Division mit Rest in Polynomringen

Satz 81DH (Division mit Rest)

Seien P,QK[x]P,Q\in K[x] Polynome, Q0Q\neq0. Dann gibt es eindeutig bestimmte Polynome q,rK[x]q,r\in K[x], sodass P=qQ+r P=qQ+r mit degr<degQ\deg r<\deg Q gilt. Das Polynom rr heißt dabei der Rest der Division von PP durch QQ.

Beweis

Zur Eindeutigkeit: Seien P=qQ+rP=qQ+r und P=q~Q+r~P=\tilde{q}Q+\tilde{r} mit degr,degr~<degQ\deg r, \deg\tilde{r}<\deg Q zwei solche Darstellungen. Dann gilt
0=PP=(qQ+r)(q~Q+r~) 0=P-P=(qQ+r)-(\tilde{q}Q+\tilde{r})=(qq~)Q+(rr~) =(q-\tilde{q})Q+(r-\tilde{r}) .
Wäre qq~0q-\tilde{q}\neq0, so müsste deg((qq~)Q)=deg(rr~) \deg((q-\tilde{q})Q)=\deg(r-\tilde{r}) gelten. Nun ist aber
deg((qq~)Q)=deg(qq~)0 da qq~0+degQdegQ \deg((q-\tilde{q})Q)=\underbrace{\deg(q-\tilde{q})}_{\ge0\text{ da }q-\tilde{q}\neq0}+\deg Q\ge\deg Q\, (Satz 81BL)
Andererseits ist aber
deg(rr~)max{degr,degr~}<degQ \deg(r-\tilde{r})\le\max\{\deg r,\deg\tilde{r}\}<\deg Q .
Also muss doch qq~=0q-\tilde{q}=0 sein und damit auch 0=(qq~)Q+(rr~)=rr~0=(q-\tilde{q})Q+(r-\tilde{r})=r-\tilde{r}. Dies zeigt q=q~q=\tilde{q} und r=r~r=\tilde{r}, also die Eindeutigkeit der Darstellung. Zur Existenz: Für degP<degQ\deg P<\deg Q ist P=0Q+P P=0\cdot Q+P eine Darstellung der gewünschten Form. Für degQ=0\deg Q=0 ist hingegen Q=q0KQ=q_0\in K und P=Pq01Q+0\nohtml P=Pq_0^{-1}Q+0 ist eine Darstellung. Für degPdegQ\deg P\ge\deg Q führen wir den Beweis mittels vollständiger Induktion nach degP\deg P. Falls degP=0\deg P=0 muss auch degQ=0\deg Q=0 sein, und man erhält die Darstellung wie oben. Sei nun degPdegQ0\deg P\ge\deg Q\ge0 und die Aussage für Polynome kleineren Grades bereits gezeigt. Dann betrachten wir für
P=p0+p1x++pnxn P=p_0+p_1x+\dots+p_nx^n und Q=q0+q1x++qmxm Q =q_0+q_1x+\dots+q_mx^m
das Polynom
P=Ppnqm1xnmQ\nohtml P'=P-p_nq_m^{-1}x^{n-m}Q =p0++(pnpnqm1qm)=0xn =p_0+\dots+\underbrace{(p_n-p_nq_m^{-1}q_m)}_{=0}x^n ,
also degP<n\deg P'<n, da sich die Koeffizienten von xnx^n gerade aufheben. Nach Induktionsvoraussetzung ist nun P=qQ+r P'=q'Q+r' mit degr<degQ\deg r'<\deg Q . Dann gilt P=pnqm1xnmQ+P P=p_nq_m^{-1}x^{n-m}Q+P' =(pnqm1xnm+q)Q+r =(p_nq_m^{-1}x^{n-m}+q')Q+r' mit degr<degQ\deg r'<\deg Q. Dies ist die gesuchte Darstellung. \qed
 
 

Ein guter mathematischer Scherz ist immer besser als ein ganzes Dutzend mittelmäßiger gelehrter Abhandlungen.

John Edensor Littlewood

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