\documentclass[12pt]{scrartcl} \usepackage{notes_2023} \begin{document} \title{Il discriminante polinomiale e la formula di Cardano} \maketitle \begin{note} Per $K$, $L$ ed $F$ si intenderanno sempre dei campi. Se non espressamente detto, si sottintenderà anche che $K \subseteq L$, $F$, e che $L$ ed $F$ sono estensioni costruite su $K$. Per $[L : K]$ si intenderà $\dim_K L$, ossia la dimensione di $L$ come $K$-spazio vettoriale. Per scopi didattici, si considerano solamente campi perfetti, e dunque estensioni che sono sempre separabili, purché non esplicitamente detto diversamente. \end{note} \bigskip In questo documento si illustra il \textit{discriminante polinomiale} e le sue principali applicazioni nella teoria di Galois. \begin{definition}[discriminante polinomiale] Sia $p \in K[x]$. Se $\deg p = n$ e $a_1$, ..., $a_n \in \overline{K}$ sono le radici di $p$, si definisce il \textbf{discriminante polinomiale} $\disc p$ in modo tale che: \[ \disc p = \prod_{i < j} (a_i - a_j)^2 \in K[a_1, \ldots, a_n]. \] \end{definition} \begin{remark}[radici multiple di $p$ e formule di Viète] Si verifica facilmente che $p$ ha radice multiple se e solo se $\disc p = 0$. Altrettanto semplicemente si verifica che $\disc p$ è un polinomio simmetrico in $a_1$, ..., $a_n$. Pertanto, per il Teorema fondamentale dei polinomi simmetrici, $\disc p$ può esprimersi\footnote{ Un algoritmo per calcolare efficacemente un'espressione di $\disc p$ in questo senso è reperibile su \url{https://git.phc.dm.unipi.it/g.videtta/scritti/src/branch/main/Algebra/Notebook/1.\%20Algoritmo\%20di\%20rappresentazione\%20dei\%20polinomi\%20simmetrici}. } come elemento di $K[e_1, \ldots, e_n]$, dove $e_i := e_i(a_1, \ldots, a_n)$ è il polinomio simmetrico elementare negli $a_i$. Per le formule di Viète, i vari $e_i$ possono esprimersi tramite i coefficienti $c_i$ di $p(x)$ secondo la seguente relazione: \[ c_i = (-1)^{n-i} a e_{n-i}, \] dove si pone $e_0 := 1$. Inoltre, l'annullamento di $\disc p$ è indipendente dal coefficiente di testa del polinomio, dal momento che polinomi associati condividono le stesse radici. \medskip Per esempio, per $n = 2$, se $p(x) = a x^2 + b x + c$ con $a \neq 0$, vale che: \[ \disc p(x) = \prod_{i < j} (a_i - a_j)^2 = a_1^2 + a_2^2 - 2 a_i a_j = (a_1 + a_2)^2 - 4 a_i a_j = e_1^2 - 4 e_2, \] e dunque, poiché $b = c_1 = (-1)^{2-1} a e_{2-1} = - a e_1$ e $c = c_0 = (-1)^2 a e_2 = a e_2$, vale che\footnote{ In generale, compare sempre un termine $a^{2n-2}$ al denominatore di $\disc p(x)$. Pertanto, in letteratura si definisce $\disc p(x)$ anche come il prodotto tra $a^{2n-2}$ e il discriminante qui definito. In tal caso, il discriminante di un polinomio di secondo grado è esattamente $\Delta$. }: \[ \disc p(x) = \left( -\frac{b}a \right)^2 - 4 \frac{c}{a} = \frac{b^2}{a^2} - 4 \frac{ac}{a^2} = \frac{b^2 - 4ac}{a^2} = \frac{\Delta}{a^2}, \] dove $\Delta$ è l'usuale discriminante delle equazioni di secondo grado. Pertanto, poiché\footnote{ Per quanto detto prima, $a$ non svolge alcun ruolo nel determinare se $p$ ha radici multiple. } $a \neq 0$, $p$ ha radici multiple se e solo se $\disc p = 0$, e quindi se e solo se $\Delta = 0$. \end{remark} \begin{remark}[utilizzo della matrice di Vandermonde] Un'espressione di $\disc p$ può anche essere calcolata attraverso le matrici di Vandermonde. Infatti, se $M$ è la matrice di Vandermonde di $a_1$, ..., $a_n$ radici di $p$, vale che: \[ M = \Matrix{1 & a_1 & a_1^2 & \cdots & a_1^{n-1} \\ 1 & a_2 & a_2^2 & \cdots & a_2^{n-1} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ 1 & a_n & a_n^2 & \cdots & a_n^{n-1}}, \] e quindi: \[ \det(M) = \prod_{i < j} (a_i - a_j). \] Pertanto vale che: \[ \det(M^2) = \det(M M^T) = \prod_{i < j} (a_i - a_j)^2 = \disc p(x). \] \end{remark} \begin{remark}[invarianza di $\disc p$ e trasformazione di Tschirnhaus] Si osserva facilmente che $\disc p$ è invariante per traslazioni. Infatti, se si considera $p(x+a)$ con $a \in K$ e $a_1$, ..., $a_n \in \overline{K}$ sono radici di $p(x)$, le radici di $p(x+a)$ sono $a_1 - a$, ..., $a_n - a$. Pertanto vale che: \[ \disc p(x+a) = \prod_{i