Podróże po Imperium Liczb

Transkrypt

1 Podróże po Imperium Liczb Część 12. Wielomiany Rozdział Wielomiany cyklotomiczne Andrzej Nowicki 31 maja 2013, Spis treści 12 Wielomiany cyklotomiczne Definicja i przykłady Początkowe własności wielomianów cyklotomicznych Nierozkładalność wielomianów cyklotomicznych Następne własności wielomianów cyklotomicznych Wielomiany cyklotomiczne i nierówności Wielomiany cyklotomiczne nad ciałami Wielomiany Ψ n (x, y) Wielomiany cyklotomiczne i ich numery Współczynniki wielomianów cyklotomicznych Współczynniki wielomianu Φ pq (x) Współczynniki wielomianów Φ pqr (x) i Φ pqrs (x) Liczby naturalne postaci Φ n (a) Podzielność liczb Φ n (a) przez liczby pierwsze Twierdzenie Hurwitza Twierdzenie Banga o rzędach Liczby pierwsze w postępach arytmetycznych Wielomiany podzielne przez x 2 + x Inne zastosowania wielomianów cyklotomicznych Wszystkie książki z serii Podróże po Imperium Liczb napisano w edytorze L A TEX. Spisy treści tych książek oraz pewne wybrane rozdziały moża znaleźć na internetowej stronie autora:

2

3 12 Wielomiany cyklotomiczne 12.1 Definicja i przykłady Niech n 1 będzie ustaloną liczbą naturalną. Wiadomo, że istnieje dokładnie ϕ(n) pierwiastków pierwotnych n-tego stopnia z jedynki. Oznaczmy te pierwiastki przez ω 1,..., ω ϕ(n) i niech ϕ(n) Φ n (x) = k=1 (x ω k ). Φ n (x) nazywamy n-tym wielomianem cyklotomicznym lub n-tym wielomianem podziału koła. Jest to wielomian moniczny stopnia ϕ(n) i jego pierwiastkami są wszystkie pierwiastki pierwotne n-tego stopnia z jedynki. Udowodnimy w następnych podrozdziałach, że każde takie Φ n (x) jest nieprzywiedlnym wielomianem o współczynnikach całkowitych (patrz oraz ). Przykłady: Φ 1 (x) = x 1, Φ 2 (x) = x + 1, Φ 3 (x) = x 2 + x + 1, Φ 4 (x) = x 2 + 1, Φ 5 (x) = x 4 + x 3 + x 2 + x + 1, Φ 6 (x) = x 2 x + 1, Φ 7 (x) = x 6 + x x + 1, Φ 8 (x) = x 4 + 1, Φ 9 (x) = x 6 + x 3 + 1, Φ 10 (x) = x 4 x 3 + x 2 x + 1, Φ 11 (x) = x 10 + x 9 + x x + 1, Φ 12 (x) = x 4 x 2 + 1, Φ 13 (x) = x 12 + x 11 + x x + 1, Φ 14 (x) = x 6 x 5 + x 4 x 3 + x 2 x + 1, Φ 15 (x) = x 8 x 7 + x 5 x 4 + x 3 x + 1, Φ 16 (x) = x 8 + 1, Φ 17 (x) = x 16 + x 15 + x x + 1, Φ 18 (x) = x 6 x 3 + 1, Φ 19 (x) = x 18 + x 17 + x x + 1, Φ 20 (x) = x 8 x 6 + x 4 x 2 + 1, Φ 21 (x) = x 12 x 11 + x 9 x 8 + x 6 x 4 + x 3 x + 1, Φ 22 (x) = x 10 x 9 + x 8 x 7 + x 6 x 5 + x 4 x 3 + x 2 x + 1, Φ 23 (x) = x 22 + x 21 + x x 2 + x + 1, Φ 24 (x) = x 8 x 4 + 1, Φ 25 (x) = x 20 + x 15 + x 10 + x 5 + 1, Φ 26 (x) = x 12 x 11 + x 10 x 9 + x 8 x 7 + x 6 x 5 + x 4 x 3 + x 2 x + 1, Φ 27 (x) = x 18 + x 9 + 1, Φ 28 (x) = x 12 x 10 + x 8 x 6 + x 4 x 2 + 1, Φ 29 (x) = x 28 + x 27 + x x 2 + x + 1, Φ 30 (x) = x 8 + x 7 x 5 x 4 x 3 + x + 1, Φ 50 (x) = x 20 x 15 + x 10 x 5 + 1, Φ 100 (x) = x 40 x 30 + x 20 x , Φ 1000 (x) = x 400 x x 200 x

4 144 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 12.2 Początkowe własności wielomianów cyklotomicznych Z definicji wielomianów cyklotomicznych wynika, że Φ n (x) = k A n (x ξ k ), gdzie ξ = cos 2π n +i sin 2π n oraz A n jest zbiorem wszystkich liczb naturalnych zbioru {1,..., n} względnie pierwszych z n Dla n 3 zachodzi równość Φ n (x) = k B n ( x 2 2x cos ( 2kπ n ) ) + 1, gdzie B n jest zbiorem wszystkich liczb naturalnych mniejszych od n 2 liczbą n. i względnie pierwszych z D. Wynika to z równości oraz tego, że ξ n k jest sprzężeniem liczby ξ k Jeżeli n m, to Φ n (x) Φ m (x). D. Niech U n i U m będą zbiorami pierwiastków pierwotnych odpowiednio stopni n i m z jedynki. Wiadomo, że jeśli n m, to U n U m (a nawet U n U m = ). Zatem jeśli n m, to Φ n (x) Φ m (x), gdyż są to wielomiany moniczne mające różne zbiory pierwiastków. Niech n 2 będzie ustaloną liczbą naturalną. Przez F n (x) oznaczać będziemy wielomian należący do Z[x], będący najmniejszą wspólną wielokrotnością wszystkich wielomianów postaci x d 1, gdzie d < n oraz d n. Dodatkowo przyjmujemy, że F 1 (x) = 1. Zapamiętajmy: { F n (x) = nww x d } 1; d < n, d n, d N Z tej definicji wynika, że F n (x) jest monicznym wielomianem o współczynnikach całkowitych, podzielnym przez wielomian x 1. Ponadto, x d 1 dzieli F n (x) dla wszystkich 1 d < n takich, że d n Niech e będzie pierwiastkiem pierwotnym n-tego stopnia z jedynki. Wówczas: F n (x) = (x e r ). r {1,2,...,n} (r,n)> Dla każdego n N zachodzi równość x n 1 = F n (x) Φ n (x). ([Br77], [La84]) Jeżeli p jest liczbą pierwszą, to Φ p (x) = x p 1 + x p x + 1..

5 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 145 D. Jedyną liczbą naturalną mniejszą niż p i dzielącą p jest d = 1. Wobec tego F p = (x 1). Z równości wynika zatem, że Φ p (x) = xp 1 x 1 = xp 1 + x p x Niech A B będą pierścieniami (przemiennymi z 1). Rozważmy trzy wielomiany: f(x), g(x), h(x) należące do B[x]. Załóżmy, że: (a) f(x) = g(x)h(x), (b) f(x) i g(x) są moniczne, (c) f(x), g(x) A[x]. Wtedy wielomian h(x) jest moniczny i należy do A[x]. D. Moniczność wielomianu h(x) jest oczywista. Niech: f(x) = x n + a n 1 x n a 1 x + a 0, g(x) = x m + b m 1 x m b 1 x + b 0, h(x) = x s + c s 1 x s c 1 x + c 0, Współczynniki postaci a i, b j należą do A, natomiast współczynniki postaci c i należą do B. Ponieważ f(x) = g(x)h(x), więc porównując współczynniki przy x n 1 mamy a n 1 = c s 1 + b m 1. Stąd c s 1 = a n 1 b m 1 A. Wiemy więc, że c s 1 A. Załóżmy, że wiemy już, że wszystkie współczynniki c s 1, c s 2,..., c k+2, c k+1 należą do A. Pokażemy, że wówczas współczynnik c k również należy do A. W tym celu porównajmy w równości f(x) = g(x)h(x) współczynniki przy x k+s. Wtedy a k+s = c k + c k+1 b s 1 + c k+2 b s i wobec tegoże c k = a k+s (c k+1 b s+1 + c k+2 b s ). Prawa strona należy do A. Zatem c k A i to kończy nasz indukcyjny dowód Każdy wielomian Φ n (x) należy do pierścienia Z[x]. Innymi słowy, wszystkie współczynniki dowolnego wielomianu cyklotomicznego są liczbami całkowitymi. ([Br77], [La84]). D. Wiemy, że x n 1 = F n (x)φ n (x) (patrz ). Wielomiany x n 1 i F n (x) są moniczne i należą do Z[x]. Z wynika więc, że wielomian Φ n (x) również należy do Z[x]. T. Nagell, The cyclotomic polynomial, [Nagl]

6 146 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 12.3 Nierozkładalność wielomianów cyklotomicznych (Kronecker). Każdy wielomian Φ n (x) jest nierozkładalny w Z[x]. ([Br77], [Fila] s.86). D. ([Br77]). Przypuśćmy, że wielomian Φ n (x) jest rozkładalny w Z[x]. Istnieją wtedy dwa wielomiany g(x) i h(x) należące do Z[x] (dodatniego stopnia) takie, że: Φ n (x) = g(x) h(x). Możemy założyć, że wielomian g(x) jest nierozkładalny w Z[x]. Załóżmy ponadto, że są to wielomiany moniczne. Ponieważ Φ n (ω 1 ) = Φ n (ω 2 ) =... = Φ n (ω ϕ(n) ) = 0, gdzie ω 1, ω 2,..., ω ϕ(n) są wszystkimi pierwiastkami pierwotnymi n-tego stopnia z jedynki, więc istnieje co najmniej jeden z tych pierwiastków pierwotnych, oznaczmy go przez e, spełniający równość g(e) = 0. Niech p będzie taką liczbą pierwszą, że p n. Udowodnimy, że g(e p ) = 0. W tym celu zauważmy najpierw, że e p jest również pierwiastkiem pierwotnym n-tego stopnia z jedynki (ponieważ liczby p, n są względnie pierwsze). Zatem Φ n (e p ) = 0, więc g(e p ) = 0 lub h(e p ) = 0. Pokażemy, że g(e p ) = 0. Przypuśćmy, że h(e p ) = 0. Wówczas liczba e jest pierwiastkiem jednocześnie wielomianów g(x) oraz h(x p ). Ponieważ wielomian g(x) jest jest nierozkładalny w Z[x], więc stąd wynika, że g(x) dzieli h(x p ) w Z[x]. Zatem h(x p ) = g(x) v(x), gdzie v(x) Z[x]. Rozpatrzmy homomorfizm pierścieni α : Z[x] Z p [x] indukowany przez naturalny homomorfizm: Z Z p (liczbie całkowitej a przyporządkowana jest reszta z dzielenia a przez p). Mamy wówczas w pierścieniu Z p [x] następujące dwie równości: α(φ n (x)) = α(g(x)) α(h(x)), α(h(x p )) = α(g(x)) α(v(x)). Ale α(h(x p )) = (α(h(x))) p, więc α(h(x)) p = α(g(x)) α(v(x)). Wielomian α(v[x]) ma stopień 1 (bo jest moniczny). Niech u(x) Z p [x] będzie wielomianem nierozkładalnym w Z p [x] dzielącym α(v(x)). Wtedy wielomian u(x) dzieli wielomian (α(h(x))) p = α(h(x)) α(h(x)) α(h(x)), } {{ } p dzieli więc α(h(x)). Wielomian u(x) dzieli więc jednocześnie wielomiany α(g(x)) i α(h(x)). Oznacza to, że wielomiany α(g(x)) i α(h(x)) mają wspólny czynnik w Z p [x]. Stąd wynika dalej, że wielomian α(φ n (x)) = α(g(x)) α(h(x)) ma czynnik wielokrotny w Z p [x]. Ale x n 1 = F n (x) Φ n (x) (patrz ), więc w pierścieniu Z p [x] mamy równość x n 1 = α(x n 1) = α(f n (x)) α(φ n (x)), z której wynika, że wielomian x n 1 ma czynnik wielokrotny w Z p [x]. Zatem w pewnym rozszerzeniu ciała Z p wielomian x n 1 ma pierwiastek podwójny. To jest oczywiście niemożliwe. Doszliśmy zatem do sprzeczności. W ten sposób wykazaliśmy, że g(e) = 0 oraz g(e p ) = 0 dla wszystkich takich liczb pierwszych p, że p n. Stąd wynika, że g(ω) = 0 dla każdego ω będącego pierwotnym pierwiastkiem n-tego stopnia z jedynki. Niech ω będzie pierwiastkiem pierwotnym n-tego stopnia z jedynki. Ponieważ e jest też takim pierwotnym pierwiastkiem, więc ω = e k dla pewnego k. Zatem nwd(k, n) = 1. Jeżeli k = 1, to ω = e, więc g(ω) = g(e) = 0. Niech teraz k 2. Niech k = p 1 p 2 p s, gdzie p 1, p 2,..., p s są liczbami pierwszymi (niekoniecznie różnymi). Każda z tych liczb pierwszych jest oczywiście względnie pierwsza z liczą n. Zatem p 1 n, p 2 n,..., p s n. Z tego co już udowodniliśmy wynika, że g(e p1 ) = 0. Przyrównując e 1 = e p1 mamy g(e 1 ) = 0, więc g(e p2 ) = 0, więc g(e p1p2 ) = 0 i tak dalej aż do równości

7 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 147 g(e p1p2...ps ) = 0. Zatem g(e k ) = 0 czyli g(ω) = 0. Każdy zatem pierwiastek pierwotny n-tego stopnia z jedynki jest zerem wielomianu g(x). Zatem: g(x) = ϕ(n) (x ω k ) = Φ n (x). k=1 Ale g(x) jest nierozkładalne w Z[x], więc Φ n (x) jest wielomianem nierozkładalnym w Z[x] Jeżeli n m, to wielomiany cyklotomiczne Φ n (x) i Φ m (x) są względnie pierwsze. D. Wynika to z tego, że wielomiany Φ n (x) oraz Φ m (x) są nierozkładalne, moniczne i różne (Kronecker). Jeśli f Z[x] Z jest nierozkładalnym wielomianem monicznym i wszystkie jego pierwiastki (zespolone) leżą na kole {z; z = 1}, to f(x) jest wielomianem cyklotomicznym. ([Fila] s.86). T. Nagell, Irreducibility of the cyclotomic polynomial, [Nagl] Następne własności wielomianów cyklotomicznych Jeżeli d n, to wielomian Φ d (x) dzieli wielomian x n 1 w Z[x], tzn. istnieje wielomian H(x) Z[x] taki, że x n 1 = H(x)Φ d (x). D. Niech n = dm. Wtedy x n 1 = x dm 1 = (x d ) m 1 m = (x d 1)(x d(m 1) + x d(m 2) ), a zatem wielomian x d 1 dzieli w Z[x] wielomian x n 1. Wiemy, że x d 1 = F d (x) Φ d (x) (patrz ). Zatem Φ d (x) dzieli x d 1 oraz x d 1 dzieli x n 1, a więc Φ d (x) dzieli x n x n 1 = d n Φ d (x). D. Oznaczmy: H(x) = Φ d (x). Ponieważ wielomiany postaci Φ d (x) są parami względnie pierwsze (patrz ) oraz każdy z nich (gdy d n) dzieli wielomian x n 1 (patrz ), więc H(x) d n dzieli x n 1. Wielomian H(x) jest moniczny i jego stopień jest równy n, gdyż dobrze wiadomo, że ϕ(d) = n. Zatem H(x) = x n 1. d n Jeśli m < n, to wielomiany x m 1 i Φ n (x) są względnie pierwsze. D. Wynika to z i x 15 1 = Φ 1 (x)φ 3 (x)φ 5 (x)φ 15 (x). (Wynika z ).

8 148 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne (T. M. Apostol, 1970). Niech d < n będą liczbami naturalnymi i niech k będzie liczbą naturalną zdefiniowaną następująco: k = { p, gdy n d jest potęgą liczby pierwszej p, 1, w przeciwnym przypadku. Istnieją wtedy wielomiany o współczynnikach całkowitych F (x), G(x) takie, że k = F (x)φ d (x) + G(x)Φ n (x). W literaturze matematycznej znajdziemy sporo różnych dowodów tego twierdzenia. W 1970 roku udowodnił to Tom M. Apostol [Apl]. Dwa dowody, w tym jeden Andrzeja Schinzla, opublikował później Michael Filaseta [Fil]. Ostatnio prosty dowód opublikował Gregory Dresden [Drn]. Jego dowód podaje jawnie postać wielomianów F (x) i G(x). W pierwszym wydaniu tej książki powyższe twierdzenie się nie pojawiło. Autor dziękuje profesorom Władysławowi Narkiewiczowi oraz Andrzejowi Schinzlowi za cenne informacje o tym twierdzeniu i jego dowodach. W jednym z następnych podrozdziałów (patrz ) wykorzystamy pewien szczególny przypadek omawianego twierdzenia. Teraz przedstawimy ten przypadek wraz z dowodem. Załóżmy, że m > n są liczbami naturalnymi i niech m = kn + r, gdzie k N, r Z, 0 r < n. Mamy wtedy równość x m 1 = (x m n + x m 2n + x m 3n + + x m kn )(x n 1) + x r 1. Stosując tego typu równości i postępując tak jak w algorytmie Euklidesa, otrzymujemy: Niech n, m N oraz d = nwd(n, m). Istnieją wtedy wielomiany o współczynnikach całkowitych A(x), B(x) takie, że x d 1 = A(x)(x n 1) + B(x)(x m 1). Z powyższych obserwacji wynika, wspomniany wcześniej, następujący szczególny przypadek twierdzenia Jeśli d, n są liczbami naturalnymi takimi, że d < n oraz d n, to istnieją wielomiany o współczynnikach całkowitych F (x), G(x) takie, że 1 = F (x)φ d (x) + G(x)Φ n (x). D. Oznaczmy: H k (x) = x k 1 dla wszystkich k N. Niech r = nwd(d, n) i niech A(x), B(x) Z[x] takie, że ( ) H r (x) = A(x)H d (x) + B(x)H n (x). Takie wielomiany A(x), B(x) istnieją na mocy Wprowadźmy zbiory: U = {m N; m r}, V 1 = {m N; m d, m r}, V 2 = {m N; m n, m r} U jest zbiorem wszystkich dzielników naturalnych liczby r; każdy taki dzielnik jest oczywiście dzielnikiem liczby d i jest dzielnikiem liczby n. V 1 jest zbiorem tych wszystkich dzielników liczby d, które

9 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 149 nie są dzielnikami liczby r. Natomiast V 2 jest zbiorem tych wszystkich dzielników liczby n, które nie są dzielnikami liczby r. Zauważmy, że d nie należy do zbioru U. Gdyby bowiem było przeciwnie, to mielibyśmy równości d = r = nwd(d, n), z których wynikałoby, że d dzieli n; sprzeczność z założeniem, że d n. W podobny sposób uzasadniamy, że n nie należy do zbioru U. Zatem d V 1 oraz n V 2. Oznaczmy: F (x) = m V 1 {d} Φ m (x), G(x) = m V 2 {n} Φ m (x). Jest jasne, że F (x), G(x) są wielomianami o współczynnikach całkowitych. Korzystamy teraz z twierdzenia i mamy: H d (x) = m d Φ m (x) = m U Φ m (x) m V 1 Φ m (x) = H r (x) m V 1 Φ m (x) = H r (x)f (x)φ d (x). W ten sam sposób wykazujemy, że H n (x) = H r (x)g(x)φ n (x). Wstawiamy to do równości ( ) i po podzieleniu przez H r (x) otrzymujemy tezę Dla każdego n N zachodzi równość: Φ n (x) = d n(x n d 1) µ(d), w której µ oznacza funkcję Möbiusa. ([Fila] s.87). D. Wynika z równości i własności splotowych funkcji Möbiusa (patrz [N-5]) W ciele Q(x) dla każdej liczby naturalnej n 2 zachodzi równość Φ n (x) = x ϕ(n) Φ n ( 1 x ). D. Wynika to z równości i ze znanych równości d n µ(d) n d = ϕ(n) oraz d n µ(d) = 0 (dla n 2) Niech f(x) Z[x] będzie wielomianem z nieparzystymi współczynnikami stopnia d 1. Jeśli Φ n (x) dzieli wielomian f(x), to n dzieli 2d. ([BoC]) (Gauss). Jeśli n > 1 jest nieparzystą liczbą bezkwadratową, to istnieją takie wielomiany A(x), B(x) Z[x], że 4Φ n (x) = A(x) 2 n( 1) (n 1)/2 B(x) 2. (Brent) (Aurifeuille, Le Lasseur, Lucas). Jeśli n > 1 jest nieparzystą) liczbą bezkwadratową, to istnieją takie wielomiany C(x), D(x) Z[x], że Φ n (( 1) (n 1)/2 x = C(x) 2 nxd(x) 2. (Brent) (Aurifeuille, Le Lasseur, Lucas). Jeśli n jest parzystą liczbą bezkwadratową, to istnieją takie wielomiany C(x), D(x) Z[x], że ±Φ n/2 ( x 2 ) = C(x) 2 nxd(x) 2. (Brent).

10 150 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne Przykłady: (1) 4Φ 3 (x) = (2x + 1) ; (2) 4Φ 5 (x) = (2x 2 + x + 2) 2 5x 2, Φ 5 (x) = (x 2 + 3x + 1) 2 5x(x + 1) 2 ; (3) 4Φ 15 (x) = A B 2, gdzie A = 2x 2 x 3 4x 2 x + 2, B = x 3 x; (4) Φ 15 ( x) = C 2 15xD 2, gdzie C = x 4 + 8x x 2 + 8x + 1, D = x 3 + 3x 2 + 3x + 1. (Brent) ([BoC]). Niech p P i niech T p będzie funkcją przyporządkującą każdemu monicznemu wielomianowi f(x) = (x α i ) (gdzie każde α i jest liczbą zespoloną) wielomian (x α p i ). Jeśli n jest liczbą naturalną niepodzielną przez p, to (1) T p (Φ n (x)) = Φ n (x); (2) T p (Φ pn (x)) = Φ n (x) p 1 ; (3) T p (Φ p s n(x)) = Φ p s 1 n(x) p, dla s 2. Zdefiniowaliśmy wielomiany cyklotomiczne za pomocą pierwiastków pierwotnych z jedynki. Pan Tomasz Ordowski przesłał mi (w maju 2013 roku) następujące zadanie do rozwiązania. Z tezy tego zadania wynika, że wielomiany cyklotomiczne można definiować bez wspominania o pierwiastkach z jedynki Niech (E n (x)) będzie ciągiem wielomianów takim, że ( ) E 1 (x) = 1 oraz E n+1 (x) = nww E n (x), x n 1 dla n N. Wówczas dla każdej liczby naturalnej n, zachodzi równość E n+1 (x) E n (x) = Φ n (x). D. (Sposób I). Udowodnimy indukcyjnie, że dla każdej liczby naturalnej n zachodzi równość ( ) E n+1 (x) = n Φ k (x). Dla n = 1 jest to oczywiste. Jeśli f(x), g(x) są wielomianami, to przez [f(x), g(x)] oznaczać będziemy najmniejszą wspólną wielokrotność tych wielomianów. Krok indukcyjny: [ ] n 1 [ ] E n+1 (x) = E n (x), x n 1 = Φ d (b) = A(x)B(x), A(x)Φ n (x). k=1 k=1 Φ k (x), d n Wykorzystaliśmy twierdzenie Tutaj A(x) jest iloczynem wszystkich wielomianów postaci Φ d (x), gdzie d < n oraz d n. Natomiast B(x) jest iloczynem wszystkich wielomianów postaci Φ d (x), gdzie d < n oraz d n. Wiemy, że wielomiany cyklotomiczne są nieprzywiedlne i są parami różne. Zatem,

11 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 151 wielomiany B(x) oraz Φ n (x) są względnie pierwsze, a zatem [B(x), Φ n )(x)] = B(x) Φ n (x). Mamy więc: [ ] [ ] E n+1 (x) = A(x)B(x), A(x)Φ n (x) = A(x) B(x), Φ n (x) ( n 1 ) = A(x)B(x)Φ n (x) = k=1 Φ k(x) Φ n (x) = n k=1 Φ k(x) i to kończy nasz indukcyjny dowód równości ( ). Zatem E n+1 (x)/e n (x) = Φ n (x). D. (Sposób II). (Władysław Narkiewicz). Niech A n (x) = E n+1 (x)/e n (x). Jeśli liczba (zespolona) z jest pierwiastkiem wielomianu A n (x), to E n+1 (z) = 0 oraz E n (z) jest niezerowe, gdyż wielomiany E n (x) nie mają pierwiastków wielokrotnych. Zatem z musi być pierwiastkiem wielomianu x n 1, wiec jest pierwiastkiem n-tego stopnia z jedynki. Zauważmy, że ten pierwiastek jest pierwotny. Gdyby nie był, to mielibyśmy równość E n (z) = 0, a to jest niemożliwe. Zatem każdy pierwiastek wielomianu A n (x) jest pierwiastkiem n-tego wielomianu cyklotomicznego Φ n (x) i z nieprzywiedlności tego ostatniego wynika, że A n (x) = Φ n (x). R. P. Brent, On computing factors of cyclotomic polynomials, preprint, L. Carlitz, Note on the cyclotomic polynomials, [Mon] 61(2)(1954) M. Isaacs, Cyclotomy and geometric constructions. [Isaa], rozdział 20. D. R. Kohel, Cyclotomic polynomials and base b representations of integers, preprint. J. MacDougall, Mersenne composities and cyclotomic primes, [MG] 87(508)(2003) D. G. C. McKeon, T. N. Sherry, Exploring cyclotomic polynomials, [MG] 502(2001) K. F. McLean, Cyclotomic and double angle polynomials, [MG] 88(512)(2004) L. Mirsky, A note on cyclotomic polynomials, [Mon] 69(8)(1962) K. Motose, Ramanujan s sums and cyclotomic polynomials, Hirosaki K. Motose, On Euclidean algorithm, Hirosaki, P. Ribenboim, Wielomiany podziału koła, [Ri01] M. Sawczuk, Wielomiany cyklotomiczne, [Pmgr] W. Sengerov, A. Spivak, Wielomiany podziału okręgu, [Kw] 1/ , 2/ Wielomiany cyklotomiczne i nierówności Dla każdego n N funkcja Φ n (x) jest ściśle rosnąca w przedziale [1, ). ([Mot1]). D. To jest oczywiste dla n = 1 i n = 2, gdyż Φ 1 (x) = x 1, Φ 2 (x) = x + 1. Jeśli n 3, to fakt ten łatwo wynika z równości Φ n (x) = ( k B n x 2 2x cos ( ) ) 2kπ n + 1, gdzie Bn jest zbiorem wszystkich liczb naturalnych mniejszych od n 2 i względnie pierwszych z n (patrz ). Każda bowiem funkcja postaci f(x) = x 2 2x cos ( ) 2kπ n + 1 (dla n 3) jest ściśle rosnąca w przedziale [1, ) Jeśli n 2, to Φ n (a) 1 dla wszystkich liczb rzeczywistych a 1. D. Z dowodu faktu wynika, że Φ n (1) > 0. Zatem Φ n (1) 1 (gdyż Φ n (1) Z). To, że Φ n (1) 1 wynika również z Jeśli więc a 1, to Φ n (a) Φ n (1) 1 (na mocy ) Jeśli n 2, to dla każdej liczby naturalnej a zachodzi nierówność Φ n (a) > a 1.

12 152 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne D. ([Br68]). Niech e będzie pierwiastkiem n-tego stopnia z jedynki. Dla a = 1 oczywiście Φ n (a) 0, a zatem Φ n (q) 1 > q 1 = 0. Przypuśćmy więc, że a > 1. Wówczas dla dowolnej liczby całkowitej k mamy: a e k a e k = a 1 1. Wobec tego: Φ n (a) = a e r a e. r {1,2,...,n} (r,n)=1 Ponieważ e nie jest liczbą rzeczywistą dodatnią dla n > 1, więc a e > a e = a 1. U. Powyższy fakt wykorzystuje się w dowodzie Twierdzenia Wedderburna o przemienności ciał skończonych (patrz np. [Br68]) Jeśli n 2, to dla każdej liczby naturalnej a zachodzi nierówność Φ n (a) a. D. Już wiemy z , że Φ n (1) 1. Zatem rozważana nierówność jest prawdziwa dla a = 1. Niech teraz a będzie liczbą naturalną większą od 1 i przypuśćmy, że Φ n (a) < a. Ponieważ 1 < 2 < < a 1 < a, więc na mocy otrzymujemy: 1 Φ n (1) < Φ n (2) < < Φ n (a 1) < Φ n (a) < a, przy czym wszystkie liczby Φ n (1), Φ n (2),..., Φ n (a) są naturalne (gdyż Φ n (x) Z[x]). Otrzymaliśmy sprzeczność: pomiędzy 1 i a jest a + 1 liczb naturalnych Niech n 2 będzie liczbą naturalną. Niech r = ω(n) będzie liczbą wszystkich liczb pierwszych dzielących n. Niech n = r(n) będzie iloczynem wszystkich liczb pierwszych dzielących n i niech m = n/n. Wtedy: (1) jeśli r jest liczbą parzystą, to am 1 a m aϕ(n) < Φ n (a) < a ϕ(n), dla wszystkich liczb rzeczywistych a 2; (2) jeśli r jest liczbą nieparzystą, to a ϕ(n) < Φ n (a) < am a m 1 aϕ(n), dla wszystkich liczb rzeczywistych a 2. ([Mot1]) (a 1) ϕ(n) < Φ n (a) (a + 1) ϕ(n), dla n 2, a 2. ([Mot5]) aϕ(n) < Φ n (a) 2a ϕ(n), dla n 2, a 2. (R.Thangadurai, A.Vatwani, [Mon] 118(8)(2011)) Wielomiany cyklotomiczne nad ciałami Niech p P, n, m N, n m, p n, p m. Wtedy wielomiany Φ n (x) i Φ m (x) są względnie pierwsze w Z p [x]. ([BoC]) Jeśli p P, to Φ p (x) = (x 1) p 1 w Z p [x] Niech p P, n N, p n. Niech m = δ n (p) będzie rzędem liczby p modulo n. Wtedy wielomian Φ n (x), traktowany jako wielomian należący do Z p [x], jest iloczynem ϕ(n)/m parami różnych wielomianów nierozkładalnych w Z p [x], z których każdy jest stopnia m. ([Mon] 75(1)(1968) 46).

13 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne Niech k będzie q = p s elementowym ciałem. Niech n N, p n i niech m = δ n (q) będzie rzędem liczby q modulo n. Wtedy wielomian Φ n (x), traktowany jako wielomian należący do k[x], jest iloczynem ϕ(n)/m parami różnych wielomianów nierozkładalnych w k[x], z których każdy jest stopnia m. ([Mot5], [Mot7]) Niech n, s N. Wielomian Φ n (x s ) jest nierozkładalny w Q[x] wtedy i tylko wtedy, gdy każdy dzielnik pierwszy liczby s jest dzielnikiem pierwszym liczby n. ([Golo]). W. J. Guerrier, The factorization of the cyclotomic polynomials mod p, [Mon] 75(1)(1968) Wielomiany Ψ n (x, y) Oznaczmy: ) Ψ n (x, y) = y ϕ(n) Φ n ( x y. Przykłady: Ψ 1 (x, y) = x y, Ψ 2 (x, y) = x + y, Ψ 3 (x, y) = x 2 + xy + y 2, Ψ 4 (x, y) = x 2 + y 2, Ψ 5 (x, y) = x 4 + x 3 y + x 2 y 2 + xy 3 + y 4, Ψ 6 (x, y) = x 2 xy + y 2, Ψ 7 (x, y) = x 6 + x 5 y + x 4 y 2 + x 3 y 3 + x 2 y 4 + xy 5 + y 6, Ψ 8 (x, y) = x 4 + y 4, Ψ 9 (x, y) = x 6 + x 3 y 3 + y Z własności wielomianów cyklotomicznych wynikają następujące własności wielomianów postaci Ψ n (x, y). (1) Każde Ψ n (x, y) jest jednorodnym wielomianem stopnia ϕ(n) zmiennych x i y o współczynnikach całkowitych. (2) Każdy wielomian Ψ n (x, y) jest nierozkładalny w Z[x, y]. (3) Φ n (x) = Ψ n (x, 1). (4) Ψ n (x, y) = ( x n/d y n/d) µ(d). d n (5) x n y n = d n Ψ d (x, y) Ψ n (x, y) = Ψ n (y, x), dla n 2. ([Mot7]).

14 154 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne D. Wynika to z równości Ψ n (x, y) = (x n/d y n/d) µ(d) d n (dla n 2). oraz µ(d) = 0 d n 12.8 Wielomiany cyklotomiczne i ich numery Najpierw zajmować się będziemy wielomianami cyklotomicznymi, których numery są potęgami liczb pierwszych. Wiemy (patrz ), że jeżeli p jest liczbą pierwszą, to Φ p (x) = x p 1 + x p x Φ p 2(x) = x p(p 1) + x p(p 2) x p Jeżeli p jest liczbą pierwszą i k jest liczbą naturalną to Φ p k(x) = x pk 1 (p 1) + x pk 1 (p 2) x pk D. Indukcja ze względu na k. Dla k=1,2 już wiemy, że tak jest. Załóżmy, że to jest prawdą dla pewnego k 1. Wtedy dla k + 1 mamy x pk+1 1 = (x pk ) p 1 = (x pk 1)(x pk (p 1) + x pk (p 2) x pk + 1). Z drugiej strony (ma mocy ) mamy: x pk+1 1 = (x pk ) p 1 = Φ 1 (x)φ p (x)φ p 2(x)... Φ p k(x) Φ p k+1(x) = (x pk 1)Φ p k+1(x). } {{ } x pk 1 Zatem Φ p k+1(x) = x pk (p 1) + x pk (p 2) x pk Jeżeli p jest liczbą pierwszą i k 0, to Φ p k+1(x) = Φ p (x pk ). (Wynika z ) Φ 2 k+1 = x 2k + 1. (Jest to szczególny przypadek faktu ) Jeśli s = i + j, to Φ p s(x) = Φ p i(x pj ). D. Φ p s(x) = p 1 x kps 1 = p 1 k=0 k=0 (x pj ) kpi 1 = Φ p i(x pj ) Jeżeli p i q są różnymi liczbami pierwszymi, to dla i 1, j 1. Φ p i q j(x) = Φ pq(x pi 1 q j 1 ),

15 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne Jeżeli p 1, p 2,..., p s są parami różnymi liczbami pierwszymi, to ( ) Φ r p 1 1 p r 2 2 p rs (x) = Φ p s 1 p 2 p s x pr p r p rs 1 s Niech r(n) oznacza iloczyn wszystkich liczb pierwszych dzielących liczbę naturalną n. Zachodzi zawsze równość: Φ n (x) = Φ r(n) (x n/r(n) ). Jest to inne wysłowienie faktu Jeżeli liczby m i n są względnie pierwsze, to Φ m (x n ) = Φ md (x). ([ArB]). d n D. Φ m (x) = (x α n ). Wobec tego: α U m Φ m (x n ) = (x n α n ) = (x α γ) = (x αβ) α U m α U m γ G n d n α U m β U d = (x αβ) = (x δ) = Φ md (x). d n (α,β) U m U d d n δ U md d n Jeżeli p jest liczbą pierwszą i m liczbą naturalną taką, że p m, to Φ mp (x) = Φ m(x p ) Φ m (x). ([ArB]). D. Korzystając z dla n = p mamy: Φ m (x p ) = Φ m 1 (x) Φ mp (x) i stąd wynika teza. Następne stwierdzenia dotyczą wielomianów cyklotomicznych o numerach parzystych Jeżeli n 3 jest liczbą nieparzystą, to Φ 2n (x) = Φ n ( x). ([ArB]). D. Indukcja ze względu na n. Dla n = 3 mamy: Φ 6 (x) = x 2 x + 1 = Φ 3 ( x). Załóżmy, że to jest prawdą dla wszystkich liczb nieparzystych (większych od 1) mniejszych od n. Wtedy x 2n 1 = Φ e (x) = Φ d (x) Φ 2d (x) = Φ d (x) Φ 2d (x) Φ 2n (x) Φ 2 (x). e 2n d n d n d n d n 1<d<n Z drugiej strony: ( ) x 2n 1 = (x n 1)(x n + 1) = (x n 1) ( x) n 1 = Φ d (x) d n Φ d ( x) Φ n ( x) Φ 1 ( x). d n 1<d<n Porównajmy teraz powyższe dwie równości. Z założenia indukcyjnego dla nieparzystych d takich, że 3 d < n, d n, mamy Φ 2d (x) = Φ d ( x) oraz Porównując mamy: Φ 2n (x) = Φ n ( x). Φ 2 (x) = x + 1 = ( ( x) 1 ) = Φ 1 ( x).

16 156 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne Jeżeli p 3 jest liczbą pierwszą, to Φ 4p (x) = Φ p ( x 2 ). ([ArB]). D. Na mocy twierdzenia mamy: że x 4p 1 = Φ 1 (x) Φ 2 (x) Φ 4 (x) Φ p (x) Φ 2p (x) Φ 4p (x). Z drugiej strony wiemy, że: ( )( ) x 4p 1 = (x p ) 2 1 (x p ) ( ) = (x p 1)(x p + 1) (x 2 ) p + 1 = Φ 1 (x) Φ p (x) Φ 2 (x) Φ p ( x) Φ 2 (x 2 ) Φ p ( x 2 ). Z wiemy, że zachodzi równość Φ 2p (x) = Φ p ( x). Ponadto wiemy, że Φ 2 (x 2 ) = x = Φ 4 (x). Porównując strony napisanych powyżej równości otrzymujemy tezę Jeżeli p 3 jest liczbą pierwszą, to D. Wiemy z , że Φ 8p (x) = Φ p ( x 4 ). ([ArB]). x 8p 1 = Φ 1 (x) Φ 2 (x) Φ 4 (x) Φ 8 (x) Φ p (x) Φ 2p (x) Φ 4p (x) Φ 8p (x). Z drugiej strony wiemy, że: x 8p 1 = ( (x 4p 1) ) (x 4 ) p + 1 = Φ 1 (x) Φ 2 (x) Φ 4 (x) Φ p (x) Φ 2p (x) Φ 4p (x) Φ 2 (x 4 ) Φ p ( x 4 ). Z wiemy, że Φ 8 (x) = Φ 2 (x 4 ). Zatem Φ 8p (x) = Φ p ( x 4 ) Jeżeli p 3 jest liczbą pierwszą, to Φ 2 k p(x) = Φ p ( x 2k 1 ) Jeżeli p i q są różnymi liczbami pierwszymi nieparzystymi, to D. Wiemy z , że Φ 4pq (x) = Φ pq ( x 2 ). x 4pq 1 = Φ 1 (x) Φ 2 (x) Φ 4 (x) Φ p (x) Φ 2p (x) Φ 4p (x) Φ q (x) Φ 2q (x) Φ 4q (x) Φ pq (x) Φ 2pq (x) Φ 4pq (x). Z drugiej strony wiemy, że: x 4pq 1 = (x 2pq 1)(x 2pq + 1) = Φ 1 (x) Φ 2 (x) Φ p (x) Φ 2p (x) Φ q (x) Φ 2q (x) Φ pq (x) Φ 2pq (x) (x 2pq + 1). Porównując stronami powyższe równości otrzymujemy równość: Następnie korzystając z otrzymujemy, że: Φ 4 (x) Φ 4p (x) Φ 4q (x) Φ 4pq (x) = x 2pq + 1. (x 2 + 1) Φ p ( x 2 ) Φ q ( x 2 ) Φ 4pq (x) = x 2pq + 1 ( ) = ( x 2 ) pq 1 Wiemy jednak, że Zatem Φ 4pq (x) = Φ pq ( x 2 ). = Φ 1 ( x 2 ) Φ p ( x 2 ) Φ q ( x 2 ) Φ pq ( x 2 ). Φ 1 ( x 2 ) = ( x 2 1) = x

17 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 157 Teraz przedstawiamy wielomiany cyklotomiczne o numerach podzielnych przez Jeżeli p i q są takimi liczbami pierwszymi, że p > q > 3, to Φ 3p (x) Φ 3q (x) = (x p x q ) xp + x q + 1 x 2 + x + 1. D. Φ 3p (x) Φ 3q (x) = Φ 3(x p ) Φ 3 (x) Φ 3(x q ) Φ 3 (x) 1 [ ] = x 2 (x 2p + x p + 1) (x 2q + x q + 1) + x = x 2 + x + 1 (x2p x 2q + x p x q ) 1 [ ] = x 2 (x p x q )(x p + x q ) + (x p x q ) + x = x 2 + x + 1 (xp x q )(x p + x q + 1) Jeżeli p i q są takimi liczbami pierwszymi, że p > q > 3, to wielomian (x p x q )(x p + x q + 1) jest podzielny w Z[x] przez wielomian x 2 + x + 1. D. Wynika z , gdyż wiemy, że Φ 3p Φ 3q jest wielomianem należącym do pierścienia Z[x]. Mamy zatem w Z[x] równość (x 2 + x + 1)(Φ 3p (x) Φ 3q (x)) = (x p x q )(x p + x q + 1). U. Wielomiany postaci x p x q (gdzie p i q są liczbami pierwszymi takimi, że p > q > 3) i x 2 + x + 1 nie muszą być względnie pierwsze. Dla przykładu x 29 x 23 = x 23 (x 6 1) = x 23 (x 3 1)(x 3 + 1) = x 23 (x 1)(x 3 + 1)(x 2 + x + 1), czyli tutaj x 2 + x + 1 dzieli x 29 x Jeżeli p i q są takimi liczbami pierwszymi, że p > q > 3, to wielomian jest podzielny przez x q. Φ 3p (x) Φ 3q (x) Jeżeli p i q są takimi liczbami pierwszymi, że p > q > 3, to wielomian Φ 3p (x) Φ 3q (x) jest podzielny przez wielomian x q (x 1)(x + 1) Jeżeli p i q są takimi liczbami pierwszymi, że p > q > 3 oraz p q = 6, to Φ 3p (x) Φ 3q (x) = (x 1)(x + 1)(x 2 x + 1)(x p + x q + 1)x q Jeżeli p i q są takimi liczbami pierwszymi, że p > q > 3 oraz p q = 4, to wielomian Φ 3p (x) Φ 3q (x) jest podzielny przez wielomian x q (x 4 1) = x q (x 1)(x + 1)(x 2 + 1).

18 158 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 12.9 Współczynniki wielomianów cyklotomicznych Niech Φ n (x) = c ϕ(n) x ϕ(n) + c ϕ(n) 1 x ϕ(n) c 2 x 2 + c 1 x 1 + c 0. Wiemy, że liczby c 0, c 1,..., c ϕ(n) są całkowite Jeśli n 2, to c k = c ϕ(n) k dla wszystkich k {0, 1,..., ϕ(n)}. D. Wynika to z równości Ψ n (x, y) = Ψ n (y, x) (patrz ) Wyrazem wolnym wielomianu Φ 1 (x) jest 1. Wyraz wolny każdego wielomianu Φ n (x), gdzie n 2, jest równy 1. D. (Sposób I). Jest to szczególny przypadek faktu , gdyż dla n 2 mamy: c 0 = c ϕ(n) 0 = c ϕ(n) = 1. (Sposób II). Wyrazem wolnym wielomianu Φ 2 (x) = x + 1 jest oczywiście 1. Załóżmy, że n 3 i niech ω 1,..., ω ϕ(n) będą wszystkimi pierwotnymi pierwiastkami n-tego stopnia z jedynki. Niech a oznacza wyraz wolny wielomianu Φ n (x). Mamy wtedy a = ( 1) ϕ(n) ω 1 ω ϕ(n). Wiadomo, że jeśli n 3, to ϕ(n) jest liczbą parzystą. Zatem a = ω 1 ω ϕ(n). Jeśli ε jest pierwotnym pierwiastkiem n-tego stopnia z jedynki, to liczba 1 ε również jest pierwotnym pierwiastkiem n-tego stopnia z jedynki. Ponadto, jeśli n > 2, to ε 1 ε. Zatem zbiór wszystkich pierwotnych pierwiastków n-tego stopnia z jedynki można rozbić na parami rozłączne dwuelementowe zbiory postaci {ε, 1 ε }. Iloczyn wszystkich takich pierwiastków jest więc równy 1, tzn. a = Niech n 2. Rozpatrzmy sumę wszystkich współczynników wielomianu Φ n (x). Suma ta jest oczywiście równa Φ n (1). Jeśli n nie jest potęgą liczby pierwszej, to Φ n (1) = 1. W przeciwnym przypadku, jeśli n = p s, p P, s 1, to Φ n (1) = p. D. (K. Motose). Dla n = p s fakt ten wynika z równości Φ p s = x ps 1 (p 1) + x ps 1 (p 2) (patrz ). Załóżmy, że n 2 nie jest potegą liczby pierwszej. Wtedy n = p s m, gdzie p jest pewną liczbą pierwszą i m 2, p m. Ponieważ Φ mp s(x) = Φ m(x ps ) Φ m (x ps 1 ) oraz Φ m (1) 0 (gdyż m 1), więc Φ n (1) = Φ m(1) Φ m (1) = Jeśli n 3 jest liczbą nieparzystą, to Φ n ( 1) = 1. ([Mon] 6(111)(2004) ).

19 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne Jeżeli n N jest dowolną potęgą liczby pierwszej, wówczas wszystkie współczynniki n-tego wielomianu cyklotomicznego są nieujemne. D. Wynika to z równości Φ p s = x ps 1 (p 1) + x ps 1 (p 2) (patrz ) Wszystkie współczynniki wielomianu Φ n (x) są nieujemne wtedy i tylko wtedy, gdy n jest potęgą liczby pierwszej. ([Mon] 73(5)(1966) E1769) Niech q > p będą liczbami pierwszymi i niech r, s będą nieujemnymi liczbami całkowitymi takimi jak w Wówczas środkowy współczynnik wielomianu Φ pq (x) jest równy ( 1) r. ([Mon] 103(7)(1996) , wynika z ) (Dresden 2004). Dla n 3 środkowy współczynnik wielomianu Φ n (x) jest albo równy zero (kiedy n jest potęgą dwójki) albo jest liczbą nieparzystą. ([Mon] 6(111)(2004)) Niech m(n) oznacza środkowy współczynnik wielomianu Φ n (x). Kilka przykładów: m(385 = ) = 3, m(4785 = ) = 5, m(7735 = ) = 7, m(11305 = ) = 19. (J. Suzuki 1987) (I. Schur). Niech b N. Istnieje wielomian cyklotomiczny, którego co najmniej jeden współczynnik ma wartość bezwzględną większą od b. ([Fila] s.103). G. P. Dresden, On the middle coefficient of a cyclotomic polynomial, [Mon] 6(111)(2004) E. Lehmer, On the magnitude of coefficients of the cyclotomic polynomials, [Bams] 42(1936) J. Suzuki, On coefficients of cyclotomic polynomials, [Pjap] 63(1987) Współczynniki wielomianu Φ pq (x) Jeśli p i q są różnymi liczbami pierwszymi, to (patrz ) Φ pq (x) = (1 xpq )(1 x) (1 x p )(1 x q ). Jest to wielomian stopnia ϕ(pq) = (p 1)(q 1) (Migotti 1883, Bang 1895). Wszystkie współczynniki wielomianu Φ pq (x), gdzie p i q są liczbami pierwszymi, należą do zbioru { 1, 0, 1}. ([Bang], [Mon] 73(9)(1966), 103(7)(1996)).

20 160 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne Przedstawimy teraz dokładniejsze opisy współczynników wielomianów postaci Φ pq. Opisy te pochodzą głównie z artykułów z czasopisma [Mon] (Sister Marion Beiter 1964). Niech q > p będą liczbami pierwszymi i niech Φ pq (x) = c k x k. Wtedy dla każdego k = 0, 1,..., ϕ(pq) zachodzi równość c k = { ( 1) δ, jeśli k można jednoznacznie przedstawić w postaci k = αq + βp + δ, 0, w przeciwnym wypadku, gdzie α, β są nieujemnymi liczbami całkowitymi oraz δ = 0 lub 1. ([Mon] 71(1964) ). Do przedstawienia następnych charakteryzacji współczynników wielomianu Φ pq (x) potrzebny będzie następujący fakt. Jeśli a i b są względnie pierwszymi liczbami naturalnymi, to każdą liczbę naturalną n, większą od ab a b, można przedstawić w postaci n = xa + yb, gdzie x i y są nieujemnymi liczbami całkowitymi. Dowód tego faktu można znaleźć np. w [Nar03] s.34 (jest również w [N-6]). Korzystając z tego, łatwo dowodzi się następujący lemat Jeśli q p są liczbami pierwszymi, to istnieją jednoznacznie wyznaczone takie nieujemne liczby całkowite r, s, że (p 1)(q 1) = rp + sq. Ponadto: (1) 0 r q 2, 0 s p 2; (2) r = u 1, s = v 1, gdzie u {1, 2,..., q 1}, v {1, 2,..., p 1} są takimi liczbami naturalnymi, że up 1 (mod q) oraz vq 1 (mod p) (Lam, Leung 1996). Niech q > p będą liczbami pierwszymi i niech r, s będą nieujemnymi liczbami całkowitymi takimi jak w Wówczas wszystkie współczynniki wielomianu Φ pq (x) = c k x k należą do zbioru { 1, 0, 1}. Dokładniej: (1) c k = 1 wtedy i tylko wtedy, gdy k = ip + jq, gdzie i {0, 1,..., r}, j {0, 1,..., s}; (2) c k = 1 wtedy i tylko wtedy, gdy k = ip + jq pq, gdzie i {r + 1, r + 2,..., q 1}, j {s + 1, s + 2,..., p 1}; (3) c k = 0 w pozostałych przypadkach. ([Mon] 103(7)(1996) ). Wprowadzamy następujące oznaczenia. Przez a(p, q) oznaczać będziemy liczbę wszystkich współczynników równych 1 wielomianu Φ pq (x). Podobnie przez b(p, q) i c(p, q) oznaczać będziemy liczby współczynników równych odpowiednio 1 i 0 wielomianu Φ pq (x). Dla przykładu, jeśli p = 3 i q = 5, to Φ 15 = x 8 x 7 + x 5 x 4 + x 3 x + 1 i mamy: a(3, 5) = 4, b(3, 5) = 3 oraz c(3, 5) = b(p, q) = a(p, q) 1. ([Mon] 73(9)(1966), 103(7)(1996)).

21 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 161 D. Wynika to natychmiast z tego, że wszystkie współczynniki wielomianu Φ pq (x) należą do zbioru { 1, 0, 1} oraz z tego, że Φ pq (1) = 1 (patrz i ). Łatwo to również wywnioskować z faktu (Carlitz 1966 ). Niech q > p będą liczbami pierwszymi i niech w {1, 2,..., p 1} będzie jedyną liczbą naturalną taką, że wq 1 (mod p). Wtedy a(p, q) = 1 (p w)(wq + 1). p ([Mon] 73(9)(1966)) (Lam, Leung 1996). Niech q > p będą liczbami pierwszymi i niech r, s będą nieujemnymi liczbami całkowitymi takimi jak w Zachodzą równości: (1) a(p, q) = (r + 1)(s + 1), (2) b(p, q) = (p s 1)(q r 1), (3) c(p, q) = 2 + (p 1)(q 1) 2(r + 1)(s + 1). ([Mon] 103(7)(1996), wynika to z ) (Lenstra 1978). Niech q > p będą liczbami pierwszymi. Niech u {1, 2,..., q 1}, v {1, 2,..., p 1} będą jedynymi takimi liczbami naturalnymi, że up 1 (mod q) i vq 1 (mod p). Wtedy ([Mon] 103(7)(1996)). a(p, q) = uv, b(p, q) = uv (Carlitz 1966). Z faktu łatwo wywnioskować następujące równości. (1) a(3, 3k + 1) = 2k + 1, a(3, 3k + 2) = 2k + 2. (2) a(5, 5k+1) = 4k+1, a(5, 5k+2) = 6k+3, a(5, 5k+3) = 6k+4, a(5, 5k+4) = 4k+4. (3) a(p, kp + 1) = k(p 1) + 1, a(p, pk + p 1) = k(p 1) + p 1. ([Mon] 73(9)(1966)) (Zeitlin 1968). Niech q > p bądą liczbami pierwszymi i niech Φ pq (x) = N c k x k, gdzie N = ϕ(pq) = (p 1)(q 1). Przyjmujemy, że c k = 0 dla k > N. Zachodzą wówczas następujące równości. (1) c k = (2) (3) N 1 i=0 N/2 i=0 2k i=0 k=0 ( 1) i c i c 2k i, dla k = 0, 1,..., N; ( 1) i c i c i+1 = 0; c 2i = 1; N/2 i=1 c 2i 1 = 0;

22 162 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne (4) (5) (6) (7) N ic i = 1 2 N = N ( 1) i ic i ; i=1 i=1 N ( 1) i ic 2 i = 1 2 Nc N/2; i=1 N i=1 i 2 c i = 1 N N(N + pq + 1), 6 N i 3 c i = 1 4 N 2 (pq + 1), i=1 i=1 ( 1) i i 2 c i = 1 2N(pq + 1); N ( 1) i i 3 c i = 1 4 N 2 (3pq + 3 N). ([Zeit]). i=1 M. Beiter, The midterm coefficient of the cyclotomic polynomial F pq (x), [Mon] 71(1964) M. Beiter, Magnitude of the coefficients of the cyclotomic polynomial F pq (x), [Mon] 75(1968) L. Carlitz, The number of terms in the cyclotomic polyn. F pq (x), [Mon] 73(9)(1966) T. Y. Lam, K. H. Leung, On the cyclotomic polynomial Φ pq (x), [Mon] 103(7)(1996) H. Lenstra, Vanishing sums of roots of unity, Proc. Bicentennial Congress Wiskunding Genootschap, Vrije Univ. Amsterdam, 1978, A. Migotti, Zur Theorie der Kreisteilungsgleichung, S.-B. der Math.-Naturwiss. Classe der Kaiser. Akad. der Wiss., Wien 87(1983) Współczynniki wielomianów Φ pqr (x) i Φ pqrs (x) Patrząc na tablice wielomianów cyklotomicznych mogłoby się wydawać, że wszystkie niezerowe współczynniki wielomianów cyklotomicznych są równe ±1. Nie jest to jednak prawdą bowiem: Φ 105 (x) = 1 + x + x 2 x 5 x 6 2x 7 x 8 x 9 + x 12 + x 13 + x 14 + x 15 + x 16 + x 17 x 20 x 22 x 24 x 28 + x 31 + x 32 + x 33 + x 34 + x 35 +x 36 x 39 x 40 2x 41 x 42 x 43 + x 46 + x 47 + x Niech r > q > p będą liczbami pierwszymi i niech Φ pqr (x) = gdzie N = ϕ(pqr) = (p 1)(q 1)(r 1). N c k x k, Oznaczmy przez m największą z liczb c 0, c 1,..., c N. Wtedy: ([Bloo]). (1) m p 1, ([Bang] 1895); (2) jeśli p = 5, to m 3; (3) jeśli p = 7 i m = 6, to q ±3 (mod 7) oraz r ±3 (mod 7); (4) jeśli p 5 i m = p 1, to liczby r i s nie przystają do ±1 modulo p. k=0

23 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne (Zeitlin 1968). Niech r > q > p bądą liczbami pierwszymi i niech Φ pqr (x) = N c k x k, gdzie N = ϕ(pqr) = (p 1)(q 1)(r 1). Oznaczmy M = pqr + p + q + r. Zachodzą wówczas następujące równości. (1) (2) (3) (4) N ic i = 1 2 N = N ( 1) i ic i ; i=1 i=1 N ( 1) i ic 2 i = 1 2 Nc N/2; i=1 N i=1 i 2 c i = 1 N N(N + M), 6 N i 3 c i = 1 4 N 2 M, i=1 k=0 ( 1) i i 2 c i = 1 2 NM; i=1 N ( 1) i i 3 c i = 1 4 N 2 (3M N). ([Zeit]). i= (Bloom 1968). Niech s > r > q > p bądą liczbami pierwszymi i niech N Φ pqrs (x) = c k x k, k=0 gdzie N = ϕ(pqrs) = (p 1)(q 1)(r 1)(s 1). Oznaczmy przez m największą z liczb c 0, c 1,..., c N. Wtedy m p(p 1)(pq 1). ([Bloo]) (Zeitlin 1968). Niech s > r > q > p bądą liczbami pierwszymi i niech N Φ pqr (x) = c k x k, k=0 gdzie N = ϕ(pqrs) = (p 1)(q 1)(r 1)(s 1). Zachodzą wówczas następujące równości. (1) (2) N ic i = 1 2 N = N ( 1) i ic i ; i=1 i=1 N ( 1) i ic 2 i = 1 2 Nc N/2. ([Zeit]). i=1 M. Beiter, Magnitude of the coefficients of the cyclotomic polynomial F pq (x), [Mon] 75(1968)

24 164 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne Liczby naturalne postaci Φ n (a) W tym podrozdziale zajmować się będziemy liczbami postaci Φ n (a), gdzie a jest liczbą naturalną. Przypomnijmy (patrz ), że jeśli n 2, to dla każdej liczby naturalnej a zachodzi nierówność Φ n (a) a. Stąd w szczególności wynika, że każde takie Φ n (a) (dla n 2 oraz a N) jest liczbą naturalną. Przypadek a = 1 jest już nam dobrze znany. Przypomnijmy (patrz ), że jeśli n 2 nie jest potęgą liczby pierwszej, to Φ n (1) = 1. W przeciwnym przypadku, jeśli n = p s, p P, s 1, to Φ n (1) = p. W dalszym ciągu zakładać będziemy często, że a jest liczbą naturalną większą od 1. Spójrzmy na kilka przykładów Liczby postaci Φ n (2) dla 1 n 40. n Φ n (2) n Φ n (2) n Φ n (2) n Φ n (2) W prawych kolumnach mamy dokładnie 27 liczb pierwszych. W pierwszej tabelce oprócz Φ 1 (2) = 1 występują same liczby pierwsze. Następna liczba, Φ 11 (2) = 2047 = 23 89, już nie jest liczbą pierwszą. Istnieją dokładnie 44 liczby pierwsze postaci Φ n (2), gdzie 1 n 100. Jeśli natomiast 1 n 1000, to takich liczb pierwszych jest dokładnie 99. (Maple) Liczby postaci Φ n (3) dla 1 n 40. n Φ n (3) n Φ n (3) n Φ n (3) n Φ n (3) W prawych kolumnach mamy dokładnie 16 liczb pierwszych. Istnieją dokładnie 23 liczby pierwsze postaci Φ n (3), gdzie 1 n 100. Jeśli natomiast 1 n 200, to takich liczb pierwszych jest dokładnie 31. (Maple).

25 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 165 Przypomnijmy, że jeśli n m, to wielomiany cyklotomiczne Φ n (x), Φ m (x) są względnie pierwsze (patrz ) w pierścieniu Z[x]. Stąd jednak nie wynika, że jeśli n m oraz 2 a N, to liczby naturalne Φ n (a), Φ m (a) są również względnie pierwsze. Mamy na przykład 6 18 oraz nwd (Φ 6 (2), Φ 18 (2)) = nwd(6, 57) = 3. Inny przykład: 2 4 oraz nwd (Φ 2 (3), Φ 4 (3)) = nwd(4, 10) = 2 W pewnych jednak przypadkach tę względną pierwszość można uzyskać. Udowodniliśmy (patrz ), że jeśli d, n są liczbami naturalnymi takimi, że d < n oraz d n, to istnieją wielomiany o współczynnikach całkowitych F (x), G(x) takie, że 1 = F (x)φ d (x) + G(x)Φ n (x). Podobnego typu równość zachodzi zachodzi nawet przy słabszym założeniu; wystarczy założyć, że n/d nie jest potągą liczby pierwszej (patrz twierdzenie ). Z tych faktów wynikają natychmiast następujące trzy stwierdzenia zachodzące dla dowolnej liczby naturalnej a (a nawet dla a Z) Jeśli d, n są liczbami naturalnymi takimi, że d < n oraz d n, to dla dowolnej liczby całkowitej a, liczby Φ d (a), Φ n (a) są względnie pierwsze Jeśli m, m są względnie pierwszymi liczbami naturalnymi większymi od 1, to to dla dowolnej liczby całkowitej a, liczby Φ n (a), Φ m (a) są względnie pierwsze Niech 1 < d < m będą liczbami naturalnymi. Jeśli istnieje taka liczba całkowita a, że nwd (Φ d (a), Φ n (a)) > 1, to d jest dzielnikiem liczby n. Pan Tomasz Ordowski przesłał mi (w maju 2013 roku) dwa interesujące zadania do rozwiązania, dotyczące wielomianów cyklotomicznych. O pierwszym jego zadaniu napisaliśmy na stronie 150 (patrz ). Oto drugie zadanie wraz z dowodem Niech a 2 będzie liczbą naturalną i niech (b n ) będzie ciągiem liczb naturalnych takim, że ( ) b 1 = 1 oraz b n+1 = nww b n, a n 1 dla n N. Wówczas dla dowolnej liczby naturalnej n zachodzi równość b n+1 b n = Φ n (a). D. Udowodnimy, że dla każdej liczby naturalnej n zachodzi równość ( ) b n = n 1 k=1 Φ k (a). Indukcja ze względu na n. Dla n = 1 jest to oczywiste. Krok indukcyjny: n 1 b n+1 = [b n, a n 1] = Φ d (a) = [AB, AΦ n (a)]. k=1 Φ k (a), d n Wykorzystaliśmy twierdzenie Tutaj A jest iloczynem wszystkich liczb postaci Φ d (a), gdzie d < n oraz d n. Natomiast B jest iloczynem wszystkich liczb postaci Φ d (a), gdzie d < n oraz d n. Nawiasami kwadratowymi oznaczono najmniejszą wspólną wielokrotność.

26 166 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne Ze stwierdzenia wynika, że liczby B oraz Φ n (b) są względnie pierwsze. Mamy zatem: b n+1 = [AB, AΦ n (a)] = A [B, Φ n (a)] = ABΦ n (a) = ( n 1 k=1 Φ k (a) i to kończy nasz indukcyjny dowód równości ( ). Zatem b n+1 /b n = Φ n (a). ) Φ n (a) = n Φ k (a) Podzielność liczb Φ n (a) przez liczby pierwsze Jeśli a, m Z, m 2 oraz nwd(a, m) = 1, to przez δ m (a) oznaczamy rząd liczby a modulo m, tzn. δ m (a) jest najmniejszą liczbą naturalną n taką, że a n 1 (mod m). Podstawowe własności liczby δ m (a) znajdują się np. w [N-4]. k= Niech p P, a Z, n N. Jeśli p Φ n (a), to p a. D. Wiadomo, że wielomian Φ n (x) jest podzielnikiem (w Z[x]) wielomianu x n 1. Załóżmy, że p Φ n (a). Wtedy p a n 1. Gdyby p dzieliło a, to otrzymalibyśmy sprzeczność: p Niech a 2, n 2 będą liczbami naturalnymi i niech p będzie liczbą pierwszą. Jeśli p Φ n (a), to n = p s δ p (a), gdzie s 0 jest pewną liczbą całkowitą. ([Mot1], [Mot5]). D. Załóżmy, że p Φ n (a). Wtedy p a (patrz ), więc można mówić o rzędzie δ p (a). Ponieważ a n 1 (mod p), więc rząd δ p (a) jest podzielnikiem liczby n. Zatem n = p s tδ p (a), gdzie s 0, t N, p t. Pokażemy, że t = 1. Przypuśćmy, że t > 1. Oznaczmy: m = p s δ p (a). Wtedy n = mt, p t. Ponieważ m n, więc a n 1 = d n Φ d (a) = d m Φ d (a) d A Φ d (a) = (a m 1) d A Φ d (a), gdzie A jest zbiorem tych wszystkich naturalnych podzielników liczby n które nie są podzielnikami liczby m. Zauważmy, że n A (gdyż t > 1). W iloczynie Φ d (a) występuje więc czynnik Φ n (a), który jest podzielny przez p. Oznacza to, że liczba całkowita an 1 a m 1 jest podzielna przez p. Przypomnijmy, że a m 1 (mod p). Modulo p mamy więc: 0 an 1 a m 1 = amt 1 a m 1 = am(t 1) + a m(t 2) + + a m = t, } {{ } t czyli otrzymaliśmy sprzeczność: p t. Zatem t = 1 i stąd n = p s δ p (a). Zmierzamy teraz do udowodnienia twierdzenia odwrotnego do twierdzenia Niech p P, a 2, a N, p a. Wtedy p Φ δ (a), gdzie δ = δ p (a). d A

27 Andrzej Nowicki, Wielomiany 12. Wielomiany cyklotomiczne 167 D. Wiemy, że δ jest najmniejszą liczbą naturalną taką, że p a δ 1. Wiemy również, że a δ 1 = d δ Φ d (a). Wśród czynników postaci Φ d (a), gdzie d δ, występuje więc czynnik podzielny przez p. Przypuśćmy, że p Φ d (a), gdzie d < δ. Wtedy p dzieli a d 1, gdyż a d 1 = e d Φ e (a). Jeśli więc d < δ, to mamy sprzeczność z własnością minimalności liczby δ. Zatem p Φ δ (a) Niech a Z, 2 a, s N. Wtedy 2 Φ 2 s(a). D. To jest oczywiste, gdyż Φ 2 s(a) = a 2s Zanotujmy następujący dobrze znany fakt (patrz np. [N-8]), który w dalszym ciągu będzie przydatny Niecg p 3 będzie liczbą pierwszą i niech b 2 będzie liczbą naturalną taką, że b 1 (mod p). Niech w = bp 1 b 1. Wtedy w N, p w oraz p 2 w Niech a 2, n 2 będą liczbami naturalnymi i niech p będzie liczbą pierwszą taką, że p a. Jeśli n = p s δ p (a), gdzie s 0, to p Φ n (a). ([Mot1], [Mot5]). D. Wykazaliśmy to już w przypadkach, gdy s = 0 (patrz ) i p = 2 (patrz ). Zakładamy więc, że n = p s δ p (a), s 1, p 3. Oznaczmy: m = p s 1 δ p (a), b = a m. Wtedy oczywiście b 1 (mod p), b 2 oraz n = pm. Z faktu wynika więc, że liczba bp 1 b 1 jest całkowita i podzielna przez p. Ale b p 1 b 1 = an 1 a m 1, więc liczba an 1 a m jest całkowita i podzielna przez p. Z własności wielomianów cyklotomicznych 1 otrzymujemy: a n 1 = Φ d (a) = Φ d (a) Φ d (a) = (a m 1) Φ d (a), d n d m d A d A gdzie A jest zbiorem tych wszystkich naturalnych podzielników liczby n, które nie są podzielnikami liczby m. Zatem liczba Φ d (a) = an 1 a m 1 d A jest podzielna przez p. Istnieje więc d 0 A takie, że p Φ d0 (a). Jest jasne, że d 0 = p s e, gdzie s δ p (a). Przypuśćmy, że e < δ p (a). Ponieważ p Φ d0 (a) oraz Φ d0 (a) a d0 1, więc a d0 1 (mod p). Ponadto, z małego twierdzenia Fermata mamy: a ps a ps 1 a (mod p). Zatem, a e a pse = a d0 1 (mod p). Jeśli więc e < δ p (a), to mamy sprzeczność z minimalnością liczby δ p (a). Zatem e = δ p (a). Stąd d 0 = p s δ p (a) = n oraz p Φ d0 (a) = Φ n (a).