数学随想:(有理系数多项式无理根的个数的)基础结论的证明

已知整系数多项式 $f(x)=x^5+a_1x^4+a_2x^3+a_3x^4+a_4x+a_5$,若 $f(\sqrt 3 + \sqrt 2)=0,f(1)+f(3)=0$,则 $f(-1)=$?

答案如下:

令 $x_0=\sqrt 3+\sqrt 2$,则 $(x_0-\sqrt 3)^2=(\sqrt 2)^2$,则 $12x_0^2=(x_0^2+1)^2$,于是 $x_0^4-10x_0^2+1=0$,则 $f(x)=(x^4-10x^2+1)(x-a)$,代入 $f(1)+f(3)=0$ 可得 $a=2$,故 $f(-1)=24$。

出现了一个没见过的结论:

若 $x_0=\sqrt {p_1}+\sqrt {p_2}+\cdots +\sqrt{p_m}$ 为有理系数多项式 $f(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots +a_1x+a_0$ 的根,且 $\ln \sqrt {p_i}$ 线性独立 ,则 $n\ge 2^m$。

据说用群论证明很简单($Deepseek$ 给的证明用的),可惜不会。尝试初等证明如下:

将 $x_0$ 代入多项式可化简得 $f(x_0)=F_0+F_1\sqrt {p_1}+F_2\sqrt {p_2}+\cdots +F_k\sqrt{p_1p_2\cdots p_m}=0$。其中 $F_i$ 为关于 $\sqrt {p_i}$ 的多项式,且 $F_i=0\in Q$。

考虑 $x_1=-\sqrt {p_1}+\sqrt {p_2}+\cdots +\sqrt{p_m}$。则 $f(x_1)=F_0'+F_1'(-\sqrt {p_1})+F_2'\sqrt {p_2}+\cdots +F_k'(-\sqrt{p_1p_2\cdots p_m})$ 。

由于 $F_i\in Q$,则其中不存在项为无理数,否则应该与对应的 $\sqrt p$ 相乘放到其他括号,故如果出现了 $\sqrt p$,一定是以 $(\sqrt p)^2$ 的形式,这样才能确保为有理数,于是 $(-\sqrt{p_1})^2$ 不会对 $F_i$ 的数值造成影响。

则 $f(x_1)=0$,对其他的 $\sqrt {p_i}$ 同理,故 $f(x)$ 至少有 $2^m$ 个根。

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