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Grado en Matemáticas

Polinomios, divisibilidad y factorización

Para factorizar no basta con probar algunos valores. Primero declaramos de qué cuerpo pueden venir los coeficientes, aprendemos a dividir y usamos el resto para encontrar factores. Después veremos cuándo la falta de raíces sí demuestra irreducibilidad, cuándo no y qué aporta Eisenstein. Cada división se podrá comprobar volviendo a multiplicar.

1. Un polinomio formal tiene finitos coeficientes y exponentes enteros no negativos

En K[x], con K un cuerpo, f=a₀+a₁x+…+aₙxⁿ.

Los exponentes permitidos son 0,1,2,… y los coeficientes pertenecen a K. La indeterminada es formal: dos polinomios son iguales si coinciden sus coeficientes. Evaluarlos produce funciones, pero esa es una operación posterior.

Para polinomios no nulos, deg(fg)=deg f+deg g porque los coeficientes principales no se anulan al multiplicarse en un cuerpo. Las unidades son las constantes no nulas. No usamos el polinomio cero como divisor ni asignamos sin convención un grado ordinario al cero.

Separar exponente de coeficiente

Compara √2·x², x^(1/2) y x⁻¹.

  1. Primera

    Es polinomio sobre ℝ, con coeficiente √2 y exponente dos; no pertenece a ℚ[x].

  2. Otras

    Los exponentes medio y menos uno no están permitidos en un polinomio de K[x].

  3. Constante

    Un término independiente usa exponente cero, que sí está permitido.

Resultado

La elección de K y los exponentes de x son condiciones distintas.

Lo comprobamos

Que una raíz aparezca en un coeficiente no la convierte en raíz de la variable.

Polinomios distintos pueden inducir la misma función finita

En el cuerpo de dos elementos, compara x²−x y el polinomio cero.

  1. Coeficientes

    x²−x no es el polinomio cero: sus coeficientes no son todos cero.

  2. Evaluar

    En cero y en uno vale cero, los únicos puntos del cuerpo.

  3. Distinguir

    Ambos inducen la misma función sobre ese cuerpo, sin ser el mismo polinomio formal.

Resultado

Igualdad de funciones finitas no implica igualdad de polinomios.

Lo comprobamos

El teorema de raíces limita por el grado: aquí hay dos raíces y el grado es dos, así que no hay contradicción.

2. Dividir elimina el término de mayor grado hasta que el resto ya es pequeño

Para f y g≠0 en K[x], existen únicos q,r con f=qg+r y r=0 o deg r<deg g. Dividimos los términos principales para elegir el siguiente término de q y restamos su múltiplo de g. El grado provisional baja en cada paso y el proceso termina.

Cada resta elimina el término de mayor grado del resto provisional
Dividir x³+x+1 entre x−1Inicio: x³+0x²+x+1−x²(x−1) → x²+x+1−x(x−1) → 2x+1−2(x−1) → 3Cociente x²+x+2 ; resto 3
División de x al cubo más x más uno por x menos uno. Se resta x al cuadrado por el divisor, después x por el divisor y finalmente dos por el divisor. Los restos provisionales son x al cuadrado más x más uno, dos x más uno y tres. El cociente es x al cuadrado más x más dos y el resto tres.
Si hubiera dos respuestas, (q−q′)g=r′−r.

Una diferencia de cocientes no nula produciría grado al menos deg g, mientras la derecha tiene grado menor: imposible. El cuerpo permite dividir coeficientes principales; en ℤ[x] puede fallar esa posibilidad.

Los tres pasos del dibujo

Divide x³+x+1 entre x−1.

  1. Primer término

    x³/x=x².

    Restamos x²(x−1) y queda x²+x+1.

  2. Segundo

    x²/x=x.

    Restamos x(x−1) y queda 2x+1.

  3. Tercero

    2x/x=2.

    Restamos 2(x−1) y queda tres.

  4. Reunir

    q=x²+x+2 y r=3.
Resultado

x³+x+1=(x−1)(x²+x+2)+3.

Lo comprobamos

Multiplicar el lado derecho devuelve x³+x+1; el resto es constante, de grado menor que el divisor lineal.

Un divisor no mónico pide fracciones

Divide x²+1 entre 2x−1 sobre ℚ.

  1. Primero

    x²/(2x)=x/2; restar (x/2)(2x−1) deja x/2+1.
  2. Después

    (x/2)/(2x)=1/4; restar (1/4)(2x−1) deja 5/4.
  3. Identidad

    x²+1=(2x−1)(x/2+1/4)+5/4.
Resultado

q=x/2+1/4 y r=5/4.

Lo comprobamos

Las fracciones son válidas en ℚ. Sobre ℤ[x], una división general con este divisor no tendría garantizados coeficientes enteros.

3. Euclides conserva los divisores comunes y Bézout los certifica

En f=qg+r, un polinomio divide a f y g si y solo si divide a g y r.

Repetimos las divisiones hasta el último resto no nulo y lo normalizamos mónico. Ese es el mcd, único con coeficiente principal uno.

Sustituir restos hacia atrás produce uf+vg=mcd(f,g). Si el mcd es uno, Bézout certifica coprimalidad. En cocientes, la misma identidad puede dar un inverso sin encontrar todas las raíces.

Un mcd con la identidad visible

f=x³−2x+1 y g=x²−1.

  1. Primera división

    f=xg+(−x+1).
  2. Segunda

    g=(−x−1)(−x+1), sin resto.
  3. Normalizar

    El último resto −x+1 se multiplica por −1: d=x−1.
  4. Volver

    d=xg−f, una identidad de Bézout.
Resultado

El mcd mónico es x−1.

Lo comprobamos

La identidad muestra que todo divisor común divide x−1; las divisiones muestran que x−1 divide a ambos.

Una identidad que da un inverso de clase

f=x²+1 y g=x en ℝ[x].

  1. Dividir

    f=xg+1.
  2. Bézout

    1=f−xg; el mcd es uno.
  3. Cociente

    Módulo x²+1, queda [1]=[−x][x].
Resultado

En ℝ[x]/(x²+1), el inverso de [x] es [−x].

Lo comprobamos

La cuenta coincide con i⁻¹=−i al identificar [x] con i.

4. El cero de un divisor lineal recupera el resto por evaluación

Al dividir por x−a, el resto es una constante r.

Evaluar f=(x−a)q+r en a da r=f(a).

Por tanto a es raíz si y solo si x−a divide f.

Para un divisor Ax+B con A≠0 en K, su cero es −B/A y el resto es f(−B/A).

La multiplicidad de a es el mayor m con (x−a)ᵐ|f. Extraer un factor lineal reduce el grado en uno, de modo que un polinomio no nulo de grado n no puede tener más de n raíces distintas. Cada paso usa factores exactos, no aproximaciones decimales.

No basta cambiar el signo del término independiente

Resto de 2x³−x+3 al dividir entre 3x−1 en ℚ[x].

  1. Cero del divisor

    3x−1=0 da x=1/3.
  2. Sustituir

    f(1/3)=2/27−1/3+3.
  3. Denominador común

    (2−9+81)/27=74/27.
Resultado

El resto es 74/27.

Lo comprobamos

Usar x=1 sin dividir entre tres no anularía el divisor y daría un resto incorrecto.

Comprobar cuántas veces aparece una raíz

f=x³−3x²+4 en a=2.

  1. Primera

    f(2)=0 y f=(x−2)(x²−x−2).
  2. Segunda

    El cociente en dos vale cero y x²−x−2=(x−2)(x+1).
  3. Parar

    El factor restante x+1 vale tres en dos, no cero.

Resultado

Dos es raíz de multiplicidad 2.

Lo comprobamos

La factorización exacta (x−2)²(x+1) recupera el polinomio, incluido el coeficiente cero de x.

5. Sin raíces decide grados dos y tres; en grado cuatro puede no decidir

Irreducible sobre K significa grado positivo y ausencia de un producto de dos factores de grados positivos en K[x]. En grados dos o tres, una descomposición obligaría a tener un factor lineal: no tener raíces en K equivale a irreducibilidad.

En grado cuatro pueden aparecer dos factores cuadráticos sin raíces en K. Además probar unas cuantas evaluaciones no descarta todas las raíces: necesitamos una lista completa justificada o un argumento que cubra todos los elementos.

Una cúbica con lista racional completa

f=x³−3 sobre ℚ.

  1. Candidatos

    Para un polinomio mónico entero, toda raíz racional es un entero divisor de la constante: aquí ±1,±3. La demostración se desarrolla en el apartado de raíces racionales.

  2. Evaluar

    Los valores son −2,−4,24,−30 respectivamente para 1,−1,3,−3; ninguno es cero.

  3. Grado

    En grado tres, la ausencia de raíz racional excluye todos los productos de grados positivos.

Resultado

x³−3 es irreducible sobre ℚ.

Lo comprobamos

El argumento necesita la lista exhaustiva, no solo que no encontremos una raíz al tantear.

Una cuártica sin raíces racionales que sí factoriza

f=x⁴+5x²+4.

  1. Factorizar

    f=(x²+1)(x²+4).
  2. Raíces reales

    Ambos factores son positivos para todo real, por tanto no hay raíces reales ni racionales.

  3. Conclusión

    A pesar de ello, son dos factores racionales de grado dos.

Resultado

Es reducible sobre ℚ sin tener raíces racionales.

Lo comprobamos

La equivalencia entre ausencia de raíces e irreducibilidad tenía la restricción grado dos o tres.

6. El cuerpo decide qué coeficientes podemos usar en los factores

La escritura de un polinomio puede mantenerse mientras cambia el cuerpo. Los factores deben usar coeficientes del cuerpo pedido. Una raíz que existe en una ampliación no proporciona automáticamente un factor lineal en el cuerpo original.

El cuerpo de coeficientes decide qué raíces y factores están disponibles
x²+1: mismo polinomio, otro cuerpoℝ: sin raícesℂ: i y −ii−i(x−i)(x+i)=x²+1
Dos paneles: a la izquierda la parábola real x al cuadrado más uno no corta el eje horizontal; a la derecha el plano complejo muestra i y menos i sobre el eje imaginario. El mismo polinomio no tiene raíces reales y factoriza en complejos como x menos i por x más i.

Sobre ℂ todo polinomio de grado positivo se descompone en lineales. Sobre ℝ, los irreducibles tienen grados uno o dos; los no reales aparecen en pares conjugados y forman cuadráticos reales. Sobre ℚ puede haber irreducibles de grados arbitrariamente altos.

Una cuadrática cambia de respuesta entre racionales y reales

f=x²−5.

  1. Sobre ℚ

    Las posibles raíces racionales son ±1,±5, ninguna raíz. Por ser cuadrática es irreducible.

  2. Sobre ℝ

    Existen √5 y −√5.

  3. Factores

    f=(x−√5)(x+√5) con coeficientes reales.
Resultado

Irreducible depende del cuerpo declarado.

Lo comprobamos

No hay contradicción entre ambas respuestas: los factores reales usan números que no estaban permitidos en ℚ[x].

La parábola y el plano complejo del dibujo

f=x²+1.

  1. Sobre ℝ

    x²+1≥1 para x real; sin raíces y de grado dos, es irreducible.

  2. Sobre ℂ

    i²=−1 da raíces i y −i.
  3. Multiplicar

    (x−i)(x+i)=x²−i²=x²+1.
Resultado

Se factoriza en lineales complejos, pero no reales.

Lo comprobamos

El eje que corta una gráfica real no tiene por qué mostrar raíces complejas: se representan en otro plano.

7. Raíces racionales y contenido permiten pasar de fracciones a enteros

Si f tiene coeficientes enteros y raíz u/v en fracción reducida con v>0, al multiplicar la ecuación por vⁿ obtenemos aₙuⁿ+…+a₀vⁿ=0. Reducir por divisibilidad de u y de v, usando su coprimalidad, obliga a u|a₀ y v|aₙ. Si a₀=0, extraemos primero factor x para estudiar las demás raíces.

El contenido es el mcd no negativo de los coeficientes enteros de un polinomio no nulo. Primitivo significa contenido uno. Gauss: el producto de primitivos es primitivo, pues si un primo dividiera todos los coeficientes del producto, reducir módulo él daría producto cero de dos polinomios no nulos sobre un cuerpo, imposible.

Limpiar denominadores y extraer contenidos permite trasladar una factorización racional de un primitivo a factores enteros de los mismos grados.

La lista de candidatos puede incluir denominadores

f=2x²−x−1 sobre ℚ.

  1. Listar

    u divide −1 y v divide dos: candidatos ±1,±1/2.

  2. Encontrar

    f(1)=0 y f(−1/2)=0.
  3. Factorizar

    f=(x−1)(2x+1).
Resultado

Las dos raíces racionales son 1 y −1/2.

Lo comprobamos

Exigir solo raíces enteras habría perdido la segunda; el polinomio no es mónico.

Separar contenido de los factores de grado positivo

f=12x²−12 en ℤ[x].

  1. Contenido

    El mcd de coeficientes no nulos es doce; la parte primitiva es x²−1.

  2. Factorizar

    x²−1=(x−1)(x+1).
  3. Reunir

    f=12(x−1)(x+1).

    En ℚ[x], doce es una unidad; en ℤ[x] no lo es.

Resultado

El anillo de coeficientes cambia también qué constantes son unidades.

Lo comprobamos

No se confunde contenido con grado ni con multiplicidad de una raíz.

8. Eisenstein excluye factores de grados positivos con un solo primo

Para f=aₙxⁿ+…+a₀ entero, buscamos primo p que no divida aₙ, divida todos los coeficientes inferiores y cuyo cuadrado no divida a₀. Entonces f es irreducible sobre ℚ. Los coeficientes cero sí son divisibles por p.

Por Gauss, una factorización racional no trivial produciría factores enteros. Módulo p el producto solo tiene término principal y no pierde grado, así que ambos factores de grado positivo reducen a monomios de grado positivo. Sus constantes serían divisibles por p y a₀ por p²: contradicción.

Es criterio suficiente, no una clasificación de todos los irreducibles.

Una cuártica que no se decide solo buscando raíces

f=x⁴+10x²+5.

  1. Elegir

    p=5 no divide al coeficiente principal uno.
  2. Inferiores

    Divide 0,10,0,5, incluidos los dos coeficientes nulos.

  3. Cuadrado

    25 no divide cinco.

Resultado

Eisenstein prueba irreducibilidad en ℚ[x].

Lo comprobamos

El grado cuatro hace insuficiente descartar solo raíces racionales; aquí el criterio excluye también dos cuadráticos.

Fallar el criterio directo no demuestra reducibilidad

f=x²+x+1.

  1. Buscar primo directo

    No hay primo que divida al coeficiente uno de x; esta versión no aplica directamente.

  2. Otro argumento

    f=(x+1/2)²+3/4>0 para todo real.
  3. Grado

    No tiene raíces racionales y es cuadrática, así que es irreducible sobre ℚ.

Resultado

Un irreducible puede no satisfacer Eisenstein en la escritura original.

Lo comprobamos

La falta de un primo adecuado no construyó una factorización; había que elegir otro argumento.

Una traslación puede hacer visible el criterio

f=x⁴+x³+x²+x+1; sustituye x=y+1.

  1. Expandir

    f(y+1)=y⁴+5y³+10y²+10y+5.
  2. Aplicar

    Eisenstein con cinco sí funciona: cinco divide todos los inferiores y veinticinco no divide la constante.

  3. Volver

    Sustituir x=y+1 y su inversa y=x−1 conservan grados y productos; una factorización de f produciría otra de la traslación.

Resultado

f es irreducible sobre ℚ.

Lo comprobamos

La sustitución invertible justifica trasladar la conclusión; no es solo una coincidencia de coeficientes.

9. La factorización normalizada usa irreducibles mónicos y una constante

Todo polinomio no nulo de grado positivo en K[x] se escribe como constante no nula por producto de irreducibles mónicos. Existe porque separar factores reduce los grados. Para unicidad, un irreducible p que divide fg y no divide f tiene mcd(p,f)=1; Bézout, multiplicado por g, fuerza p|g.

Así cada irreducible de una factorización debe aparecer, salvo constante invertible, en la otra; normalizar a mónicos elimina esa ambigüedad y conserva las multiplicidades. Las aproximaciones numéricas sirven para explorar, pero no reemplazan una identidad exacta ni una prueba de irreducibilidad.

Una factorización completa sobre un cuerpo concreto

Factoriza x⁴−1 sobre ℚ.

  1. Diferencia de cuadrados

    x⁴−1=(x²−1)(x²+1).
  2. Primer factor

    x²−1=(x−1)(x+1).
  3. Parar

    x²+1 no tiene raíz racional y es cuadrático; ya es irreducible sobre ℚ.

Resultado

La factorización mónica es (x−1)(x+1)(x²+1).

Lo comprobamos

Sobre ℂ se seguiría con x±i; la respuesta completa depende de ℚ, que se declaró al principio.

Una aproximación no es una raíz exacta

Para x²−3 alguien propone el factor x−1,732.

  1. Evaluar

    1,732²−3=−0,000176, que no es cero.
  2. Teorema del resto

    Ese número es el resto al dividir por x−1,732.

  3. Interpretar

    El decimal aproxima √3, pero no es una raíz exacta ni produce ese factor exacto.

Resultado

No se prueba factorización exacta con una aproximación decimal.

Lo comprobamos

El tamaño pequeño del resto puede ser útil numéricamente; su no nulidad sigue siendo decisiva para divisibilidad exacta.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Irreducible sobre Q

Prueba que x²−2 es irreducible en Q[x].

  1. Grado y cuerpo

    x²−2 tiene grado dos sobre ℚ; si fuera reducible tendría una raíz racional.

  2. Fracción reducida

    Supón raíz u/v con v>0 y mcd(u,v)=1.
  3. Ecuación

    u²=2v², por tanto u² es par.
  4. Numerador

    Un cuadrado impar es impar, así que u=2k.
  5. Denominador

    4k²=2v² da v²=2k²; v también es par, contradiciendo coprimalidad.
  6. Concluir

    No hay raíz racional y el polinomio es irreducible sobre ℚ. Sobre ℝ sí se factoriza usando ±√2.

Resultado

Es irreducible sobre Q.

Lo comprobamos

Sobre R sí vale (x−√2)(x+√2). La contradicción excluyó coeficientes racionales, sin negar esa factorización real.

EJEMPLO RESUELTO 2

Eisenstein

Estudia x³−2 sobre Q.

  1. Coeficientes

    x³−2=x³+0x²+0x−2, con contenido uno.
  2. Primo

    Tomamos p=2.
  3. Principal

    Dos no divide uno.

  4. Inferiores

    Dos divide cero, cero y −2.

  5. Cuadrado

    Cuatro no divide −2.

  6. Criterio

    Eisenstein prueba irreducibilidad en ℚ[x]. Como contraste, las únicas raíces racionales posibles ±1,±2 no son raíces y el grado es tres.

Resultado

Irreducible por Eisenstein.

Lo comprobamos

También la lista de raíces racionales posibles ±1,±2 no contiene raíces; en grado tres eso ofrece una comprobación alternativa completa.

Los símbolos que hemos usado

K[x]
Anillo de polinomios en la indeterminada x con coeficientes en el cuerpo K.
deg f
Grado del polinomio no nulo f: mayor exponente con coeficiente no nulo.
g∣f
g divide f si existe q∈K[x] con f=gq.
mcd(f,g)
Divisor común de grado máximo, normalizado como mónico.
f(a)
Evaluación del polinomio f en un elemento a del cuerpo.
cont(f)
Máximo común divisor positivo de los coeficientes de un polinomio entero no nulo.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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