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绸带最终定理

时间:2024-06-18 16:00:30浏览次数:24  
标签:gcd UFD 定理 多项式 绸带 整环 Galois 扩张 最终

复习的东西屁用没有捏。

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

  • 若交换幺环唯二理想为零和自身,则其为域,反之亦然。

  • 若普通幺环唯二理想为零和自身,其不一定为除环。

  • 交换幺环中极大理想的商环为域,而普通幺环中极大理想的商环不一定是除环。

  • 定义于交换幺环中的素理想是 \(ab\in P\implies a\in P\lor b\in P\)​。素理想的商环必是整环。


ED 不是域,因为 $\Z$。
  • PID 不是 ED,因为 \(\Z[\dfrac{1+\sqrt{-19}}2]\)。

  • UFD 不是 PID,因为 \(\Z[x]\)。

  • 整环不是 UFD,因为 \(\Z[\sqrt{-5}]\)。

  • Bezout 性(\((a,b)=(d)\) 总成立,换言之方程 \(ax+by=d\) 总有解)截止到 PID 均有效;UFD 不是 Bezout Domain,然而 UFD ∩ BD = PID。

  • 素理想均极大截止到 PID 均有效;UFD 不满足该性质,然而 UFD ∩ [Prime=Maximal] = PID。

  • prime 等价于 irreducible 截止到 UFD 均有效;整环不满足该性质,然而整环中 prime 必 irreducible。

  • \(\gcd\) 必存在截止到 UFD 均有效;整环中不一定存在 \(\gcd\)。ED 中 \(\gcd\) 可以用 Euclid 算法算,PID 中仅仅模糊地保证了 \(\gcd\) 的存在,UFD 则保证 \(\gcd\) 可以用唯一分解算。

  • 截止到 PID,若 \(d=\gcd(a,b)\) 则 \((a,b)=(d)\);UFD 中 \((a,b)\) 不是主理想,有 \((d)\sub(a,b)\),但是最大的 \((d)\) 还是存在的。


$F$​ 是域推出 $F[x]$​ 是 ED;反之,$F[x]$​ 只需要是 PID 即可反推出 $F$​ 是域。
  • \(F\) 是 UFD 推出 \(F[x]\) 是 UFD。然而,\(F\) 是性质更好的 ED 不能得到任何更有意义的结果,典型例子例如 \(\Z[x]\) 是 UFD 而不是 PID。回退一步,有 \(F\) 是整环推出 \(F[x]\) 是整环。然而,\(F\) 是 ED 虽然仅能保证 \(F[x]\) 是 UFD,但是在 UFD 上可以以最高次项的范数以及多项式系数定义双范数,利用双范数运行 Euclid 算法计算 \(\gcd\)。

  • 在 \(F[x]\) 中,令 \(I\) 是 \(F\) 的理想,则 \((I)=I[x]\) 且 \(R[x]/I[x]\cong(R/I)[x]\)。因此 \(I\) 素推出 \(I[x]\) 素,因为整环的多项式环仍是整环;然而,\(I\) 极大无法推出 \(I[x]\) 极大,因为域的多项式环不是域。相反,\(I\) 极大只能推出 \((I,x)\) 极大,后者非常不牛:其是常数项为 \(I\)、更高次项为 \(R\) 的全体多项式。

  • Gauss's Lemma 指出,整环的多项式环中不可约的本原(所有系数 \(\gcd\) 为 \(1\))多项式,可以推出在整环对应分式域上多项式环中亦不可约。本原性的要求是因为 \(\gcd\) 若非 \(1\)(即 unit),则其可以提出 \(\gcd\),而该 \(\gcd\) 在分式域上会变成 unit 不影响可约性。

  • 对于真理想 \(I\),若多项式的 leading coefficient 在 \(R/I\) 中未被映到 \(0\),则 \((R/I)[x]\) 下的像不可约推出 \(R[x]\) 下不可约;进一步(这步需要手动证明),若 \((R/I)[x]\) 下的像被分解为若干 irreducible,则 \(R[x]\) 下的 factorization 中的每个 factor,都是 \((R/I)[x]\) 中,像的若干 factor 之积的原像。这意味着,例如若四次多项式在某个 \((R/I)[x]\) 下分成不可约三次与一次多项式之积,则其不可能再在 \(R[x]\) 下分成不可约二次与二次多项式之积。

  • Eisenstein Criterion 指出,对于素理想 \(P\),若 monic 多项式满足除首项外所有系数均属于 \(P\) 但常数项系数不属于 \(P^2\),则多项式不可约。进一步(这步需要手动证明):在多项式非 monic 的场合,只需保证首项不属于 \(P\) 即可。


$[K:F]=[K:M][M:F]$。
  • 对于 \(K/M/F\),若 \(K/M\) 和 \(M/F\) 均代数则 \(K/F\) 亦代数,反之亦然。然而,这个性质把代数扩张换成某些其它东西不一定对。

  • 代数扩张的交、复合均仍是代数扩张。因此可以定义代数闭包,即极大代数扩张。

  • 有限扩张必是代数扩张,反之不亦然(\(U_\infty\))。

  • 有限正规扩张等价于分裂域。

  • 对于 \(K/M/F\),\(K/F\) 正规推出 \(K/M\) 正规,但是无法推出 \(M/F\) 正规。反之亦然,即 \(K/M,M/F\) 正规无法推出 \(K/F\) 正规。【例:\(\Q(\sqrt[4]2)/\Q(\sqrt2)/\Q\)】

  • 正规扩张的交、复合均仍是正规扩张。因此可以针对一个代数扩张定义其进一步扩张得到的正规闭包,即极小正规扩张。

  • 完美域上,一切代数扩张都是可分扩张。可分扩张的交仍是可分扩张。通过引入 Galois 理论,可以证明:由有限个可分元生成的扩张是可分扩张,进而有限可分扩张的复合仍是可分扩张。同理可以证明可分扩张的继承性,即 \(K/M,M/F\) 可分可以推出 \(K/F\) 可分(然而正规扩张没有该性质,因此 Galois 扩张也没有)

  • Galois 扩张作为正规扩张和可分扩张的共存体,满足所有二者共持有的性质。因此自然有 \(K/M/F\) 中,\(K/F\) Galois 推出 \(K/M\)​ Galois,以及 Galois 扩张的交和复合仍是 Galois 扩张。特别地,对可分扩张求正规闭包,可以得到该可分扩张的最小 Galois 扩域,即 Galois 闭包。完美域上的有限正规扩张(也即求分裂域),不论求分裂域的对象是否可分或不可约,总是 Galois 扩张。


  • 对于一切扩张,均有 \(|\Aut(K/F)|\leq[K:F]\)。当且仅当 Galois 扩张的场合,取等。

  • 对于 \(\Aut(K)\) 的一切子群 \(H\),总有 \(H\) 固定域再求自同构群回到 \(H\)。反之,当且仅当 Galois 扩张的场合,有 \(\Gal(K/F)\) 求固定域回到 \(F\)。

  • \(\Aut(K/F)\) 上的每个自同构必然把 \(F\) 上代数元 \(\alpha\) 映到其极小多项式的另一个根。特别地,当 \(K/F\) Galois 时,\(\alpha\) 被映到的元素称作 \(\alpha\) 的 Galois 共轭,而全体不同的 Galois 共轭即为 \(\alpha\) 极小多项式的全体根。

  • Galois 定理补充了 \(K/M/F\) 中,\(K/F\) Galois 推出 \(M/F\) Galois 的条件,即 \(\Gal(K/M)\unlhd\Gal(K/F)\)。


  • 本原元定理:有限扩域是单扩域当且仅当其有有限个中间域。

  • Artin 本原性定理:有限可分扩张是单代数扩张。

标签:gcd,UFD,定理,多项式,绸带,整环,Galois,扩张,最终
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