\chapter{Irriducibilità in \texorpdfstring{$\ZZx$}{Z[x]} e in \texorpdfstring{$\QQx$}{Q[x]}} \section{Criterio di Eisenstein e proiezione in \texorpdfstring{$\ZZpx$}{Z\_p[x]}} Prima di studiare le irriducibilità in $\ZZ$, si guarda alle irriducibilità nei vari campi finiti $\ZZp$, con $p$ primo. Questo metodo presenta un vantaggio da non sottovalutare: in $\ZZp$ per ogni grado $n$ esiste un numero finito di polinomi monici\footnote{Si prendono in considerazione solo i polinomi monici dal momento che vale l'equivalenza degli associati: se $a$ divide $b$, allora tutti gli associati di $a$ dividono $b$. $\ZZp$ è infatti un campo, e quindi $\ZZpx$ è un anello euclideo.} -- in particolare, $p^n$ -- e quindi per un polinomio di grado $d$ è sufficiente controllare che questo non sia prodotto di tali polinomi monici per $1 \leq n < d$. \\ In modo preliminare, si definisce un omomorfismo fondamentale. \begin{definition} Sia il seguente l'\textbf{omomorfismo di proiezione} da $\ZZ$ in $\ZZp$: \[ \hatpip : \ZZx \to \ZZpx,\, a_n x^n + \ldots + a_0 \mapsto [a_n]_p \, x^n + \ldots + [a_0]_p. \] \end{definition} \begin{remark*} Si dimostra facilmente che $\hatpi$ è un omomorfismo di anelli. Innanzitutto, $\hatpi(1) = [1]_p$. Vale chiaramente la linearità: \begin{multline*} \hatpip(a_n x^n + \ldots + a_0) + \hatpip(b_n x^n + \ldots + b_0) = [a_n]_p \, x^n + \ldots + [b_n]_p \, x^n + \ldots = \\ = [a_n+b_n]_p \, x^n + \ldots = \hatpip(a_n x^n + \ldots + a_0 + b_n x^n + \ldots + b_0). \end{multline*} Infine vale anche la moltiplicatività: \begin{multline*} \hatpip(a_n x^n + \ldots + a_0) \hatpip(b_n x^n + \ldots + b_0) = ([a_n]_p \, x^n + \ldots)([b_n]_p \, x^n + \ldots) = \\ = \sum_{i=0}^n \sum_{j+k=i} [a_j]_p \, [b_k]_p \, x^i = \sum_{i=0}^n \sum_{j+k=i} [a_j b_k]_p \, x^i = \hatpip\left(\sum_{i=0}^n \sum_{j+k=i} a_j b_k x^i\right) = \\ =\hatpip\left((a_n x^n + \ldots + a_0)(b_n x^n + \ldots + b_0)\right). \end{multline*} \end{remark*} Prima di enunciare un teorema che si rivelerà importante nel determinare l'irriducibilità di un polinomio in $\ZZx$, si enuncia una definizione che verrà ripresa anche in seguito \begin{definition} Un polinomio $a_n x^n + \ldots + a_0 \in \ZZx$ si dice \textbf{primitivo} se $\MCD(a_n, \ldots, a_0)=1$. \end{definition} \begin{theorem} \label{th:proiezione_irriducibilità} Sia $p$ un primo. Sia $f(x) = a_n x^n + \ldots \in \ZZx$ primitivo. Se $p \nmid a_n$ e $\hatpip(f(x))$ è irriducibile in $\ZZpx$, allora anche $f(x)$ lo è in $\ZZx$. \end{theorem} \begin{proof} Si dimostra la tesi contronominalmente. Sia $f(x) = a_nx^n + \ldots \in \ZZ[x]$ primitivo e riducibile, con $p \nmid a_n$. Dal momento che $f(x)$ è riducibile, esistono $g(x)$, $h(x)$ non invertibili tali che $f(x)=g(x)h(x)$. \\ Si dimostra che $\deg g(x) \geq 1$. Se infatti fosse nullo, $g(x)$ dovrebbe o essere uguale a $\pm 1$ -- assurdo, dal momento che $g(x)$ non è invertibile, \Lightning{} -- o essere una costante non invertibile. Tuttavia, nell'ultimo caso, risulterebbe che $f(x)$ non è primitivo, poiché $g(x)$ dividerebbe ogni coefficiente del polinomio. Analogamente anche $\deg h(x) \geq 1$. \\ Si consideri ora $\hatpip(f(x))=\hatpip(g(x))\hatpip(h(x))$. Dal momento che $p \nmid a_n$, il grado di $f(x)$ rimane costante sotto l'operazione di omomorfismo, ossia $\deg \hatpip(f(x)) = \deg f(x)$. \\ Inoltre, poiché nessuno dei fattori di $f(x)$ è nullo, $\deg f(x) = \deg g(x) + \deg h(x)$. Da questa considerazione si deduce che anche i gradi di $g(x)$ e $h(x)$ non devono calare, altrimenti si avrebbe che $\deg \hatpip(f(x)) < \deg f(x)$, \Lightning{}. Allora $\deg \hatpip(g(x)) = \deg g(x) \geq 1$, $\deg \hatpip(h(x)) = \deg h(x) \geq 1$. \\ Poiché $\deg \hatpip(g(x))$ e $\deg \hatpip(h(x))$ sono dunque entrambi non nulli, $\hatpip(g(x))$ e $\hatpip(h(x))$ non sono invertibili\footnote{Si ricorda che $\ZZpx$ è un anello euclideo. Pertanto, non avere lo stesso grado dell'unità equivale a non essere invertibili.}. Quindi $f(x)$ è prodotto di non invertibili, ed è dunque riducibile. \end{proof} \begin{theorem}[\textit{Criterio di Eisenstein}] \label{th:eisenstein} Sia $p$ un primo. Sia $f(x) = a_n x^n + \ldots + a_0 \in \ZZx$ primitivo tale che: \begin{enumerate}[ (1)] \item $p \nmid a_n$, \item $p \mid a_i$, $\forall i \neq n$, \item $p^2 \nmid a_0$. \end{enumerate} Allora $f(x)$ è irriducibile in $\ZZx$. \end{theorem} \begin{proof} Si ponga $f(x)$ riducibile e sia pertanto $f(x)=g(x)h(x)$ con $g(x)$ e $h(x)$ non invertibili. Analogamente a come visto per il \textit{Teorema \ref{th:proiezione_irriducibilità}}, si desume che $\deg g(x)$, $\deg h(x) \geq 1$. \\ Si applica l'omomorfismo di proiezione in $\ZZpx$: \[ \hatpip(f(x))=\underbrace{[a_n]_p}_{\neq 0} x_n, \] da cui si deduce che $\deg \hatpip(f(x)) = \deg f(x)$. \\ Dal momento che $\hatpip(f(x))=\hatpip(g(x))\hatpip(h(x))$ e che $\ZZpx$, in quanto campo, è un dominio, necessariamente sia $\hatpip(g(x))$ che $\hatpip(h(x))$ sono dei monomi. \\ Inoltre, sempre in modo analogo a come visto per il \textit{Teorema \ref{th:proiezione_irriducibilità}}, sia $\deg \hatpip(g(x))$ che $\deg \hatpip(h(x))$ sono maggiori o uguali ad $1$. \\ Combinando questo risultato col fatto che questi due fattori sono monomi, si desume che $\hatpip(g(x))$ e $\hatpip(h(x))$ sono monomi di grado positivo. Quindi $p$ deve dividere entrambi i termini noti di $g(x)$ e $h(x)$, e in particolare $p^2$ deve dividere il loro prodotto, ossia $a_0$. Tuttavia questo è un assurdo, \Lightning{}. \end{proof} \begin{remark*} Si consideri $x^k-2$, per $k \geq 1$. Per il \nameref{th:eisenstein}, considerando come primo $p=2$, si verifica che $x^k-2$ è sempre irriducibile. Pertanto, per ogni grado di un polinomio esiste almeno un irriducibile -- a differenza di come invece avviene in $\RRx$ o in $\CCx$. \end{remark*} \begin{theorem} Sia $f(x) \in \ZZx$ primitivo e sia $a \in \ZZ$. Allora $f(x)$ è irriducibile se e solo se $f(x+a)$ è irriducibile. \end{theorem} \begin{proof} Si dimostra una sola implicazione, dal momento che l'implicazione contraria consegue dalle stesse considerazioni poste studiando prima $f(x+a)$ e poi $f(x)$. \\ Sia $f(x)=a(x)b(x)$ riducibile, con $a(x)$, $b(x) \in \ZZx$ non invertibili. Come già visto per il \textit{Teorema \ref{th:proiezione_irriducibilità}}, $\deg a(x)$, $\deg b(x) \geq 1$. \\ Allora chiaramente $f(x+a)=g(x+a)h(x+a)$, con $\deg g(x+a) = \deg g(x) \geq 1$, $\deg h(x+a) = \deg h(x) \geq 1$. Pertanto $f(x+a)$ continua a essere riducibile, da cui la tesi. \end{proof} \begin{example} Si consideri $f(x) = x^{p-1}+\ldots+x^2+x+1 \in \ZZx$, dove tutti i coefficienti del polinomio sono $1$. Si verifica che: \[ f(x+1)=\frac{(x+1)^p-1}x = p+\binom{p}{2}x+\ldots+x^{p-1}. \] Allora, per il \nameref{th:eisenstein} con $p$, $f(x+1)$ è irriducibile. Pertanto anche $f(x)$ lo è. \end{example} \section{Alcuni irriducibili di \texorpdfstring{$\ZZ_2[x]$}{Z\_2[x]}} Tra tutti gli anelli $\ZZpx$, $\ZZ_2[x]$ ricopre sicuramente un ruolo fondamentale, dal momento che è il meno costoso computazionalmente da analizzare, dacché $\ZZ_2$ consta di soli due elementi. Pertanto si computano adesso gli irriducibili di $\ZZ_2[x]$ fino al quarto grado incluso, a meno di associati. \\ Sicuramente $x$ e $x+1$ sono irriducibili, dal momento che sono di primo grado. I polinomi di secondo grado devono dunque essere prodotto di questi polinomi, e pertanto devono avere o $0$ o $1$ come radice: si verifica quindi che $x^2+x+1$ è l'unico polinomio di secondo grado irriducibile. \\ Per il terzo grado vale ancora lo stesso principio, per cui $x^3+x^2+1$ e $x^3+x+1$ sono gli unici irriducibili di tale grado. Infine, per il quarto grado, i polinomi riducibili soddisfano una qualsiasi delle seguenti proprietà: \begin{itemize} \item $0$ e $1$ sono radici del polinomio, \item il polinomio è prodotto di due polinomi irriducibili di secondo grado. \end{itemize} Si escludono pertanto dagli irriducibili i polinomi non omogenei -- che hanno sicuramente $0$ come radice --, e i polinomi con $1$ come radice, ossia $x^4+x^3+x+1$,\ \ $x^4+x^3+x^2+1$, e $x^4+x^2+x+1$. Si esclude anche $(x^2+x+1)^2 = x^4+x^2+1$. Pertanto gli unici irriducibili di grado quattro sono $x^4+x^3+x^2+x+1$,\ \ $x^4+x^3+1$,\ \ $x^4+x+1$. \\ Tutti questi irriducibili sono raccolti nella seguente tabella: \begin{itemize} \item (grado 1) $x$, $x+1$, \item (grado 2) $x^2+x+1$, \item (grado 3) $x^3+x^2+1$, $x^3+x+1$, \item (grado 4) $x^4+x^3+x^2+x+1$,\ \ $x^4+x^3+1$,\ \ $x^4+x+1$. \end{itemize} \begin{example} Il polinomio $51x^3+11x^2+1 \in \ZZx$ è primitivo dal momento che $\MCD(51, 11, 1)=1$. Inoltre, poiché $\hatpi_2(51x^3+11x^2+1)= x^3+x+1$ è irriducibile, si deduce che anche $51x^3+11x^2+1$ lo è per il \textit{Teorema \ref{th:proiezione_irriducibilità}}. \end{example} \section{Teorema delle radici razionali e lemma di Gauss} Si enunciano in questa sezione i teoremi più importanti per lo studio dell'irriducibilità dei polinomi in $\QQx$ e in $\ZZx$, a partire dai due teoremi più importanti: il classico \nameref{th:radici_razionali} e il \nameref{th:lemma_gauss}, che si pone da ponte tra l'analisi dell'irriducibilità in $\ZZx$ e quella in $\QQx$. \begin{theorem}[\textit{Teorema delle radici razionali}] \label{th:radici_razionali} Sia $f(x) = a_n x^n + \ldots + a_0 \in \ZZx$. Abbia $f(x)$ una radice razionale. Allora, detta tale radice $\frac{p}{q}$, già ridotta ai minimi termini, questa è tale che: \begin{enumerate}[ (i.)] \item $p \mid a_0$, \item $q \mid a_n$. \end{enumerate} \end{theorem} \begin{proof} Poiché $\frac{p}{q}$ è radice, $f\left(\frac{p}{q}\right)=0$, e quindi si ricava che: \[ a_n \left( \frac{p}{q} \right)^n + \ldots + a_0 = 0 \implies a_n p^n = -q( \ldots + a_0 q^{n-1}). \] \vskip 0.1in Quindi $q \mid a_n p^n$. Dal momento che $\MCD(p, q)=1$, si deduce che $q \mid a_n$. \\ Analogamente si ricava che: \[ a_0 q^n = -p(a_n p^{n-1} + \ldots). \] \vskip 0.1in Pertanto, per lo stesso motivo espresso in precedenza, $p \mid a_0$, da cui la tesi. \end{proof} \begin{theorem}[\textit{Lemma di Gauss}] \label{th:lemma_gauss} Il prodotto di due polinomi primitivi in $\ZZx$ è anch'esso primitivo. \end{theorem} \begin{proof} Siano $g(x) = a_m x^m + \ldots + a_0$ e $h(x) = b^n x^n + \ldots + b_0$ due polinomi primitivi in $\ZZx$. Si assuma che $f(x)=g(x)h(x)$ non sia primitivo. Allora esiste un $p$ primo che divide tutti i coefficienti di $f(x)$. \\ Siano $a_s$ e $b_t$ i più piccoli coefficienti non divisibili da $p$ dei rispettivi polinomi. Questi sicuramente esistono, altrimenti $p$ dividerebbe tutti i coefficienti, e quindi o $g(x)$ o $h(x)$ non sarebbe primitivo, \Lightning{}. \\ Si consideri il coefficiente di $x^{s+t}$ di $f(x)$: \[c_{s+t} = \sum_{j+k=s+t} a_j b_k = \underbrace{a_0 b_{s+t} + a_1 b_{s+t-1} + \ldots}_{\equiv \, 0 \pmod p} + a_s b_t + \underbrace{a_{s+1}b_{t-1} + \ldots}_{\equiv \, 0 \pmod p},\] dal momento che $p \mid c_{s+t}$, si deduce che $p$ deve dividere anche $a_sb_t$, ossia uno tra $a_s$ e $b_t$, che è assurdo, \Lightning{}. Quindi $f(x)$ è primitivo. \end{proof} \begin{theorem}[\textit{Secondo lemma di Gauss}] \label{th:lemma_gauss_2} Sia $f(x) \in \ZZx$. Allora $f(x)$ è irriducibile in $\ZZx$ se e solo se $f(x)$ è irriducibile in $\QQx$ ed è primitivo. \end{theorem} \begin{proof} Si dimostrano le due implicazioni separatamente. \\ ($\implies$)\; Si dimostra l'implicazione contronominalmente, ossia mostrando che se $f(x)$ non è primitivo o se è riducibile in $\QQx$, allora $f(x)$ è riducibile in $\ZZx$. \\ Se $f(x)$ non è primitivo, allora $f(x)$ è riducibile in $\ZZx$. Sia quindi $f(x)$ primitivo e riducibile in $\QQx$, con $f(x)=g(x)h(x)$, $g(x)$, $h(x) \in \QQx \setminus \QQx^*$. \\ Si descrivano $g(x)$ e $h(x)$ nel seguente modo: \[ g(x)=\frac{p_m}{q_m} x^m + \ldots + \frac{p_0}{q_0}, \quad \MCD(p_i, q_i)=1 \; \forall 0 \leq i \leq m, \] \[ h(x)=\frac{s_n}{t_n} x^n + \ldots + \frac{s_0}{t_0}, \quad \MCD(s_i, t_i)=1 \; \forall 0 \leq i \leq n. \] \vskip 0.1in Si definiscano inoltre le seguenti costanti: \[ \alpha = \frac{\mcm(q_m, \ldots, q_0)}{\MCD(p_m, \ldots, p_0)}, \quad \beta = \frac{\mcm(t_n, \ldots, t_0)}{\MCD(s_n, \ldots, s_0)}. \] \vskip 0.1in Si verifica che sia $\hat{g}(x)=\alpha g(x)$ che $\hat{h}(x)=\beta h(x)$ appartengono a $\ZZx$ e che entrambi sono primitivi. Pertanto $\hat{g}(x) \hat{h}(x) \in \ZZx$. \\ Si descriva $f(x)$ nel seguente modo: \[ f(x)=a_k x^k + \ldots + a_0, \quad \MCD(a_k,\ldots,a_0)=1. \] \vskip 0.1in Sia $\alpha \beta = \frac{p}{q}$ con $\MCD(p,q)=1$, allora: \[\hat{g}(x) \hat{h}(x) = \alpha \beta f(x) = \frac{p}{q} (a_k x^k + \ldots + a_0), \] da cui, per far sì che $\hat{g}(x) \hat{h}(x)$ appartenga a $\ZZx$, $q$ deve necessariamente dividere tutti i coefficienti di $f(x)$. Tuttavia $f(x)$ è primitivo, e quindi $q=\pm 1$. Pertanto $\alpha \beta = \pm p \in \ZZ$. \\ Infine, per il \nameref{th:lemma_gauss}, $\alpha \beta f(x)$ è primitivo, da cui $\alpha \beta = \pm 1$. Quindi $f(x) = \pm \hat{g}(x) \hat{h}(x)$ è riducibile. \\ ($\,\Longleftarrow\,\,$)\; Se $f(x)$ è irriducibile in $\QQx$ ed è primitivo, sicuramente $f(x)$ è irriducibile anche in $\ZZx$. Infatti, se esiste una fattorizzazione in irriducibili in $\ZZx$, essa non include alcuna costante moltiplicativa dal momento che $f(x)$ è primitivo, e quindi esisterebbe una fattorizzazione in irriducibili anche in $\QQx$. \end{proof}