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虞伦尧伊

时间:2024-06-17 16:11:23浏览次数:7  
标签:多项式 正规 虞伦尧 Galois alpha 扩张 代数

标题释义:虞(舜)的功绩,可以与尧和伊尹并列。

\[\newcommand{\Aut}{\operatorname{Aut}} \newcommand{\Gal}{\operatorname{Gal}} \]

域扩张的阶数,为以域扩张基域中元素为线性组合系数时,基底大小。

对于不可约多项式 \(p(x)\),\(F[x]/(p(x))\) 是 \(F\) 的域扩张。令 \(\alpha\) 为 \(p(x)\) 的任一根,则该扩张即为单代数扩张 \(F(\alpha)\)。同时,\(p(x)\) 为 \(\alpha\) 的极小多项式。

假如 \(F\cong F'\),\(p(x)\in F[x]\) 在该同构下的像为 \(p'(x)\)。考虑 \(E/F\) 与 \(E'/F'\),该同构被扩充至 \(E\cong E'\) 上,且 \(E\) 上包含 \(\alpha\),\(E'\) 上包含 \(\alpha'\),则 \(F(\alpha)\cong F'(\alpha')\),均同构于 \(F[x]/(p(x))\) 或 \(F'[x]/(p'(x))\)。也即,所有根在代数意义下不可区分。

有 \(F[x]/(p(x))\cong F'[x]/(p'(x))\)。

\(F[x]/(p(x))\) 的阶数与多项式的阶数相同,且令 \(x\) 在自然同态下的像为 \(\theta\),则 \(1,\theta,\dots,\theta^{n-1}\) 构成 \(F[x]/(p(x))\) 的基。

代数元是那些可以被写成多项式的根的元。我们事实上绝大多数时候都仅考虑代数元不考虑超越元。

代数元的加减乘除均是代数元:因为 \(F(\alpha,\beta)\) 是域。因此所有代数元成域。

代数元当且仅当单代数扩张是有限扩张,此时 \(1,\alpha,\dots,\alpha^n\) 初次线性相关的 \(n\) 即同为 \(\alpha\) 和扩张的阶数。

由此得到推论,有限扩张必是代数扩张;但是存在无限代数扩张。【取 \(U_n\) 为全体不高于 \(n\) 次单位根张成的域,然后令 \(n\to\infty\),即得无限代数扩张】

\([E:F]=[E:K][K:F]\),把基展开两次即证。

复合域 \(K_1K_2\) 为包含 \(K_1K_2\) 的最小扩域。易知 \([K_1K_2:F]\leq[K_1:F][K_2:F]\),其中当且仅当一个域的基底在另一个域上线性无关。

特别地,假如 \(K_1/F\) 或 \(K_2/F\) 二者之一是 Galois 的,可知 \([K_1K_2:F]=\dfrac{[K_1:F][K_2:F]}{[K_1\cap K_2:F]}\)。此时,只要 \(K_1,K_2\) 无交,则取得等号。

特别地,如果两扩张的阶数互质,则必取等。

分裂域是 \(f(x)\) 完全分解但是在任何子域中均不完全分解的域。

每次剥一个项下来,可知同构域上相对应多项式的分裂域同构。推论为分裂域唯一。

正规扩张是所有不可约多项式要么完全分解,要么仍不可约的扩张。

有限正规扩张等价于某个多项式的分裂域。

分裂域 \(E/F\) 是正规扩张:若 \(\alpha\in E\) 是根,则 \(F(\alpha)(f)=E(\alpha)\cong E\)。不可约 \(g\) 除 \(\alpha\) 外的另一个根是 \(\beta\),则 \(F(\beta)\cong F(\alpha)\),且 \(F(\beta)(f)\cong E\),于是 \(\beta\in E\)。

反之,有限正规扩域可以被解释为所有生成元的极小多项式之积,其分裂域。

正规扩张的等价定义:\(E/F\) 是正规扩张,当且仅当 \(\Aut(\bar F/F)\) 固定 \(E\),其中 \(\bar F\) 是代数闭包。

正规扩张的交仍是正规扩张。因此可以定义正规闭包,即极小正规扩张。

正规扩张有继承性,即若 \(K/M/F\) 中有 \(K/F\) 正规则 \(K/M\) 正规。证明靠把 \(K/F\) 写成分裂域证。

代数闭包是所有多项式均完全展开的闭包。可知:所有正规扩张均包含正规闭包,且所有正规扩张均包含于代数闭包。

可分多项式无重根。可分多项式可以经由定义导数,然后求 \(\gcd(f(x),f'(x))\) 计算:若 \(\gcd\) 为 \(1\) 则可分,否则不可分。

完美域是不可约多项式等价于可分多项式的域。首先,不可约多项式不可分,若其导数为零;有且仅有 \(x^{kp}\) 其中 \(p\) 是特征这些项导数为零,因此可分不可约的多项式必然可以写成 \(f(x^p)\) 的形式。若域中所有元素都可以开 \(p\) 次根则其可以写成 \(g(x)^p\) 进而可约。于是,满足所有元素可以开 \(p\) 次根的域是完美域。有限域的场合由 Frobenius 自同构可知能开根。于是有结论:

  • 所有有限域和零特征域都是完美域。

可分扩张是所有元素均为可分多项式根的扩张。换言之,所有极小多项式都可分。进而,完美域上所有代数扩张均为可分扩张。

对于代数元 \(\alpha\),所有在 \(F\) 任一含 \(\alpha\) 的 Galois 扩张中,保 \(F\) 自同构 \(\sigma\) 下的 \(\sigma\alpha\),构成 \(\alpha\) 极小多项式的全体根(但不一定仅出现一次)。

例如,已知 \(K_1/F\) 和 \(K_2/F\) Gal 群的结构,则可以用它们的直积得到 \(K_1K_2/F\) Gal 群的结构。比如说计算 \(\sqrt 2+\sqrt[3]3\) 的极小多项式时,注意 \(\sqrt2\) 在 Galois 扩张 \(\Q(\sqrt2)/\Q\) 中,\(\sqrt[3]3\) 在 Galois 扩张 \(\Q(\omega_3,\sqrt[3]3)/\Q\) 中,因此 \(\sqrt2\) 仅能被映到 \(\pm\sqrt2\),\(\sqrt[3]{3}\) 仅能被映到 \(\rho^k\sqrt[3]3\),可知该六根即为极小多项式全体根。

在任一扩张中,中间域总是与自同构群的子群存在对应关系,但是仅在 Galois 扩域中该对应是一一对应。同时,小群固定大域,因此其满足反包含关系。

若 \(E\) 是不可约 \(f(x)\) 分裂域,则 \(|\Aut(E/F)|\leq[E:F]\),因为 \(|\Aut(E/F)|\) 等于不可约 \(f(x)\) 的本质不同根数目(每个映射唯一地把 \(\alpha\) 映到某个 \(\beta\)),通过将可约的 \(f(x)\) 拆成不可约因子之积,得到上式对一切 \(f(x)\) 成立,且在 \(f(x)\) 可分时取等。事实上,\(|\Aut(E/F)|\leq[E:F]\) 对于一切 \(E\) 而非仅仅是分裂域(正规扩张)成立,不过那时的证明更复杂。

通过一坨 character 的分析可知,对于 \(\Aut(K)\) 子群 \(G\),令其固定域为 \(F\),则 \([K:F]=|G|\)。因此,对于任一扩张 \(K/F\),均有 \(|\Aut(K/F)|\leq[K:F]\)。

进一步分析最终可得有限 Galois 扩张的等价条件:

  • 有限正规可分扩张。
  • \(F\) 恰为 \(\Aut(K/F)\) 的固定域。
  • \([K:F]=|\Aut(K/F)|\)。

Galois 基本定理指出:

  • 对应反包含关系。
  • \([K:E]=|H|\) 且 \([E:F]=|G:H|\),其中 \(E\) 是 \(K/F\) 中间域,\(H\) 是其双射的 \(\Gal\) 群。
  • \(K/E\) 总是 Galois 的,而 \(E/F\) 是 Galois 的当且仅当 \(H\unlhd G\),此时 \(\Gal(E/F)\cong G/H\)。一般地,就算 \(H\not\unlhd G\) 也有 \(E/F\) 的自同构与陪集 \(\sigma H\) 一一对应。
  • \(E_1\cap E_2\) 一一对应 \(\lang H_1,H_2\rang\),\(E_1E_2\) 一一对应 \(H_1\cap H_2\)。

一些针对 Galois 扩张的特殊结论:

  • 若 \(K/F\) Galois,\(E/F\) 任意,则 \(KE/E\) Galois 且 \(\Gal(KE/E)\cong\Gal(K/(K\cap E))\)。
  • 推论为 \([K_1K_2:F]=\dfrac{[K_1:F][K_2:F]}{[K_1\cap K_2:F]}\)。

任意扩张有正规闭包,即极小正规扩域。则对可分扩张取正规闭包可得 Galois 闭包。

剩下一坨玩意没意义。

标签:多项式,正规,虞伦尧,Galois,alpha,扩张,代数
From: https://www.cnblogs.com/Troverld/p/18252620

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