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Abstract Algebra

2019-02-09Original-language archivelegacy assets may be incomplete
  • 域: FF 为环, FF^\star 按乘法构成 Abel 群

域的特征和扩张

  • 加法阶
    • FF 加法群的阶为最小的 nn, na=0na=0
    • na=a+a++a=0na=a+a+\cdots+a=0, 最小的 nnaa 的加法阶
    • FF 中非零元的加法阶就是单位元的加法阶
    • e,2e,3e,0e,2e,3e,\dots\not=0, 则称 FF 的特征为 00. ch(F)=0ch(F)=0
    • FF 单位元 ee 的加法阶 p<p<\infty, 则 pp 为素数。ch(F)=pch(F)=p
  • ch(F)=pch(F)=p, 则 σ:mme\sigma:m\rightarrow meZZFF 的环同态,kerσ=pZker\sigma=pZZ/pZ={me:mZ}Z/pZ=\{me:m\in Z\}FF 的最小子域
  • FF 为特征为 pp 的域,则 a1,,amFa_1,\cdots,a_m\in F(a1++am)pn=a1pn++ampn(a_1+\cdots+a_m)^{p^n}=a_1^{p^n}+\cdots+a_m^{p_n}
  • 有限域(Galois 域):FF 中只有有限个元素
    • GF(p)GF(p) 模 p 加乘
    • GF(pw)GF(p^w) 为含 pwp^w 个元素的有限域,多项式系数只能取 p
      • 由本原多项式在乘法下生成
  • qq 元域:恰有 qq 个元素的域
    • qq 元域 FF 中有 xqx=aF(xa)x^q-x=\prod_{a\in F}(x-a)
  • 域的扩张:KKLL 子域,LLKK 扩域, 记为 L/KL/K, 即 LLKK 的扩张
  • 线性空间:VV 是域 FF 上向量空间
    • VV 按加法构成 Abel 群
    • 数乘运算
      • a(x+y)=ax+aya(x+y)=ax+ay
      • (a+b)x=ax+bx(a+b)x=ax+bx
      • 1x=x1x=x
      • (ab)x=a(bx)(ab)x=a(bx)
  • 扩张次数 [L:K][L:K]LL 是数域 KK 上的向量空间,L/KL/K的维数
    • [L:k]=n[L:k]=nLLKKnn 次扩域
    • [L:K]<[L:K]<\inftyLLKK 的有限扩域
  • FFqq 元有限域,则 qq 必为素数幂次;q=pnq=p^n 为素数幂时,必有 qq 元域且任意两个 qq 元域同构,记为 FqF_qGF(q)GF(q)

代数扩张

  • XX 生成的 KK 的扩环(在 KK 上添加 XX 生成的环): L/KL/K 为域扩张,XLX\subset L, 令 K[X]=RL子环,RKXRK[X]=\bigcap_{R为 L 子环,R\subset K\cup X} RLL 包含 KKXX 的最小子环
  • XX 生成的 KK 上扩域:K(X)=KL,FKXK(X)=\bigcap_{K\leq L,F\subset K\cup X}LL 包含 KKXX 的最小子域
    • XX 有限时,K[X]=K[α1,,αn],K(X)=K(α1,,αn)K[X]=K[\alpha_1,\cdots,\alpha_n],K(X)=K(\alpha_1,\cdots, \alpha_n)
    • K[α1,,αn]={P(α1,,αn)}K[\alpha_1,\cdots,\alpha_n]=\{P(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)\}
    • K(α1,,αn)={P(α1,,αn)Q(α1,,αn)}K(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)=\{\frac{P(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)}{Q(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)}\}
    • 单扩张: K(α)/KK(\alpha)/K
  • 代数元:L/KL/K, αL\alpha\in L, 存在 K[x]K[x] 中非零多项式 f(x)f(x), f(α)=0f(\alpha)=0
  • 超越元:非代数元
    • e,πe,\pi
  • L/KL/K, α\alphaKK 上代数元,则 I={g(x)K[x]:g(α)=0}I=\{g(x)\in K[x]:g(\alpha)=0\}K[x]K[x] 的理想。 又 K[x]K[x] 为 PID, 故 II 有唯一的首一多项式 fK[x]f\in K[x] 使得 I=(f)I=(f)。 该首一多项式为 α\alphaKK 上的极小多项式。 极小多项式为 nn 次,则称 α\alphann 次代数元。
  • L/KL/K, {αL:αK上代数元}\{\alpha\in L:\alpha 为K上代数元\}LL 的子域
  • L/KL/K, αL\alpha\in LKKnn 次代数元,则
    • K(α)=K[α],[K(α):K]=nK(\alpha)=K[\alpha],[K(\alpha):K]=n,且 KK 上向量空间 K(α)K(\alpha) 有基底 1,α,α2,,αn11,\alpha,\alpha^2,\cdots,\alpha^{n-1}
    • K[x]/(f)K(α)K[x]/(f)\cong K(\alpha)
  • KK 为域, 若 K[x]K[x] 中次数大于11的多项式均可约,即 nnf(x)K[x]f(x)\in K[x] 可写成 c(xα1)(xαn)c(x-\alpha_1)\cdots(x-\alpha_n) 则称 KK 为代数闭域
    • 任何域 KK 可扩张称一个代数闭域
  • 代数基本定理(Gauss 博士论文证明):C\mathbb{C} 为代数闭域(或可正所有代数数构成代数闭域)
  • L/KL/K, LL 中元都是 KK 中代数元,则称 L/KL/K 为代数扩张。否则称为超越扩张
  • L/KL/K为代数扩张, 则 [L:K]<    [L:K]<\infty \iff 有有限个 KK 上代数元 α1,,αn\alpha_1,\cdots,\alpha_n 使 L=K(α1,,αn)L=K(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)
  • L/ML/MM/KM/K 都为代数扩张,则 L/KL/K 为代数扩张

域的例子

  • Q,R,C\mathbb{Q},\mathbb{R},\mathbb{C}
    • C=R(i)R[x]/(x2+1)\mathbb{C}=\mathbb{R}(i)\cong R[x]/(x^2+1)(Cauchy)={a+bxmod(x+1),a,bR}=\{a+bx \bmod (x^+1),a,b\in \mathbb{R}\}i=xmodx2+1i=x \bmod x^2+1, C\mathbb{C}R\mathbb{R} 上的二维线性空间,1,i1,i 为一组基底
    • Q\mathbb{Q} 上的代数元为 代数数
    • αC\alpha\in \mathbb{C} 为 代数整数 指有首一的正系数多项式使得 f(x)=0f(x)=0
  • pp 为素数, F=Z/pZ\mathbb{F}=\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}
    • Z/pZ[x]Z/pZ[x] 上必有 nn 次不可约多项式,域 Fp[x]/(f)F_p[x]/(f) 中有 pnp^n 个元素