# Lemma di Gauss (polinomi)

Il lemma di Gauss, nella teoria dei polinomi, si riferisce a due affermazioni distinte:
* il prodotto di due polinomi primitivi è primitivo;
* se un polinomio è irriducibile in $\mathbb {Z} [x]$, allora è irriducibile anche in $\mathbb {Q} [x]$; cioè un polinomio a coefficienti interi che è irriducibile negli interi è anche irriducibile nei razionali.
La seconda affermazione è una diretta conseguenza della prima, ed entrambe le affermazioni possono essere estese al caso in cui al posto di $\mathbb {Z}$ si considera un dominio a fattorizzazione unica R e al posto di $\mathbb {Q}$ si considera il campo delle frazioni F di R.
Questo lemma prende il nome dal matematico tedesco Carl Friedrich Gauss.

## Dimostrazione del primo lemma

Siano f(x) e g(x) due polinomi primitivi (a coefficienti interi), cioè tali che il massimo comun divisore dei coefficienti di ciascun polinomio è 1. Supponiamo per assurdo che il loro prodotto h(x)=f(x) g(x) non sia primitivo. Di conseguenza, esisterà un primo p che divide tutti i coefficienti di h(x). Poiché f(x) e g(x) sono primitivi, esisteranno dei loro coefficienti che non sono divisi da p.
L'idea è ora di "costruire" un coefficiente di h(x) che non è diviso da p. Consideriamo quindi a$_r$ e b$_s$, i due coefficienti di grado minimo che non sono divisi da p, e costruiamo c$_{r+s}$, il coefficiente di h(x) di grado r+s. Lo possiamo scrivere come:
    $c_{r+s}=a_{r}b_{s}+(a_{r+1}b_{s-1}+a_{r+2}b_{s-2}+\ldots )+(a_{r-1}b_{s+1}+a_{r-2}b_{s+2}+\ldots )$
Il primo addendo non è divisibile per p; tuttavia, le due quantità tra parentesi lo sono, in quanto ognuno tra i b$_{s-1}$, b$_{s-2}$... lo è, come ognuno tra i a$_{r-1}$, a$_{r-2}$, eccetera. Quindi si può scrivere
    $c_{r+s}=a_{r}b_{s}+ph$
per un h intero. Ma c$_{r+s}$ è la somma di una quantità divisibile e una non divisibile, e quindi non può essere divisibile per p, e ciò è assurdo. Quindi h(x) è primitivo, come volevasi dimostrare.

### Dimostrazione alternativa

Un'altra dimostrazione può essere data usando l'anello $\mathbb {Z} _{p}[x]$ dei polinomi a coefficienti nel campo finito $\mathbb {Z} _{p}$.
Supponiamo per assurdo che h(x)=f(x) g(x) non sia primitivo. Come nella dimostrazione precedente, esisterà un primo p che divide tutti i suoi coefficienti. Allora nell'anello $\mathbb {Z} _{p}[x]$ risulterà f(x) g(x)=0. Ma essendo $\mathbb {Z} _{p}$ un campo, è anche un dominio d'integrità (ovvero, non esistono divisori dello zero), e quindi anche l'anello dei suoi polinomi è un dominio d'integrità. Quindi uno tra f(x) e g(x) dovrebbe essere 0 in $\mathbb {Z} _{p}[x]$, ovvero tutti i suoi coefficienti dovrebbero essere divisibili per p. Ma avevamo supposto che sia f(x) che g(x) fossero primitivi, e quindi questo è un assurdo, e h(x) è primitivo.

## Dimostrazione del secondo lemma

Questo secondo lemma è equivalente a dire che se un polinomio a coefficienti interi si scompone in $\mathbb {Q} [x]$, allora si scompone anche in $\mathbb {Z} [x]$.
Se f(x) non è primitivo, allora si ottiene subito una scomposizione non banale in $\mathbb {Z} [x]$ e quindi possiamo assumere, senza perdere in generalità, che f(x) sia primitivo. Se si pone f(x)=g(x) h(x), con $g(x),h(x)\in \mathbb {Q} [x]$ non costanti, allora esistono $a,b\in \mathbb {Q} \setminus \{0\}$ tali che $g'(x)=a\cdot g(x)$ e $h'(x)=b\cdot h(x)$ siano polinomi primitivi di $\mathbb {Z} [x]$. Abbiamo dunque:
    $f(x)=(a^{-1}\cdot a\cdot g(x))(b^{-1}\cdot b\cdot h(x))=(ab)^{-1}g'(x)h'(x)$
Per il lemma precedente, il prodotto di g'(x) e h'(x) è primitivo come f(x), e quindi ab deve essere uguale a $\pm 1$, e quindi f(x) è riducibile in $\mathbb {Z} [x]$.

### Dimostrazione alternativa

Un altro modo per dimostrare che un polinomio irriducibile f(x) in $\mathbb {Z} [x]$ sia irriducibile anche in $\mathbb {Q} [x]$, è supporre per assurdo che esista una sua ulteriore scomposizione in $\mathbb {Q} [x]$ (con $\mathbb {Q}$, in generale, il campo delle frazioni di $\mathbb {Z}$ un qualunque UFD (dominio a fattorizzazione unica)).
Supponiamo quindi che esistano $g(x),h(x)\in \mathbb {Q} [x]$ non banali tali che $f(x)=g(x)h(x)$, con grado di g(x) e h(x) positivo. Allora esisteranno $a,b\in \mathbb {Z}$ tali che $ag(x)=g'(x)\in \mathbb {Z} [x]$ e $bh(x)=h'(x)\in \mathbb {Z} [x]$. Quindi possiamo scrivere $abf(x)=g'(x)h'(x)$.
Sia c un fattore irriducibile di ab in $\mathbb {Z}$. Poiché $\mathbb {Z}$ è UFD, allora c sarà primo in $\mathbb {Z} [x]$. Siccome c divide $g'(x)h'(x)$ ed è primo, allora c dividerà $g'(x)$ oppure $h'(x)$.
Senza perdita di generalità, supponiamo che c divida $g'(x)$, cioè $g'(x)=cg'_{1}(x)$ con $g'_{1}\in \mathbb {Z} [x]$. Da $abf(x)=g'(x)h'(x)$ concludiamo
    ${\frac {ab}{c}}f(x)=g'_{1}(x)h'(x)$
Procedendo con gli altri fattori irriducibili di ab, dopo un numero finito di passaggi otterremo
    $uf(x)=g'_{r}(x)h'_{s}(x)$ con $u$ invertibile
Abbiamo quindi trovato una nuova scomposizione di $f(x)$ in $\mathbb {Z} [x]$, assurdo per ipotesi.

## Conseguenze

* Una conseguenza del primo lemma è che l'MCD del prodotto di due polinomi è il prodotto dei loro MCD.
* Il secondo lemma implica che si può determinare l'irriducibilità di un polinomio tra i razionali studiando un polinomio tra gli interi, dove possono essere applicati strumenti come il criterio di Eisenstein.
* Teorema delle radici razionali