ln(x).

Vayamos a por el segundo aserto. Si

f(x) ≡ f(x) (mod m1(x) · · ·mn(x)),

existirá un polinomio q(x) tal que

f(x)− f(x) = q(x)m1(x) · · ·mn(x).

Tomando en la anterior expresión clases de congruencia módulo mi(x), es

claro que f(x) ≡ f(x)(mod mi(x)) para todo i, y por tanto, es solución del pro-

blema.

Recíprocamente, si

f(x) 6≡ f(x) (mod m1(x) · · ·mn(x)),

es porque existen dos polinomios, que denominaremos q(x) y h(x), siendo h(x)no divisible por m1(x) · · ·mn(x), tales que

f(x)− f(x) = q(x)m1(x) · · ·mn(x) + h(x).

Como alguno de los mi(x) no puede dividir a h(x), alguna de las congruencias

módulo mi(x) fallará, y por tanto f(x) no será solución del problema. �

142

Sistemas lineales de congruencias

Para resolver el sistema

f(x) ≡ ai(x) (mod mi(x)) , i = 1, . . . , n,

siendo los mi(x) polinomios primos entre sí y los ai(x) polino-

mios cualesquiera.

Tome, para cada i, li(x) =(

∏n

j=1mj(x))

/mi(x). Aplique la

identidad de Bézout a cada pareja li, mi para obtener la igualdad

1 = αi(x)mi(x) + βi(x)li(x).

Las soluciones son

f(x) = a1(x)β1(x)l1(x)+a2(x)β2(x)l2(x)+. . .+an(x)βn(x)ln(x),

y los polinomios congruentes con él módulo∏n

j=1mj(x).

4.6 Factorización en C[x] y en R[x]

A continuación enunciaremos un resultado del que hablaremos con más detalle en

la última sección. Para lo que estamos tratando aquí, su importancia es que nos

dice cómo son los polinomios irreducibles sobre C. Ahora bien, su relevancia es

mucho mayor, pero no adelantemos acontecimientos y centrémonos de momento

en la factorización de polinomios.

Teorema fundamental del álgebra

Todo polinomio f(x) ∈ C[x] de grado positivo tiene una raíz

compleja.

Corolario 4.6.1. Todo polinomio f(x) ∈ C[x] de grado positivo, digamos n, tiene

n raíces en C, esto es, se puede escribir como

f(x) = αn∏

i=1

(x− αi),

donde α, αi ∈ C.

143

En virtud del corolario, el problema de dilucidar si un polinomio de C[x] es

irreducible o no es tremendamente sencillo; tanto como mirar su grado, pues los

únicos polinomios irreducibles en C[x] son los de grado 1. En R[x] no ocurre así,

ya que, por ejemplo, los polinomios x2+1 o x3−15x−4 no se pueden factorizar

en producto de polinomios de primer grado, aunque tampoco es que la cuestión de

la factorización devenga complicada. Veamos cómo son los irreducibles en este

otro anillo.

Proposición 4.6.2. Todo polinomio de R[x] de grado impar tiene una raíz en R.

Todo polinomio se descompone en producto de polinomios de grados 1 o 2 (los

cuales son irreducibles si y sólo si sus raíces son complejas no reales).

PRUEBA: Sea f(x) ∈ R[x] un polinomio de grado positivo, digamos n. A

f(x) lo podemos mirar con otros ojos, como elemento de C[x], así que aplicamos

el teorema fundamental del álgebra para saber que f(x) tiene n raíces en C. Sea

f(x) = anxn + an−1x

n−1 + . . .+ a1x+ a0 , ai ∈ R, i = 0, 1, . . . , n,

y sea α = a + bi una raíz de f(x). De

0 = f(α) = an(a+ bi)n + an−1(a+ bi)n−1 + . . .+ a1(a+ bi) + a0

se deduce, tomando conjugados, que

0 = f(α) = f(α) = an(a− bi)n + an−1(a− bi)n−1 + . . .+ a1(a− bi) + a0.

En consecuencia, si α es una raíz de f(x), también debe serlo α, luego las raíces

no reales de f(x) aparecen por pares de conjugadas. Si n es impar, tiene que haber

una raíz que coincida con su conjugada, es decir, que sea real. Con esto probamos

el primer aserto.

En cuanto a la segunda afirmación, obramos como sigue. Si α = a+ bi es una

raíz compleja no real de f(x), el polinomio

(x− α)(x− α) = x2 − 2ax+ (a2 + b2)

divide a f(x) y tiene coeficientes reales, con lo que podemos descomponer a f(x)en producto de factores de grado 2 a lo sumo. La cuestión de si éstos se pueden

descomponer a su vez en otros de grado 1 o son irreducibles es tan simple como

el hecho de que sus raíces sean reales o no. �

144

4.7 Factorización en Q[x]

Sea f(x) ∈ k[x] un polinomio de grado 2 o 3. En ese caso, f(x) es reducible

si y sólo si tiene una raíz en k. En efecto, el hecho de que f(x) sea reducible

es equivalente a decir que tiene un divisor que es de grado 1. Si éste es ax − b,entonces b/a es una raíz de f(x).

Naturalmente, lo anterior no funciona para grados mayores. Un polinomio

de grado 4 se puede descomponer, por ejemplo, en dos factores irreducibles de

grado 2, como x4 + 3x2 + 2 en Q, luego no tiene por qué tener raíces en k. Con

mayor razón ocurrirá esto en grados más altos. No obstante es bueno ver si un

polinomio dado tiene o no raíces en k. Si las tiene, y es de grado mayor que 1, es

automáticamente reducible.

El problema de saber cuándo un polinomio de Q[x] es irreducible es algo in-

trincado si se pretende resolver de manera realmente efectiva. Sin embargo, el

problema de la localización de raíces (que, como hemos notado en el párrafo an-

terior, es más simple), sí se puede atacar fácilmente, y es lo primero que haremos

en esta sección.

Para empezar, notemos que si f(x) ∈ Q[x], es igual buscar sus raíces que las

de af(x), donde a ∈ Z. En particular, podemos suponer que f(x) está en realidad

en Z[x] (esto es, todos sus coeficientes son enteros). En estas condiciones tenemos

el siguiente resultado, también conocido como Regla de Ruffini:

Proposición 4.7.1. Sea el polinomio

f(x) = anxn + an−1x

n−1 + . . .+ a1x+ a0 , ai ∈ Z, i = 0, 1, . . . , n,

de grado n > 0. Supongamos que f(x) tiene una raíz racional α = a/b con a y bprimos entre sí. Entonces a|a0 y b|an.

PRUEBA: En efecto, como a/b es raíz de f(x),

0 = f(a/b) = an(a/b)n + an−1(a/b)

n−1 + . . .+ a1(a/b) + a0,

luego, previa multiplicación por bn, tenemos que

0 = anan + an−1a

n−1b+ . . .+ a1abn−1 + a0b

n.

Como a divide a todos los términos salvo al último y es primo con b, debe dividir

a a0. E igualmente, como b divide a todos los términos salvo al primero y es primo

con a, debe dividir a a0. �

Hemos visto que intentar localizar las raíces de los polinomios en Z[x] tiene

algo más de futuro, o por lo menos es más abarcable, que en Q[x], así que segui-

remos reduciéndonos al caso de los polinomios con coeficientes enteros, donde la

factorización única de los coeficientes nos puede ser de ayuda.

145

Contenido de un polinomio

Dado un polinomio f(x) ∈ Z[x] no nulo, se llama contenido de

f(x) al máximo común divisor de sus coeficientes. Se denota por

c(f). Se dirá que f(x) es primitivo si su contenido es 1.

El siguiente resultado es conocido como lema de Gauss, como también se de-

nomina del mismo modo a otros resultados en otros campos matemáticos. Al fin y

al cabo, Gauss fue un matemático muy prolijo y no es de extrañar que varios lemas

suyos hayan pasado a la historia con el mismo nombre. De hecho, se confunde

incluso con un corolario suyo, pero el que presentamos es, en este contexto, el

verdadero históricamente hablando, y aparece, con otras palabras, en el Artículo

42 de su gran obra Disquisitiones Arithmeticae.

Lema de Gauss

El producto de dos polinomios primitivos es primitivo.

PRUEBA: Sean

f(x) = amxm + am−1x

m−1 + . . .+ a1x+ a0, ai ∈ Z, i = 0, 1, . . . , m,

g(x) = bnxn + bn−1x

n−1 + . . .+ b1x+ b0, bj ∈ Z, j = 0, 1, . . . , n

dos polinomios primitivos. Para probar que f(x)g(x) es primitivo basta ver que,

fijado p ∈ Z irreducible, existe un coeficiente de f(x)g(x) que no es divisible por

él.

Fijemos pues p irreducible. Sea s (resp t) el entero 0 ≤ s ≤ m (resp. 0 ≤ t ≤n) tal que p|ai para todo i > s (resp. p|bj para todo j > t), si se da el caso, y p no

divide a as (resp. a bt). El coeficiente de xs+t en f(x)g(x) es

a0bs+t + . . .+ as−1bt+1 + asbt + as+1bt−1 + . . .+ as+tb0,

en el que se ve que p divide a todos los sumandos salvo a asbt. Así, p no divide a

la suma, lo que prueba el resultado. �

Corolario 4.7.2. Si f(x), g(x) ∈ Z[x] son polinomios no nulos, entonces

c(fg) = c(f)c(g).

146

PRUEBA: Podemos escribir

f(x) = c(f)f0(x), g(x) = c(g)g0(x)

donde f0(x) y g0(x) son primitivos. Así

f(x)g(x) = c(f)c(g)f0(x)g0(x)

y, como f0(x)g0(x) es primitivo por el lema de Gauss, debe ocurrir que c(f)c(g) =c(fg). �

El siguiente resultado es engañosamente sencillo, pero de una importancia

extrema cuando se trata de factorizar polinomios, como comprobaremos más ade-

lante.

Corolario 4.7.3. Sea f(x) ∈ Z[x] un polinomio de grado positivo, digamos n, que

se descompone en Q[x] en producto de dos polinomios de grados estrictamente

menores que n. Entonces, se descompone en Z[x] en producto de dos polinomios

de esos mismos grados.

PRUEBA: Sea f(x) = f1(x)g1(x), donde f1(x), g1(x) ∈ Q[x] con

grado(f1(x)) < n, grado(g1(x)) < n.

Multiplicando la anterior igualdad por un cierto elemento a ∈ Z para quitarnos

los denominadores de en medio del producto, se tendrá que

af(x) = g(x)h(x) , g(x), h(x) ∈ Z[x].

De ahí se deduce que ac(f) = c(gh) = c(g)c(h), luego a|c(g)c(h). Por tanto, si

tomamos g(x) = c(g)g′(x), h(x) = c(h)h′(x), entonces

f(x) =c(g)c(h)

ag′(x)h′(x),

y ésa es la descomposición buscada. �

Corolario 4.7.4. Sea f(x) ∈ Z[x] un polinomio de grado positivo, digamos n, y

primitivo. Entonces f(x) es reducible en Z[x] si y sólo si lo es en Q[x].

PRUEBA: Muy simple; basta con releer el enunciado del corolario anterior. �

Incluimos también un criterio muy general y útil de irreducibilidad de polino-

mios, aunque no concluyente al no poderse aplicar a todos los casos.

147

Proposición 4.7.5. (Criterio de Eisenstein) Sea un polinomio de grado n > 0

f(x) = anxn + an−1x

n−1 + . . .+ a1x+ a0 , ai ∈ Z, i = 0, 1, . . . , n.

Supongamos que existe un elemento irreducible p ∈ Z que divide a todos los

coeficientes, salvo a an, y cuyo cuadrado p2 no divide a a0. Entonces f(x) es

irreducible en Q[x].

PRUEBA: Se hará por reducción al absurdo. Supongamos que f(x) fuese

reducible en Q[x]. En consecuencia se descompondría en Q[x] en producto de

dos polinomios de grado estrictamente inferior. Por el corolario anterior se puede

escribir

f(x) = (bsxs + bs−1x

s−1 + . . .+ b1x+ b0)(ctxt + ct−1x

t−1 + . . .+ c1x+ c0),

donde bi, cj ∈ Z para cualesquiera i, j y s, t < n.

Por la segunda hipótesis, p debe dividir a uno de entre b0 y c0, pero no a ambos.

Supongamos pues sin pérdida de generalidad que p|b0 y no divide a c0. Como pno divide a an, no puede dividir a todos los bi. Sea m el mínimo índice tal que pno divide a bm, que sabemos que es menor que n. El coeficiente del término en

xm es

bmc0 + bm−1c1 + . . .+ b0cm = am,

que no es divisible por p pues todos los sumandos lo son salvo el primero. Ahora

bien, que am con m < n no sea divisible por p es una contradicción, luego hemos

terminado con la prueba. �

El método de los interpoladores de Lagrange

El método de los polinomios interpoladores de Lagrange, como su propio nombre

indica, no es más que una adaptación a nuestro contexto del clásico método de in-

terpoladores lineales de Lagrange del Cálculo Numérico. En la literatura también

se le conoce como método de Kronecker.

Comencemos con el caso de un polinomio f(x) ∈ Z[x] de grado n y sea

d = ⌊n/2⌋. Obviamente, salvo que f(x) sea irreducible, alguno de sus factores

irreducibles ha de tener grado menor o igual que d, por lo que basta buscar los

posibles factores que verifican esta condición.

Para ello fijaremos d + 1 enteros distintos (normalmente lo más cerca posible

de 0, por motivos de comodidad) a0, a1, . . . , ad y hallaremos

ni = f(ai), i = 0, . . . , d.

148

Ahora bien, si g(x) es un factor del tipo que busco de f(x), ha de verificar que

si = g(ai) divide al ni correspondiente. Así pues, fijaremos una (d + 1)-upla de

divisores, de la forma

(s0, s1, . . . , sd) , donde si|ni, i = 0, . . . , d.

Recordemos que g(ai) es precisamente g(x)(mod x − ai). En ese caso, por el

teorema chino del resto, g(x) ha de ser entonces una solución al sistema

g(x) ≡ s0 (mod x− a0)g(x) ≡ s1 (mod x− a1)

......

g(x) ≡ sd (mod x− ad)

Lo que hemos escrito en otras palabras y símbolos es la imposición de que g(ai) =si = si (mod x − ai) para todo i. Sabemos que este sistema tiene solución única

(pues los x−ai son primos entre sí) de grado menor o igual que d. Así pues, fijado

un vector de divisores, tenemos un posible divisor de f(x). Como los posibles

vectores de divisores son finitos, este procedimiento nos da una lista exhaustiva

de todos los posibles divisores de f(x) de grado menor o igual que d. Es más,

podemos quedarnos con la mitad de vectores de divisores, pues la única solución

asociada a (−s0,−s1, . . . ,−sd) será así el opuesto de la que verifique el sistema

con (s0, s1, . . . , sd).

Polinomios interpoladores de Lagrange

Para factorizar un polinomio f(x) ∈ Z[x].Sea d = ⌊n/2⌋, tome d+1 enteros distintos ai. Forme la (d+1)-upla (f(ai)).Forme todas las posibles (d+1)-uplas (si) formadas por divisores

de los f(ai), y resuelva el sistema g(x) ≡ si (mod x − ai), para

todo i, y todas las (d+1)-uplas que no se diferencien en un signo.

Si f(x) es reducible, de entre las soluciones no constantes, al

menos dos serán un factor de f(x).

Ejemplo 4.7.6. Aprovechando que ya hemos factorizado algunos polinomios en,

recuperemos uno de ellos para aplicarle el método que acabamos de detallar. Sea

pues el polinomio f(x) = x4 + x3 + x − 1 ∈ Z[x], primitivo. Como tiene grado

4, elegimos 5 puntos cercanos al cero para evitarnos hacer cuentas más latosas.

Calculamos los valores que toma f(x) en esos puntos:

f(−2) = 5 , f(−1) = −2 , f(0) = −1 , f(1) = 2 , f(2) = 25.

149

Podemos formar 768 5–uplas distintas, de las que nos quedamos con 384, la mi-

tad. Evidentemente no vamos a comprobar todas ellas. No obstante, cualquier

programa de cálculo efectuaría esos cálculos sin rechistar, y al fin y al cabo es por

esa razón por la que se comenta este método aquí.

Una vez aclarado lo anterior, sigamos con el ejemplo y probemos con la 5–

upla (1,−1,−1, 1, 5). Tenemos así el siguiente sistema de congruencias:

S :

g(x) ≡ 1 (mod x+ 2)g(x) ≡ −1 (mod x+ 1)g(x) ≡ −1 (mod x)g(x) ≡ 1 (mod x− 1)g(x) ≡ 5 (mod x− 2)

,

que tiene como solución al polinomio x2 + x− 1. Si dividimos f(x) entre aquél,

obtenemos como cociente x2+1, que se conseguía al tomar la 5–upla (5, 2, 1, 2, 5).Por consiguiente, f(x) es reducible, y como los de grado 2 que hemos obtenido

son irreducibles sobre Q, hemos terminado de calcular su descomposición.

Si hubiéramos seguido buscando factores, no habríamos obtenido más que los

opuestos de los anteriores. Por ejemplo, la 5–upla (1, 2, 1, 1, 1) nos habría dado

como resultado el polinomio

−x4

6+

x3

6+

2x2

3−

2x

3+ 1,

que evidentemente no es factor de f(x).

4.8 Factorización en Fp[x]

Para ilustrar la importancia del problema de factorizar sobre Fp[x] de la que ha-

blábamos antes veamos cómo podemos relacionar la irreducibilidad en Q y en Fp,

con p primo. Sea

f(x) = anxn + . . .+ a1x+ a0 ∈ Z[x]

primitivo, sea p un primo que no divida a an, y llamemos f(x) al polinomio

f(x) = anxn + . . .+ a1x+ a0 ∈ Fp[x],

siendo ai = ai (mod p), 0 ≤ i ≤ n.

Proposición 4.8.1. Si f(x) es irreducible en Fp[x], entonces f(x) es irreducible

en Q[x].

150

PRUEBA: Solo hay que tener en cuenta que para cualesquiera polinomios

f(x), g(x), f(x)g(x) = f(x)g(x) y escribir el contrarrecíproco del enunciado. �

Veamos, con un ejemplo, cómo podemos usar el resultado anterior.

Ejemplo 4.8.2. Sea f(x) = x4 − x3 + x2 − x + 1 ∈ Z[x]. Tomemos p = 2.

Entonces f(x) = x4 + x3 + x2 + x+ 1 ∈ F2. Ya que f(0) = 1 y f(1) = 1, f(x)no tiene raíces en F2.

Intentemos factorizar f(x) de forma artesanal. Como en caso de ser reducible,

ningún factor de la descomposición de f(x) sería de grado 1, pongamos por caso

que

f(x) = (x2 + ax+ b)(x2 + cx+ d).

Como otras veces, operando e igualando coeficientes obtenemos el sistema

S :

1 = a+ c1 = b+ ac+ d1 = ad+ bc1 = bd

La última ecuación nos dice que b = d = 1, y sustituyendo en el resto nos queda-

mos con

S :

{

1 = a + c1 = ac

,

que no tiene solución. Por tanto, f(x) es irreducible en F2 y así, por la proposi-

ción, f(x) es irreducible sobre Q.

Nota 4.8.3. Si bien en apariencia este procedimiento simplifica los cálculos a la

hora de estudiar si un polinomio es o no irreducible sobre Q, tiene un grave in-

conveniente. El recíproco de la proposición anterior es falso. Por ejemplo, el

polinomio x2 + 2 es irreducible sobre Q, pero f(x) = x2 ∈ F2[x] es reducible, o

el polinomio x2 − x+ 1, irreducible en Q y con f(x) reducible en F3.

El algoritmo de Berlekamp

El algoritmo de Berlekamp para factorizar en Fp[x] data de 1967, fecha de publi-

cación del artículo en donde se detallaba. Se basa en una idea sencilla, y gracias

a eso y a su efectividad, ha sido desde entonces uno de los más utilizados, tan-

to para programar como para servir de ejemplo de algoritmo de factorización en

característica positiva. La idea de la que hablábamos se presenta en el siguiente

teorema.

151

Teorema de Berlekamp

Sea f(x) ∈ Fp[x] de grado n, sin factores múltiples y mónico, y

supongamos que existe un polinomio g(x) tal que

f(x)| (g(x)p − g(x)) .

Entonces

f(x) =

p−1∏

s=0

mcd(f(x), g(x)− s),

aunque varios de estos factores pueden ser polinomios constantes.

PRUEBA: Del capítulo anterior, recordaremos que en Fp teníamos que, por el

pequeño teorema de Fermat,

xp − x =

p−1∏

s=0

(x− s),

lo cual en particular implica que

g(x)p − g(x) =

p−1∏

s=0

(g(x)− s).

Hay que decir que todos estos factores son primos entre sí al diferenciarse en una

constante.

Probemos entonces la igualdad que hemos enunciado. Por un lado, no es nada

dificultoso ver quep−1∏

s=0

mcd(f(x), g(x)− s)|f(x),

pues todos los elementos de la izquierda dividen a f(x) y como los g(x) − s son

primos entre sí también lo serán los divisores comunes.

En el otro sentido, si tomamos un factor irreducible de f(x), pongamos h(x),debe dividir a g(x)p − g(x), luego dividirá también a alguno de los g(x)− s y, de

igual modo a mcd(f(x), g(x)− s).

En conclusión, los dos miembros de la igualdad se dividen mutuamente y al

ser mónicos, son iguales. �

152

A partir de aquí, la factorización de f(x) ∈ Fp[x] queda reducida por un lado

a encontrar g(x) de grado r < n tal que

f(x)|(g(x)p − g(x)),

y posteriormente a aplicar el algoritmo de Euclides p veces. Notemos entonces

que por estar en característica positiva y por el pequeño teorema de Fermat,

g(x) =n−1∑

i=0

aixi =⇒ gp(x) =

n−1∑

i=0

aixip.

Vamos entonces a buscar un tal polinomio g(x) (concretamente, vamos a bus-

car sus coeficientes a0, . . . , an−1). Dividamos así los monomios xip entre f(x),que al tener grado n obtendremos

x0p = q0(x)f(x) + r0(x)

= q0(x)f(x) + r00 + r10x1 + . . .+ rn−1,0x

n−1

x1p = q1(x)f(x) + r1(x)

= q1(x)f(x) + r01 + r11x1 + . . .+ rn−1,1x

n−1

...

x(n−1)p = qn−1(x)f(x) + rn−1(x)

= qn−1(x)f(x) + r0,n−1 + r1,n−1x1 + . . .+ rn−1,n−1x

n−1

Por la unicidad de la división euclídea, el resultado de dividir gp(x) entre f(x) es

el dado por la expresión

gp(x) =

n−1∑

i=0

aixip =

(

n−1∑

i=0

aiqi(x)

)

f(x) +

n−1∑

i=0

airi(x),

y por el mismo motivo, el de dividir gp(x)− g(x) entre f(x) es

gp(x)−g(x) =

n−1∑

i=0

aixip−

n−1∑

i=0

aixi =

(

n−1∑

i=0

aiqi(x)

)

f(x)+

n−1∑

i=0

(airi(x)−aixi).

Por consiguiente, g(x) verifica lo que queremos si y sólo si

0 =

n−1∑

i=0

(airi(x)− aixi),

153

o escrito en forma matricial, tomando la matriz de orden n × n R = (rij), si y

sólo si

(a0, . . . , an−1)t es solución del sistema (R− In)x = 0.

Así, gracias al algoritmo de Berlekamp, factorizar en Fp[x] se reduce a resolver

ciertos sistemas de ecuaciones lineales (problema elemental, gracias al álgebra

lineal) y a aplicar el algoritmo de Euclides, operaciones ambas que se pueden

realizar de manera muy eficiente.

Algoritmo de Berlekamp

Para factorizar un polinomio f(x) ∈ Fp[x] de grado n.

Para cada i = 0, . . . , n − 1, efectúe las divisiones de xip entre

f(x) para obtener los restos

r(x) = r0i + r1ix1 + . . .+ rn−1,ix

n−1.

Construya la matriz R = (rij), y plantee el sistema lineal

(R − In)x = 0.

Si el sistema no tiene solución, f(x) es irreducible. Si tiene una

solución (a0, . . . , an−1)t que represente a un polinomio no cons-

tante, f(x) se descompone como

p−1∏

s=0

mcd(

f(x), (a0 − s) + a1x+ . . .+ an−1xn−1)

.

Ejemplo 4.8.4. Ilustremos también este método con el mismo polinomio que el

anterior ejemplo, pero considerado en F3[x]. Sea así f(x) = x4 + x3 + x + 2 ∈F3[x]. Dividimos determinadas potencias de x entre f(x) y obtenemos:

1 = q0(x)f(x) + r0(x) = 0 · f(x) + 1

x3 = q1(x)f(x) + r1(x) = 0 · f(x) + x3

x6 = q1(x)f(x) + r1(x) = q2(x)f(x) + 1 + x+ 2x2 + x3

x9 = q1(x)f(x) + r1(x) = q3(x)f(x) + x

Los cocientes no los hemos indicado todos porque sólo nos interesan los restos

154

para formar la matriz. En nuestro caso,

R =

1 0 1 00 0 1 10 0 2 00 1 1 0

.

El sistema lineal en F3[x] que tenemos que resolver es

0 0 1 00 2 1 10 0 1 00 1 1 2

x = 0,

que tiene como solución cualquier vector de la forma x = (α, β, 0, β)t, donde

α, β ∈ F3. Si tomamos α = 1, β = 0, obtenemos la constante 1, que obviamente

cumple que f(x)|13 − 1 = 0. Escogiendo pues α = 0, β = 1 conseguimos la

descomposición

f(x) = mcd(f(x), x3 + x) · mcd(f(x), x3 + x+ 1) · mcd(f(x), x3 + x+ 2)= (x2 + 1) · (x2 + x+ 2) · 1.

4.9 El teorema fundamental del álgebra*

El contenido de esta sección está tomado del artículo The Fundamental Theorem

of Algebra and Linear Algebra, de Harm Derksen, publicado en el American Mat-

hematical Monthly 110 (2003), número 7, páginas 620-623. El objetivo que per-

seguimos es dar una prueba del teorema fundamental del álgebra con argumentos

puramente algebraicos y a la vez asequible al lector que no tenga un conocimiento

profundo de esta materia, pues solamente usa algunas nociones de álgebra lineal.

Teorema fundamental del álgebra

Todo polinomio no constante de C[x] tiene una raíz en C.

Si de algo no se puede quejar alguien que se acerque por primera vez al teo-

rema que nos ocupa, es por falta de demostraciones. Existe una cantidad con-

siderable de pruebas distintas, y usando técnicas variopintas. Desde la primera,

155

elaborada por Gauss en su tesis doctoral de 1799 (aunque con algún fallo en el

rigor matemático), hasta esta que aquí expondremos, existen pruebas topológicas,

usando propiedades de la curva compleja que describe un polinomio, pruebas ana-

líticas, que utilizan el teorema de Liouville de que toda función entera es acotada,

pruebas algebraicas, basándose en la teoría de Galois entre otras herramientas, o

incluso mixturas de los tres tipos anteriores.

Vayamos, sin más dilación, al desarrollo de la prueba. Para ello, definamos la

propiedad Pk,r(d), donde k es un cuerpo, R o C, y r = 1, 2. Su enunciado es el

siguiente:

Pk,r(d): Dados r endomorfismosAi que conmuten entre todos de un k-espacio

vectorial V de dimensión n, no divisible por d, existe un autovector no nulo que

es común a todos ellos.

Para probar el teorema, bastaría con demostrar que se cumple la propiedad

PC,1(2r) para todo r ∈ N. Así, para cualquier polinomio (que podemos suponer

mónico sin problema) no constante f(x) = xn + an−1xn−1 + . . .+ a0 ∈ C[x], se

tiene que

f(x) = det(xIn −A), con A =

0 0 · · · 0 −a01 0 · · · 0 −a1...

.... . .

......

0 0 · · · 1 −an−1

Como A representa a un endomorfismo de C y existe algún r tal que 2r no divide

a n, A tendría un autovector no nulo. Su autovalor asociado sería raíz de f(x), y

habríamos acabado. �

Así pues, para probar PC,1(2r) seguiremos el camino marcado a través de

diversos lemas, cada uno apoyándose en los anteriores. Como en la demostración

de arriba, denotaremos por Ai tanto a un endomorfismo como a su matriz asociada.

Lema 4.9.1. Si se tiene Pk,1(d), también se cumple Pk,2(d).

PRUEBA: Sean A1 y A2 dos endomorfismos que conmutan de un k-espacio

vectorial V de dimensión n no divisible por d. Vamos a probar por inducción en

n que tienen un autovector en común. Si n = 1, cada Ai no es más que la multi-

plicación por una constante, y todos los vectores de V son propios, siendo trivial

el aserto. Supongamos pues que también es cierto si dimV < n, y veámoslo para

dimV = n.

Como Pk,1(d) se cumple, A1 tiene un autovalor λ ∈ k. Sean W y Z, res-

pectivamente, el núcleo y la imagen del endomorfismo A2 − λI . Como A1 y A2

conmutan, W y Z permanecen fijos por A1.

156

Supongamos que W 6= V . Entonces, como dimW + dimZ = dimV , d no divi-

dirá a al menos alguna de las dos dimensiones, y además ambas son menores que

n. Por tanto, por la hipótesis de inducción, A1 y A2 compartirán un autovector no

nulo directamente en W o en Z.

Si W = V , cualquier vector propio de A1 v cumple que A2v = λv, luego también

tenemos la propiedad. �

Lema 4.9.2. Si k = R, Pk,r(2) son ciertas para r = 1, 2.

PRUEBA: Por el lema anterior bastaría probar que PR,1(2) es cierta, esto es,

que todo endomorfismo de un espacio vectorial sobre R de dimensión impar tiene

un autovector no nulo, pero eso es equivalente a que su polinomio característico

f(x) = det(xI−A) tenga alguna raíz en R. Ahora bien, f(x) es un polinomio de

grado impar con coeficientes reales, y ya hemos visto que siempre tiene al menos

una raíz real. �

Lema 4.9.3. Todo endomorfismo de un C-espacio vectorial de dimensión impar

tiene un autovector no nulo, esto es, PC,1(2) se cumple.

PRUEBA: Sea A : Cn → Cn un endomorfismo con n impar, y sea V =Hermn(C), el R-espacio vectorial de las matrices hermíticas (aquellas que A∗ =

At= A) de orden n× n. Consideremos los siguientes endomorfismos R-lineales

de V definidos como:

L1(B) =AB +BA∗

2, L2(B) =

AB − BA∗

2i.

Ver que L1 y L2 están bien definidos y conmutan es un cálculo bien sencillo y no

lo escribiremos en estas líneas.

Sabemos que dimR V = n2, que es impar. Entonces, por el lema anterior, L1

y L2 comparten un autovector no nulo al cumplirse PR,2(2). Sea B ese autovector

en V , cuyos valores propios asociados sean λ y µ respectivamente. En ese caso,

(L1 + iL2)(B) = AB = (λ+ µi)B,

luego cualquier columna no nula de B constituirá uno de los autovectores busca-

dos para A. �

Ya hemos acabado el ensamblaje de lemas previos al resultado que nos bastaba

para probar el teorema fundamental del álgebra. No hemos usado más que algunas

propiedades básicas de espacios vectoriales y matrices. Ahora demostremos la

proposición siguiente.

157

Proposición 4.9.4. Para todo r ∈ N se cumple PC,1(2r).

PRUEBA: Se hará por inducción en r. Si r = 1 es el enunciado del lema

anterior, así que supongamos como hipótesis de inducción que tenemos PC,1(2l),

con l < r.

Tomemos pues un endomorfismo C-lineal A : Cn → Cn, con n divisible por 2r−1

pero no por 2r. Esto lo podemos asumir, puesto que si n no fuera divisible por

2r−1 estaríamos en el caso de probar PC,1(2r−1). Sea V = Antn(C) el C-espacio

vectorial de las matrices antisimétricas con coeficientes complejos. Definamos

dos endomorfismos de V , L1 y L2 como

L1(B) = AB −BAt , L2(B) = ABAt.

De nuevo, no probaremos que están bien definidos ni que conmutan entre ellos, y

queda para el lector.

Notemos que 2r−1 no divide a dimV , que es igual a n(n − 1)/2. Por tanto,

por la hipótesis de inducción, existe un vector propio B común a L1 y L2. Sean

sus autovalores asociados λ y µ, respectivamente. Así,

µB = ABAt = A(AB− λB),

es decir,

(A2 − λA− µI)B = 0.

Sea v un vector columna de B, y sean α y β las dos raíces complejas del polinomio

x2 − λx − µ, que sí que sabemos que tiene raíces en C, porque es de grado 2. Si

llamamos w = (A − βI)v y es no nulo, tenemos que (A− αI)w = 0, y hemos

terminado, siendo w el autovector que buscábamos. Si w = 0 eso querría decir

que (A− βI)v = 0, siendo v el vector propio buscado. �

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