Дан многочлен P(x) степени n с целыми коэффициентами. Рассмотрите задачу: при каких условиях на коэффициенты гарантируется, что P(m) делится на m для каждого целого m? Предложите примеры и обсудите связь с теоремой о многочленах с целыми значениями
Короткий ответ: для многочлена с целыми коэффициентами условие m∣P(m)m\mid P(m)m∣P(m) для всех целых mmm выполняется тогда и только тогда, когда свободный член равен нулю, т.е. P(0)=0P(0)=0P(0)=0. Эквивалентно P(x)P(x)P(x) делится на xxx в Z[x]\mathbb Z[x]Z[x]: P(x)=xR(x)P(x)=xR(x)P(x)=xR(x) с целыми коэффициентами. Доказательство (кратко). Пусть P(x)=xR(x)+cP(x)=xR(x)+cP(x)=xR(x)+c где c=P(0)c=P(0)c=P(0). Для любого невырожденного mmm имеем P(m)≡c(modm)P(m)\equiv c\pmod mP(m)≡c(modm). Если m∣P(m)m\mid P(m)m∣P(m) для всех целых mmm, то m∣cm\mid cm∣c для всех целых mmm, значит c=0c=0c=0. Тогда P(x)=xR(x)P(x)=xR(x)P(x)=xR(x) даёт P(m)=mR(m)P(m)=mR(m)P(m)=mR(m), значит m∣P(m)m\mid P(m)m∣P(m) для всех mmm. Обсуждение случая m=0m=0m=0: делимость на 000 не определена, обычно условие понимают как для всех ненулевых целых mmm; требование P(0)=0P(0)=0P(0)=0 естественно для продолжения свойства. Примеры: P(x)=xP(x)=xP(x)=x, P(x)=x2+2x=x(x+2)P(x)=x^2+2x=x(x+2)P(x)=x2+2x=x(x+2), P(x)=x(x2+1)P(x)=x(x^2+1)P(x)=x(x2+1) — у всех P(0)=0P(0)=0P(0)=0 и поэтому m∣P(m)m\mid P(m)m∣P(m) для любых целых mmm. Связь с теоремой о целочисленно значимых многочленах: если ослабить требование с «целые коэффициенты» на «рациональные коэффициенты, но P(Z)⊂ZP(\mathbb Z)\subset\mathbb ZP(Z)⊂Z», то по теореме о целочисленно значимых многочленах любой такой многочлен имеет вид f(x)=∑k=0nak(xk),ak∈Z.
f(x)=\sum_{k=0}^n a_k\binom{x}{k},\qquad a_k\in\mathbb Z. f(x)=k=0∑nak(kx),ak∈Z.
Тогда условие m∣P(m)m\mid P(m)m∣P(m) для всех целых mmm эквивалентно тому, что P(x)=x⋅∑k≥0ak(xk),
P(x)=x\cdot\sum_{k\ge0} a_k\binom{x}{k}, P(x)=x⋅k≥0∑ak(kx),
то есть P(x)/xP(x)/xP(x)/x — целочисленно значимый многочлен. Для исходного класса с целыми коэффициентами это просто сводится к P(0)=0P(0)=0P(0)=0.
Доказательство (кратко). Пусть P(x)=xR(x)+cP(x)=xR(x)+cP(x)=xR(x)+c где c=P(0)c=P(0)c=P(0). Для любого невырожденного mmm имеем P(m)≡c(modm)P(m)\equiv c\pmod mP(m)≡c(modm). Если m∣P(m)m\mid P(m)m∣P(m) для всех целых mmm, то m∣cm\mid cm∣c для всех целых mmm, значит c=0c=0c=0. Тогда P(x)=xR(x)P(x)=xR(x)P(x)=xR(x) даёт P(m)=mR(m)P(m)=mR(m)P(m)=mR(m), значит m∣P(m)m\mid P(m)m∣P(m) для всех mmm. Обсуждение случая m=0m=0m=0: делимость на 000 не определена, обычно условие понимают как для всех ненулевых целых mmm; требование P(0)=0P(0)=0P(0)=0 естественно для продолжения свойства.
Примеры: P(x)=xP(x)=xP(x)=x, P(x)=x2+2x=x(x+2)P(x)=x^2+2x=x(x+2)P(x)=x2+2x=x(x+2), P(x)=x(x2+1)P(x)=x(x^2+1)P(x)=x(x2+1) — у всех P(0)=0P(0)=0P(0)=0 и поэтому m∣P(m)m\mid P(m)m∣P(m) для любых целых mmm.
Связь с теоремой о целочисленно значимых многочленах: если ослабить требование с «целые коэффициенты» на «рациональные коэффициенты, но P(Z)⊂ZP(\mathbb Z)\subset\mathbb ZP(Z)⊂Z», то по теореме о целочисленно значимых многочленах любой такой многочлен имеет вид
f(x)=∑k=0nak(xk),ak∈Z. f(x)=\sum_{k=0}^n a_k\binom{x}{k},\qquad a_k\in\mathbb Z.
f(x)=k=0∑n ak (kx ),ak ∈Z. Тогда условие m∣P(m)m\mid P(m)m∣P(m) для всех целых mmm эквивалентно тому, что
P(x)=x⋅∑k≥0ak(xk), P(x)=x\cdot\sum_{k\ge0} a_k\binom{x}{k},
P(x)=x⋅k≥0∑ ak (kx ), то есть P(x)/xP(x)/xP(x)/x — целочисленно значимый многочлен. Для исходного класса с целыми коэффициентами это просто сводится к P(0)=0P(0)=0P(0)=0.