6.7.3. We know that ZŒ


i

“bookmt” — 2006/8/8 — 12:58 — page 313 — #325

i

i

6.8. IRREDUCIBILITY CRITERIA

313

6.7.1. Let R be a commutative ring with identity element. Let J be an ideal in RŒx. Show that for each k  0, the set Ak D fa 2 R W a D 0 or there exists f 2 J with leading term axkg is an ideal in R, and that Ak  AkC1 for all k  0.

6.7.2. Suppose that R is Noetherian and ' W R ! S is a surjective ring homomorphism. Show that S is Noetherian.

p

6.7.3. We know that ZŒ 5 is not a UFD and, therefore, not a PID.

p

Show that ZŒ 5 is Noetherian. Hint: Find a Noetherian ring R and a

p

surjective homomorphism ' W R ! ZŒ

5.

6.7.4. Show that ZŒx C xQŒx is not Noetherian.

6.7.5. Show that a Noetherian domain in which every irreducible element is prime is a unique factorization domain.

6.8. Irreducibility Criteria

In this section, we will consider some elementary techniques for determining whether a polynomial is irreducible.

We restrict ourselves to the problem of determining whether a polyno mial in ZŒx is irreducible. Recall that an integer polynomial factors over the integers if, and only if, it factors over the rational numbers, according to Lemma 6.6.9 and Corollary 6.6.10.

A basic technique in testing for irreducibility is to reduce the polyno mial modulo a prime. For any prime p, the natural homomorphism of Z onto Zp extends to a homomorphism of ZŒx onto ZpŒx, p W P ai xi 7!

PŒai pxi .

Proposition 6.8.1. Fix a prime p. Suppose that a polynomial f .x/ D P ai xi 2 ZŒx has positive degree and that its leading coefficientis not divisible by the prime p. If p.f .x// is irreducible in ZpŒx, then f .x/ is irreducible in QŒx.

Proof. The assumption that the leading coefficient of f is not divisible by p means that deg.p.f // D deg.f /. Suppose that f .x/ has a factorization f .x/ D g.x/h.x/ in ZŒx, with the degree of g.x/ and of h.x/ positive. Then p does not divide the leading coefficients of g.x/ and h.x/, so p.g.x// and p.h.x// have positive degree. Moreover, p.f .x// D p.g.x//p.h.x//.

n

i

i

i

i



i

“bookmt” — 2006/8/8 — 12:58 — page 314 — #326

i

i

314

6. RINGS

Efficient algorithms are known for factorization in ZpŒx. The com mon computer algebra packages such as Mathematica and Maple have these algorithms built in.

The

Mathematica

command

Factor[f, Modulus ! p] can be used for reducing a polynomial f modulo a prime p and factoring the reduction. Unfortunately, the condition of the proposition is merely a sufficient condition. It is quite possible (but rare) for a polynomial to be irreducible over Q but nevertheless for its reductions modulo every prime to be reducible.

Example 6.8.2. Let f .x/ D 83 C 82 x 99 x2

87 x3 17 x4. The reduction of f modulo 3 is f2 C x C x4g, which is irreducible over Z3.

Hence, f is irreducible over Q.

Example 6.8.3. Let f .x/ D

91

63 x 73 x2 C 22 x3 C 50 x4. The reduction of f modulo 17 is 16 6 C 12 x C 5 x2 C 12 x3 C x4, which is irreducible over Z17. Therefore, f is irreducible over Q.

A related sufficient condition for irreducibility is Eisenstein’s criterion: Proposition 6.8.4. (Eisenstein’s criterion). Consider a monic polynomial f .x/ D xnCan 1xn 1C  Ca1xCa0 with integer coefficients. Suppose that p is a prime that divides all the coefficients ai and such that p2 does not divide a0. Then f .x/ is irreducible over Q.

Proof. If f has a proper factorization over Q, then it also has a proper factorization over Z, with both factors monic polynomials. Write f .x/ D a.x/b.x/, where a.x/ D PriD0 ˛ixi and b.x/ D PsjD0 ˇixj . Since a0 D ˛0ˇ0, exactly one of ˛0 and ˇ0 is divisible by p; suppose without loss of generality that p divides ˇ0, and p does not divide ˛0. Considering the equations a1 D ˇ1˛0 C ˇ0˛1 : : : as 1 D ˇs 1˛0 C    C ˇ0˛s 1 as D ˛0 C ˇs 1˛1 C    C ˇ0˛s; we obtain by induction that ˇj is divisible by p for all j (0  j  s 1).

Finally, the last equation yields that ˛0 is divisible by p, a contradiction.

n

Example 6.8.5. x3 C 14x C 7 is irreducible by the Eisenstein criterion.

i

i

i

i



i

“bookmt” — 2006/8/8 — 12:58 — page 315 — #327

i

i

6.8. IRREDUCIBILITY CRITERIA

315

Example 6.8.6. Sometimes the Eisenstein criterion can be applied after a linear change of variables. For example, for the so–called cyclotomic

polynomial

f .x/ D xp 1 C xp 2 C    C x2 C x C 1; where p is a prime, we have p 1 



X

p

f .x C 1/ D xs:

s C 1

sD0

This is irreducible by Eisenstein’s criterion, so f is irreducible as well.

You are asked to provide the details for this example in Exercise 6.8.2.

There is a simple criterion for a polynomial in ZŒx to have (or not to have) a linear factor, the so–called rational root test.

Proposition 6.8.7. (Rational root test) Let f .x/ D anxn C an 1xn 1 C    a1x C a0 2 ZŒx. If r=s is a rational root of f , where r and s are relatively prime, then s divides an and r divides a0.

Proof. Exercise 6.6.3.

n

A quadratic or cubic polynomial is irreducible if, and only if, it has no linear factors, so the rational root test is a definitive test for irreducibility for such polynomials. The rational root test can sometimes be used as an adjunct to prove irreducibility of higher degree polynomials: If an integer polynomial of degree n has no rational root, but for some prime p its reduction mod p has irreducible factors of degrees 1 and n 1, then then f is irreducible (Exercise 6.8.1).

Exercises 6.8 6.8.1. Show that if a polynomial f .x/ 2 ZŒx of degree n has no rational root, but for some prime p its reduction mod p has irreducible factors of degrees 1 and n 1, then then f is irreducible.

6.8.2. Provide the details for Example 6.8.6.

6.8.3. Show that for each natural number n

.x

1/.x

2/.x

3/    .x n/

1

is irreducible over the rationals.

i

i

i

i



i

“bookmt” — 2006/8/8 — 12:58 — page 316 — #328

i

i

316

6. RINGS

6.8.4. Show that for each natural number n ¤ 4

.x

1/.x

2/.x

3/    .x

n/ C 1 is irreducible over the rationals.

6.8.5. Determine whether the following polynomials are irreducible over the rationals. You may wish to do computer computations of factorizations modulo primes.

(a)

8

60 x 54 x2 C 89 x3 55 x4

(b)

42

55 x 66 x2 C 44 x3 (c)

42

55 x 66 x2 C 44 x3 C x4 (d) 5 C 49 x C 15 x2 27 x3

(e) 96 C 53 x 26 x2 C 21 x3 75 x4

i

i

i

i