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定理Theorem

Artin–Schreier 扩张与极点约化

Artin-Schreier cyclic extensions · Artin–Schreier classes and pole reduction · 阿廷–施赖尔扩张

用正特征加法类认证循环添根和同域转换,在素域有理函数的单极点输入上给出终止约化、唯一规范剩余及不可约证明。

形式陈述 ​

正特征中的平移型添根 ​

在 特征 p>0 的域 K 中,Xp−a 的导数为零,添根可能不可分。若换成

(1)Fa(X)=Xp−X−a,

导数恒为 −1,根就互不相同。只要找到一个根 α,另外的根全部是 α+c,c∈Fp。于是一个根已经容纳全部根。

定义加法映射

℘:K⟶K,℘(b)=bp−b.

因为 (b+c)p=bp+cp,且素域标量满足 cp=c,它是 Fp-线性的。以 ℘(K) 为零类得到加法商空间 K/℘(K);[a]=[a′] 的意思就是 a−a′=bp−b 对某个 b∈K 成立。

循环添根定理。 在固定代数闭包中令 La=K(α)、αp−α=a。则 La/K 是 Galois 扩张,而且

(2)[La:K]={1,a∈℘(K),p,a∉℘(K).

后一种情形的群为阶 p 的 循环群,可选生成元 σ(α)=α+1。特别地,Xp−X−a 要么在 K 中完全分裂,要么不可约;不会出现介于两者之间的因子次数。反过来,任意特征 p 的 p 次循环扩张都由这种方程生成。

同域定理。 对 a,a′∉℘(K),有

(3)La=La′⟺[a′]=c[a]对某个 c∈Fp×.

等价地,存在 b∈K 使 a′=ca+℘(b),并可取生成元

(4)α′=cα+b,α=c−1(α′−b).

所以决定一个非平凡扩张的是加法商空间中的一维子空间,而不是某个唯一的非零参数类。

直觉

根之间的差决定自同构 ​

若 α 是式(1)的根,逐个代入可得 α+c 也是根。它们共 p 个且互异,已经达到多项式的次数,因此就是全部根。K(α) 是可分分裂域;其自同构满足 τ(α)−α∈Fp。

映射

(5)τ⟼τ(α)−α

是到 (Fp,+) 的单射群同态:复合时两次平移相加,而固定 α 就固定整个生成域。目标群只有平凡子群和自身,所以扩张次数只能是一或 p。次数一等价于根已在 K 中,也就是 a∈℘(K);若次数为 p,式(1)已经是极小多项式。这完成式(2),没有把一般“无根”误当成高次不可约判据。

从任意循环扩张反造平移生成元 ​

给定 p 次循环扩张 L/K 和生成元 σ。相对迹满足 T(−1)=−p=0,所以 加法 Hilbert 90构造出 β 使

(6)β−σ(β)=−1,σ(β)=β+1.

于是 β,β+1,…,β+(p−1) 互异,故 β 有 p 个共轭,生成整个 L。并且 σ(βp−β)=βp−β,由 固定域结论,βp−β∈K。这里用迹一辅助元素作加权和,整个构造没有除以在 K 中等于零的 p。

为什么同域对应同一条直线 ​

若 La=La′,选 σ(α)=α+1。由于 α′ 也生成这个 p 次域,σ(α′)=α′+c 中的 c∈Fp 不能为零。这样 α′−cα 被 σ 固定,属于 K,记为 b。对 α′=cα+b 计算 p 次幂减自身,得到 a′=ca+℘(b)。

反方向直接代入式(4),便有 (α′)p−α′=ca+℘(b),而逆仿射表达式证明两个根生成同一个域。非零标量 c 的条件保证逆式存在;若允许 c=0,输出根就在 K 内,会把一个非平凡扩张丢掉。

例子与边界

单极点输入可以完整约化 ​

取 K=Fp(t)。考虑有限表达式

(7)a(t)=a0+∑j=1Majt−j,aj∈Fp.

它只可能在 t=0 有极点;t=∞ 处没有极点。若 apk=c≠0,就减去

(8)℘(ct−k)=ct−pk−ct−k.

这消掉指数 pk 的项,只改变更小的指数 k。从 M 向下一次处理每个指数:遇到能被 p 整除的非零项就做此步,遇到其余项则保留。有限次后得到

(9)a=r+℘(B),r=a0+∑j≥1p∤jrjt−j,B∈Fp[t−1].

累积每一步的 ct−k 就得到 B。相应根应作 γ=α−B,才能使 γp−γ=r;若把根的平移符号写反,参数恒等式一般不会保持。

为什么剩余是唯一证书 ​

有理函数 h 在某一点有阶 m>0 的极点时,hp 的极点阶为 pm,而 h 的阶仅为 m。两者最高项不可能抵消,所以 ℘(h) 在该点的极点阶是 pm。这个论证适用于每个有限不可约多项式所定义的位置,也适用于无穷远位置。

若两个式(9)的剩余 r,r′ 相差 ℘(h),它们的差只可能在零点有极点,在无穷远没有极点。因此 h 也不能在其他位置或无穷远有极点。把 h 写成既约有理函数,其分母只能是 t 的幂,且分子次数不超过分母次数,所以 h∈Fp[t−1]。

若 h 有非零的负幂项,取最高极点阶 m,则 ℘(h) 的最高极点阶为 pm。但非零的 r−r′ 的最高负幂指数不被 p 整除,矛盾。因此 h 只能是 Fp 常数,℘(h)=0,所以 r=r′。

这证明了完整判定:对式(7)的输入,a∈℘(K) 当且仅当规范剩余 r=0。若 r 是非零常数,也不可忽略;Fp 中每个常数的 p 次幂减自身都为零。约化只对这里的系数域和单极点输入作此承诺,不把一般 K 的商空间偷偷识别为同一张表。

F₃(t) 的不可约与同域证书 ​

令

a=t−4+2t−3+t−1,B=2t−1.

在特征三中,℘(B)=2t−3+t−1,所以规范剩余是 r=t−4。若 α3−α=a,则

(10)γ=α−2t−1,γ3−γ=t−4.

极点阶四不被三整除,故 r∉℘(K),扩张次数严格为三。这份证明排除了所有有理函数原像,不是只在有限次数的候选中搜索。

取 δ=2γ,则 δ3−δ=2t−4,并由 γ=2δ 得到同一个域。反之,若 η3−η=t−1 与前者同域,就应有 t−1−ct−4∈℘(K),其中 c=1 或 2;这两个差的规范剩余都非零,且最高极点阶仍为四,因此两个域不同。

系数表在素域 F₃ 中计算,右侧蓝点表示 3m 型极点阶,省略更大的三倍数;四阶障碍排除全部有理函数原像。

极点次数被 p 整除时不能直接下结论 ​

在 F3(t) 中,参数 t−3 的最高极点阶被三整除,但它不因此可解。减去 ℘(t−1)=t−3−t−1 后,剩余为 t−1,仍不可约。

相反,参数 t−3−t−1 的剩余为零,方程已有根 t−1,并在基域内分裂。两个输入的初始最高极点阶相同,约化后的类才给出准确判断。

推论与应用

有限域判据与函数域判据如何接上 ​

若 K=Fpm,旧 有限域迹范数已经给出

(11)a∈℘(K)⟺TrK/Fp(a)=0.

这里只需将它作为现成工具,再代入式(2)。所以有限域上的 Xp−X−a 由绝对迹决定分裂或不可约;有理函数域则可使用极点规范,不能在后者无条件套有限域计数。

例如在基域 F3 中,参数 1 的迹为一,故 X3−X−1 不可约,添根得到 F27。到了新域中,相对迹 T(1)=0,方程 σ(b)−b=1 可解,取 b=θ 即可。这不是两种判据冲突:前者问根是否已在 F3,后者问新域内的 Frobenius 差方程。

可复算的约化与比较流程 ​

用稠密系数数组存式(7),长度为 M+1。从 M 降到一,每个位置最多做一次消项,故至多 O(M+1) 次 Fp 运算,保存参数、剩余和 B 需要 O(M+1) 个系数槽。常数输入 M=0 也包含在内。这个界以稠密输入为准;如果指数用二进制稀疏表示,不能把 M 当作输入长度。

比较两个非平凡单极点参数时,先算其唯一剩余 r,r′,再检查是否有 c∈Fp× 使 r′=cr。若有,原约化记录会直接给出式(4)的 b;若没有,不同的规范剩余就是拒绝同域的有限证书。这个流程同时处理根的构造、类的判等和扩张的判等,三者输出各自不同。

参考资料
  • The Stacks Project Authors,Fields, §9.25: Artin–Schreier extensions,段首与 Lemma 9.25.1:根的平移、自同构群及任意 p 次循环扩张的生成元。原文由线性算子的极小多项式证明逆方向,本页改用已经构造好的加法 Hilbert 90。
  • J. S. Milne,Fields and Galois Theory,v5.10,2022-09,Aside 5.29(b),印刷页75:正特征循环添根的不可约及分类入口。本页的单极点规范由式(8)及最高极点阶逐步证明,不要求预先掌握分歧理论。
  • Romyar Sharifi,Algebraic Number Theory, Chapter 1,Proposition 1.3.13:加法 Hilbert 90;本页式(6)明确采用与 b−σ(b) 版本相配的负号输入。
关系图谱16 个相邻概念 · 2 类关系

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