Files
AlgebraZahlentheorie/07.tex
T
2026-08-13 12:18:22 +02:00

393 lines
19 KiB
TeX
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters
This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.
% spell checker language
\selectlanguage{german}
\chapter{Irreduzibilitätskriterien}
\sideremark{Vorlesung 8}Nach allen Vorbereitungen wollen wir jetzt die Frage
angehen, wie man entscheidet, ob ein gegebenes Polynom $f ∈ K[x]$ irreduzibel
ist. Sie finden Material zu Polynomen und Irreduzibilität auch im Skript
\leanlink{polynome}.
\section{Das Irreduzibilitätskriterium von Gauß}
Für Polynome $f ∈ ℚ[x]$ werden wir die Frage nach der Irreduzibilität
vollständig beantworten. Wir erinnern uns daran, wie die Frage nach der
Konstruierbarkeit der „Verdoppelung des Würfels“ mit der Frage zusammenhing, ob
das Polynom $x³-2 ∈ ℚ[x]$ irreduzibel ist.
\begin{beobachtung}
Im Ring $ℤ[x]$ sind Teilbarkeitsfragen oft durch Teilbarkeitsbetrachtungen der
Koeffizienten entscheidbar. Das geht zum Beispiel so: seien
\begin{equation*}
f = r_0 + r_1·x + ⋯ + r_n·x^n
\quad\text{und}\quad
g = s_0 + s_1·x + ⋯ + s_m·x^m
\end{equation*}
Polynome aus $ℤ[x]$. Dann folgt aus $g|f$ zumindest, dass $s_0|r_0$ und
$s_m|r_n$ gilt. Wenn $r_0$ und $r_n$ wenige Teiler haben, grenzt dies die
Möglichkeiten für potenzielle Teilerpolynome $g$ schon einmal ein.
\end{beobachtung}
\begin{bsp}
Im Spezialfall, wo $f$ ein kubisches Polynom ist, und $g = s_0 + s_1·x$ ein
Linearfaktor sein soll, dann muss $s_0|r_0$ und $s_1|r_3$ gelten. Sei jetzt
noch spezieller $f = x³-2 ∈ ℤ[x]$. Dann müsste jeder Linearfaktor aussehen
wie $±x±1$ oder $±x±2$. Tatsächlich ist aber keines dieser Polynome ein
Teiler von $f$, weil $±1$ oder $±2$ keine Nullstellen von $f$ sind. Also ist
$f = x³-2$ irreduzibel in $ℤ[x]$.
\end{bsp}
Das folgende Irreduzibilitätskriterium von Gauß\index{Gauß, Irreduzibilitätskriterium von|textbf} zeigt, dass $x³-2$ dann auch irreduzibel in $ℚ[x]$ ist!
\begin{satz}[Irreduzibilitätskriterium von Gauß, \mathlib{RingTheory/Polynomial/GaussLemma.html\#Polynomial.IsPrimitive.irreducible_iff_irreducible_map_fraction_map}]\label{satz:Irreduzibilitaetssatz_Gaus}\index{Polynom!irreduzibel}%
Es sei $R$ ein faktorieller Ring, es sei $K=Q(R)$ sein Quotientenkörper und es
sei ein Polynom $f ∈ R[x]$ von positivem Grad gegeben. Wenn $f$ in $R[x]$
irreduzibel ist, dann ist $f$ auch in $K[x]$ irreduzibel.
\end{satz}
Als Vorbereitung zum Beweis zeigen wir erst einmal das folgende Lemma. Das
Lemma zeigt auch, wie natürlich das Kriterium von Gauß ist.
\begin{lemma}[\mathlib{RingTheory/Localization/Integral.html\#IsLocalization.integerNormalization}]\label{Lemma_zu_Irreduzibilitaetssatz}%
Sei $R$ ein faktorieller Ring, es sei $K = Q(R)$ der Quotientenkörper und $g ∈
K[x] ∖ \{0\}$ sei ein Polynom. Dann existiert ein $a∈ K∖ \{0\}$, sodass $a·
g$ in $R[x]$ ist und sodass der $\ggT$ der Koeffizienten von $a· g$ gleich $1$
ist.
\end{lemma}
\begin{bemerkung}
Wir hatten nur den $\ggT$ für zwei Elemente definiert, die Definition geht
genauso für mehr als zwei Elemente.\index{größter gemeinsamer Teiler} Für Polynome $a_0 + a_1·x + ⋯ + a_m·x^m
∈ R[x]$ ist die Bedingung $\ggT(a_0, …, a_m) = 1$ notwendig, aber nicht
hinreichend für die Irreduzibilität.
\end{bemerkung}
\begin{proof}[Beweis von Lemma~\ref{Lemma_zu_Irreduzibilitaetssatz}, \video{8-1}]
Schreibe
\begin{equation*}
g(x) = γ_0 + γ_1·x + ⋯ + γ_n·x^n, \quad\text{wobei } γ_i ∈ K.
\end{equation*}
Nach Konstruktion des Quotientenkörpers können wir jedes $γ_i$ als Bruch
schreiben, $γ_i = \frac{a_i}{b_i}$ mit $a_i$, $b_i ∈ R$ und $b_i ≠ 0$. Setze
$c := \prod_i b_i ∈ R$; das ist ein Element ungleich Null, weil $R$ ein
Integritätsring ist. Dann gilt für alle Indizes $c·γ_i ∈ R$, also ist $c·g ∈
R[x]$. Setze jetzt
\begin{equation*}
d := \ggT( c·γ_0, …, c·γ_n ) ∈ R.
\end{equation*}
Weil $d$ alle Koeffizienten $c·γ_i$ teilt, gilt $\frac{c·γ_i}{d} ∈ R$ für alle
Indizes, also ist auch $\frac{c}{d}·g ∈ R[x]$. Zusätzlich ist
\begin{equation*}
\ggT\left( \frac{c}{d}·γ_0, …, \frac{c}{d}·γ_n \right) = 1,
\end{equation*}
denn wenn $t$ ein gemeinsamer Teiler aller $\frac{c·γ_i}{d}$ ist, dann teilt
$t·d$ alle Koeffizienten $c·γ_i$, also teilt $t·d$ den größten gemeinsamen
Teiler $d$, und damit ist $t$ eine Einheit. Das Element $a := \frac{c}{d} ∈ K
∖ \{0\}$ leistet also das Gewünschte.
\end{proof}
\begin{proof}[Beweis von Satz~\ref{satz:Irreduzibilitaetssatz_Gaus}, \video{8-2}]
Wir zeigen die Kontraposition: Wenn $f$ in $K[x]$ nicht irreduzibel ist, dann
ist $f$ auch in $R[x]$ nicht irreduzibel. Schreibe
\begin{equation*}
f(x) = a_0 + a_1·x + ⋯ + a_n·x^n ∈ R[x].
\end{equation*}
Weil $f$ positiven Grad hat, ist $f$ weder Null noch eine Einheit --- in
$R[x]$ ebenso wenig wie in $K[x]$. Wenn $f$ in $K[x]$ nicht irreduzibel ist,
können wir also $f = g·h$ schreiben, wobei $g$, $h ∈ K[x]$ Polynome von
positivem Grad sind.
Ohne Einschränkung dürfen wir annehmen, dass $\ggT(a_0, …, a_n) = 1$ ist.
Andernfalls wäre der $\ggT$ nämlich ein echter Teiler von $f$ in $R[x]$ --- er
ist keine Einheit und als konstantes Polynom nicht zu $f$ assoziiert --- und
$f$ wäre bereits in $R[x]$ nicht irreduzibel.
Lemma~\ref{Lemma_zu_Irreduzibilitaetssatz} liefert Elemente $a$, $b ∈
K∖\{0\}$, sodass $a·g$ und $b·h$ in $R[x]$ liegen und der $\ggT$ der
Koeffizienten jeweils gleich $1$ ist. In $K[x]$ gilt dann die Gleichung
\begin{equation}\label{eq:gausskrit}
(a·b)·f = (a·g)·(b·h).
\end{equation}
\schritt{Behauptung 1: Es ist $a·b ∈ R$.} Weil $R$ faktoriell ist, können wir
$a·b$ als gekürzten Bruch schreiben: $a·b = r/s$ mit teilerfremden Elementen
$r$, $s ∈ R$ und $s ≠ 0$. Aus \eqref{eq:gausskrit} wird nach Multiplikation
mit $s$ die Gleichung $r·f = s·(a·g)·(b·h)$ in $R[x]$. Angenommen, $s$ wäre
keine Einheit. Dann gäbe es ein Primelement $p ∈ R$ mit $p|s$, und $p$ teilte
das Polynom $r·f$. Nach Lemma~\vref{Lemma_Hilfslemma} ist $p$ auch in $R[x]$
prim, also folgt $p|r$ oder $p|f$. Wegen der Teilerfremdheit von $r$ und $s$
ist $p|r$ unmöglich, und $p|f$ würde bedeuten, dass $p$ alle Koeffizienten
$a_i$ teilt --- im Widerspruch zu $\ggT(a_0,…,a_n) = 1$. Also ist $s$ eine
Einheit und $a·b = r·s^{-1} ∈ R$.
\schritt{Behauptung 2: Es ist $a·b ∈ R^*$.} Angenommen nicht. Das Element
$a·b ∈ R$ ist nicht Null; wenn es keine Einheit wäre, gäbe es ein Primelement
$p ∈ R$ mit $p|(a·b)$. Wegen \eqref{eq:gausskrit} teilte $p$ dann das Produkt
$(a·g)·(b·h)$; nach Lemma~\vref{Lemma_Hilfslemma} folgt $p|(a·g)$ oder
$p|(b·h)$. Beides ist unmöglich, denn $p$ müsste dann alle Koeffizienten von
$a·g$ beziehungsweise von $b·h$ teilen, aber die größten gemeinsamen Teiler
dieser Koeffizienten sind jeweils gleich $1$. Widerspruch!
Multiplikation von \eqref{eq:gausskrit} mit $(a·b)^{-1} ∈ R^*$ liefert jetzt
die Gleichung
\begin{equation*}
f = \bigl((a·b)^{-1}·a·g\bigr)·(b·h)
\end{equation*}
in $R[x]$. Beide Faktoren liegen in $R[x]$ und haben positiven Grad, sind
also keine Einheiten. Insbesondere ist der erste Faktor ein echter Teiler von
$f$ in $R[x]$, und $f$ ist nicht irreduzibel in $R[x]$. Das war zu zeigen.
\end{proof}
\subsection{Anwendung des Gauß-Kriteriums}
Das Kriterium von Gauß führt die Frage, ob ein gegebenes Polynom $f ∈ ℚ[x]$
irreduzibel ist, auf die Frage zurück, ob $a· f ∈ ℤ[x]$ irreduzibel ist, für
geeignetes $a ∈ ℚ ∖ \{0\}$. Die Irreduzibilität von $a· f ∈ ℤ[x]$ kann man aber
in endlich vielen Rechenschritten entscheiden ($→$Klausur). Ein Verfahren soll
jetzt ganz kurz skizziert werden. Den folgenden Satz kennen Sie vielleicht aus
den Anfängervorlesungen.
\begin{erinnerung}[Lagrangesche Interpolationsformel\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph-Louis_Lagrange}{Joseph-Louis de Lagrange} (* 25.~Januar 1736 in Turin als Giuseppe Lodovico Lagrangia; † 10.~April 1813 in Paris) war ein italienischer Mathematiker und Astronom.}, \mathlib{LinearAlgebra/Lagrange.html\#Lagrange.eq_interpolate}\index{Lagrange, Interpolationsformel von|textbf}]%
Es sei $K$ ein Körper\footnote{Wir denken an $K = ℚ$.}, es sei $f(x) ∈ K[x]$
ein Polynom vom Grad $≤ n$ und es seien $a_0, …, a_n∈ K$ paarweise
verschiedene Elemente. Dann ist $f$ durch seine Werte $f(a_0), …, f(a_n)$
eindeutig festgelegt. Genauer gilt:
\begin{equation*}
f(x) = \sum_{i=0…n}f(a_i)\prod_{\genfrac{}{}{0pt}{}{j=0…n}{j≠i}}\frac{x-a_j}{a_i-a_j}.
\end{equation*}
\end{erinnerung}
\begin{proof}
Die rechte Seite der Gleichung ist ein Polynom $R(x) ∈ K[x]$ vom Grad $\deg
R ≤ n$, sodass für alle Indices $i$ gilt:
\[
R(a_i) = f(a_i)·\prod_{\genfrac{}{}{0pt}{}{j=0…n}{j≠i}}\frac{a_i-a_j}{a_i-a_j}=f(a_i).
\]
Dann ist $f-R$ ein Polynom vom Grad $≤ n$, das $n+1$ Nullstellen hat, also das
Nullpolynom.
\end{proof}
Sei jetzt also $f ∈ ℤ[x]$ ein Polynom vom Grad $n$. Wähle paarweise
verschiedene Zahlen $a_1, …, a_{n+1} ∈ ℤ$ und betrachte die Werte $f(a_i) ∈ ℤ$.
Falls es ein Polynom $g(x) ∈ ℤ[x]$ gibt, welches $f$ teilt, dann gilt für jeden
Index $i$ die Relation $g(a_i) | f(a_i)$. Weil das Polynom $g$ aber durch die
Werte $g(a_1), …, g(a_{n+1})$ eindeutig bestimmt ist, und jede der Zahlen
$f(a_i)$ endlich viele Teiler hat, gibt es insgesamt nur endlich viele Polynome,
die als Teiler infrage kommen. Es genügt also, zu überprüfen, ob es unter den
endlich vielen Kombinationen von Teilern $t_i$ von $f(a_i)$ solche gibt, für die
gilt:
\begin{enumerate}
\item Das Polynom
\[
g(x) = \sum_{i=1}^{n+1} t_i·\prod_{\genfrac{}{}{0pt}{}{j=1…n+1}{j≠ i}} \frac{x-a_j}{a_i-a_j}
\]
hat ganzzahlige Koeffizienten.
\item Es gilt $g|f ∈ ℚ[x]$.
\item Das Polynom $g$ ist ein echter Teiler, also $g ≠ ±1$ und $g ≠ ±f$.
\end{enumerate}
\begin{bemerkung}
Es ist zweckmäßig, die Zahlen $a_i$ so zu wählen, dass $f(a_i)$ möglichst
wenige Teiler hat. Wenn man nur noch Teiler vom Grad $≤ m<n$ sucht, dann
braucht man die Formel lediglich auf $m+1$ Punkte anzuwenden. Das hilft oft
sehr.
\end{bemerkung}
\section{Das Eisenstein-Kriterium}
\sideremark{Vorlesung 9}Mit der Lagrangeschen Interpolationsformel kann ich die
Frage nach der Irreduzibilität zwar beantworten, allerdings sind die nötigen
Rechnungen ziemlich aufwändig (besonders bei Zeitdruck in einer Klausur!). Das
folgende Kriterium von Theodor
Schönemann\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Theodor_Sch\%C3\%B6nemann}{Theodor
Schönemann} (* 4.~April 1812 in Driesen, Friedebergischer Kreis; † 16.~Januar
1868 in Brandenburg an der Havel) war ein deutscher Mathematiker.}, das in der
Literatur durchgehend falsch mit „Eisenstein-Kriterium“
bezeichnet\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Gotthold_Eisenstein}{Ferdinand
Gotthold Max Eisenstein} (* 16.~April 1823 in Berlin; † 11.~Oktober 1852 ebenda)
war ein deutscher Mathematiker, der hauptsächlich in der Zahlentheorie und über
elliptische Funktionen arbeitete.} wird, ist oft viel schneller. Es ist so
wichtig, dass es dazu sogar
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Eisensteinkriterium}{eine eigene Seite auf
Wikipedia} gibt\index{Eisenstein, Irreduzibilitätskriterium von|textbf}.
\begin{satz}[Eisenstein-Kriterium, \mathlib{RingTheory/Polynomial/Eisenstein/Criterion.html\#Polynomial.irreducible_of_eisenstein_criterion}]\label{Satz_Eisenstein_Kriterium}\index{Polynom!irreduzibel}
Es sei $R$ ein faktorieller Ring und es sei
\begin{equation*}
f = a_0+a_1· x + \dots +a_n· x^n∈ R[x]
\end{equation*}
ein Polynom vom Grad $n>0$. Weiter sei $\ggT(a_0, …, a_n)=1$. Wenn es ein
Primelement $p ∈ R$ gibt mit $p|a_0$, $p|a_1$, …, $p|a_{n-1}$ und
$p² \nmid a_0$, dann ist $f$ irreduzibel in $R[x]$.
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis, \video{9-1}]
Wir nehmen an, $f$ wäre nicht irreduzibel, und führen das zum Widerspruch.
Das Polynom $f$ hat positiven Grad, ist also weder Null noch eine Einheit, und
hat nach Annahme dann einen echten Teiler: Wir schreiben $f = g·h$, wobei
\begin{equation*}
g = \sum_ν b_ν·x^ν \quad\text{und}\quad h = \sum_μ c_μ·x^μ
\end{equation*}
Polynome aus $R[x]$ sind und $g$ ein echter Teiler von $f$ ist. Beide
Faktoren haben positiven Grad: Wäre nämlich einer der Faktoren ein konstantes
Polynom $c$, dann teilte $c$ alle Koeffizienten von $f$, wäre wegen $\ggT(a_0,
…, a_n) = 1$ also eine Einheit --- dann wäre aber der andere Faktor zu $f$
assoziiert und $g$ kein echter Teiler. Insbesondere ist $\deg g ≤ n-1$.
Wir sammeln jetzt einige Beobachtungen über die Teilbarkeit der Koeffizienten
durch $p$.
\begin{itemize}
\item Es ist $p \nmid a_n$: Das Primelement $p$ teilt die Koeffizienten
$a_0, …, a_{n-1}$; würde es auch $a_n$ teilen, dann teilte es den
$\ggT(a_0, …, a_n) = 1$.
\item Es gibt Indizes $ν$ mit $p \nmid b_ν$: Würde $p$ alle
Koeffizienten von $g$ teilen, dann teilte $p$ das Polynom $f = g·h$
und insbesondere den Koeffizienten $a_n$. Analog gibt es Indizes $μ$
mit $p \nmid c_μ$.
\item Der konstante Koeffizient von $f$ ist $a_0 = b_0·c_0$. Weil $p$
prim ist und $p|a_0$ gilt, teilt $p$ eines der Elemente $b_0$ oder
$c_0$. Es teilt aber nicht beide, denn sonst wäre $p²|a_0$. Ohne
Einschränkung nehmen wir an, dass $p|b_0$ und $p \nmid c_0$ ist.
\end{itemize}
Es sei jetzt $i$ der kleinste Index mit $p \nmid b_i$; nach den Beobachtungen
existiert ein solcher Index, und es ist $1 ≤ i ≤ \deg g ≤ n-1$. Betrachte die
Gleichung für den Koeffizienten von $x^i$ in $f = g·h$,
\begin{equation*}
a_i = b_0·c_i + b_1·c_{i-1} + ⋯ + b_{i-1}·c_1 + b_i·c_0,
\end{equation*}
wobei wir $c_μ := 0$ für $μ > \deg h$ setzen. Wegen $i ≤ n-1$ gilt $p|a_i$.
Nach Wahl von $i$ teilt $p$ außerdem jeden der Summanden $b_0·c_i$, …,
$b_{i-1}·c_1$. Also teilt $p$ auch den letzten Summanden
\begin{equation*}
b_i·c_0 = a_i - \bigl(b_0·c_i + ⋯ + b_{i-1}·c_1\bigr).
\end{equation*}
Aber wir wissen $p \nmid b_i$ und $p \nmid c_0$ --- im Widerspruch dazu, dass
$p$ prim ist. Also war die Annahme falsch, und $f$ ist irreduzibel.
\end{proof}
\begin{notation}[\mathlib{RingTheory/Polynomial/Eisenstein/Basic.html\#Polynomial.IsEisensteinAt}]
Ein Polynom, das die Bedingung von Satz~\ref{Satz_Eisenstein_Kriterium}
erfüllt, nennt man \emph{Eisen\-stein-Polynom}\index{Eisenstein-Polynom|textbf}.
\end{notation}
\begin{bsp}
Das Polynom $x^n-r ∈ ℤ[x]$ ist irreduzibel, wenn $r$ durch eine Primzahl
$p$, aber nicht durch $p²$ teilbar ist.
\end{bsp}
\begin{bsp}
Das Polynom $x^n-p ∈ ℤ[x]$ ist für jede Primzahl $p$ irreduzibel, und
deshalb Minimalpolynom von $\sqrt[n]{p}$ als Element der Körpererweiterung
$ℂ/ℚ$.
\end{bsp}
\begin{bsp}
Ein Polynom in mehreren Variablen der Gestalt
\begin{equation*}
x_1^m+g(x_2, …, x_n) ∈ R[x_1, …, x_n]
\end{equation*}
über einem faktoriellen Ring $R$ ist sicher dann irreduzibel, wenn $g(x_2, …,
x_n)$ als Element von $R[x_2, …, x_n]$ irreduzibel ist.
\end{bsp}
\subsection{Hilfe bei der Anwendung des Eisenstein-Kriteriums}
Das Eisenstein-Kriterium lässt sich manchmal auch in solchen Situationen anwenden, in
denen kein Eisenstein-Polynom vorliegt. Hin und wieder ist es nämlich möglich,
einen Ringmorphismus zu betrachten und folgendes Lemma anzuwenden.
\begin{lem}[\mathlib{Algebra/Polynomial/Eval/Irreducible.html\#Polynomial.Monic.irreducible_of_irreducible_map}]
\index{Polynom!irreduzibel}Es sei $R$ ein faktorieller Ring, es sei $S$ ein Integritätsring und es sei
$\varphi : R[x] → S$ ein Ringmorphismus, der kein Polynom positiven Grades auf
eine Einheit in $S$ abbildet. Weiter sei $f∈ R[x]$ ein Polynom vom Grad $>0$,
sodass der größte gemeinsame Teiler der Koeffizienten gleich $1$ ist. Wenn
jetzt $\varphi(f) ∈ S$ irreduzibel ist, dann ist auch $f∈ R[x]$ irreduzibel.
\end{lem}
\begin{proof}
Angenommen, $f$ wäre reduzibel. Dann können wir schreiben $f = g·h$, wobei
$g$ und $h$ jeweils keine Einheiten in $R[x]$ sind. Weil der größte
gemeinsame Teiler der Koeffizienten gleich $1$ ist, müssen $g$ und $h$ jeweils
positiven Grad haben. Die Gleichung
\begin{equation*}
\varphi(f) = \varphi(g)·\varphi(h)
\end{equation*}
zeigt dann, dass $\varphi(f)$ echte Teiler hat, also nicht irreduzibel ist.
\end{proof}
Ringmorphismen, die man in der Praxis brauchen kann, entstehen oft auf die
folgenden Weisen.
\begin{description}
\item[Anwenden eines Ringhomomorphismus auf die Koeffizienten]\index{Reduktion modulo p@Reduktion modulo $p$} Ist
$\varphi : R → S$ ein Ringhomomorphismus, dann ist auch
\begin{equation*}
Φ: R[x] → S[x], \quad \sum a_{ν} x^ν ↦ \sum\varphi(a_{ν})x^ν
\end{equation*}
ein Ringmorphismus.
\item[Einsetzungskomposition]\index{Einsetzungskomposition|textbf} Es sei eine
Abbildung $\varphi : R → S$ und es sei ein Element $t ∈ S$ gegeben. Setze
\begin{equation*}
Φ : R[x] → S, \quad \sum a_{ν} x^ν ↦ \sum\varphi(a_{ν})t^ν
\end{equation*}
\item[Substitutionsmorphismus]\index{Substitutionsmorphismus|textbf} Es sei ein
Element $a∈ R$ gegeben. Dann betrachte die Abbildung
\begin{equation*}
Φ : R[x] → R[x], \quad \sum a_{ν} x^ν ↦ \sum a_{ν}(x-a)^ν.
\end{equation*}
Diese Abbildung ist sogar ein Isomorphismus, weil sie durch $x ↦ x+a$
umgekehrt wird.
\end{description}
\begin{bsp}[\mathlib{RingTheory/Polynomial/Cyclotomic/Roots.html\#Polynomial.cyclotomic.irreducible_rat}]\label{bsp:7.2.7}
Es sei $p ∈ ℤ$ eine Primzahl und es sei
\[
f = x^{p-1}+x^{p-2}+ ⋯ + x+1 ∈ ℤ[x].
\]
Auf $f$ kann man das Eisenstein-Kriterium nicht direkt anwenden. Wir wollen
den Substitutionsmorphismus $\varphi : ℤ[x] → ℤ[x]$, $x ↦ x+1$
anwenden. Es ist
\[
\varphi(f) = (x+1)^{p-1}+(x+1)^{p-2}+ ⋯ + (x+1)+1 ∈ ℤ[x],
\]
aber das ist schwer auszurechnen. Deshalb ein Trick: man beobachte, dass sich
das Polynom $f$ durch Multiplikation mit $x-1$ mächtig vereinfacht,
\begin{equation*}
(x-1)·f = x^p-1.
\end{equation*}
Dann ist auf der einen Seite
\begin{align*}
\varphi( (x-1)·f ) & = \varphi(x-1)·\varphi(f) = x·\varphi(f)
\intertext{und auf der anderen Seite ist}
\varphi( (x-1)·f ) & = \varphi( x^p-1 ) = (x+1)^p-1 \\
& = \sum_{ν = 0}^{p}\binom{p}{ν}x^ν -1 = \sum_{ν = 1}^{p}\binom{p}{ν}x^ν.
\intertext{Ein Vergleich der beiden Seiten zeigt dann}
\varphi(f) & = \sum_{ν=1}^{p}\binom{p}{ν}x^{ν-1}.
\end{align*}
Das ist ein Eisenstein-Polynom in $ℤ[x]$, denn es gilt Folgendes.
\begin{itemize}
\item Für alle Zahlen $1 ≤ ν < p$ gilt $p|\binom{p}{ν}$.
\item Es ist $\binom{p}{1}=p$, also $p² \nmid \binom{p}{1}$.
\item Es ist $\binom{p}{p}=1$, sodass der ggT der Koeffizienten ganz sicher
gleich eins ist.
\end{itemize}
Also sind $\varphi(f)$ und $f$ in $ℤ[x]$ jeweils irreduzibel. Nach
Satz~\ref{satz:Irreduzibilitaetssatz_Gaus} („Irreduzibilitätskriterium von
Gauß“) sind $\varphi(f)$ und $f$ dann auch im Polynomring
$ℚ[x]$ irreduzibel.
\end{bsp}
%%% Local Variables:
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "AlgebraZahlentheorie"
%%% End: