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定义Definition

分解群与惯性群

Decomposition group · Inertia group

Galois 群在素理想上的稳定子给出分解群,剩余域作用的核给出惯性群,并在一个二次域中算出三种情形。

形式陈述 ​

设 K/Q 为有限 Galois 扩张,G=Gal(K/Q),选定 p 上方的素理想 P⊂OK。分解群是这个素理想的稳定子:

DP={σ∈G:σP=P}.

只有稳定 P 的自同构才能在同一个剩余域 kP=OK/P 上定义作用。惯性群为该作用的核:

IP={σ∈DP:σ(a)≡a(modP) 对所有 a∈OK}.

约化映射给出短正合列

1⟶IP⟶DP⟶Gal(kP/Fp)⟶1.

若 分歧指数、剩余次数为 e,f,上方素理想有 g 个,则

|IP|=e,|DP|=ef,[G:DP]=g.
直觉

在素理想上的群作用中,一个 Galois 自同构可能把所选的素理想送到另一个位置。分解群先保留“位置不变”的对称;在这些对称里,惯性群再挑出“连剩余数值也不改变”的部分。

所以分解群同时含有剩余域扩张和分歧两方面的信息。商掉惯性群后,只剩有限域上的可见对称;被商掉的核对应在模素理想以后看不见的分歧。

例子与边界

固定 K=Q(13),θ=(1+13)/2,则

G={1,σ},σ(θ)=1−θ.

下面三个素数的行为都能由同一个公式算出。

3 完全分裂:稳定子已平凡 ​

(3)=PQ,其中 P=(3,θ)、Q=(3,θ−1)。共轭 σ 交换两个素理想,因为把 θ 变成 1−θ。因此

DP={1},IP={1}.

有 g=2,e=f=1,所有群阶与 gef=2 一致。

2 惰性:有剩余域对称,没有惯性 ​

P=(2) 是唯一上方素理想,所以 DP=G。剩余域为 F4,令 θ¯ 为 X2+X+1 的根,则

θ¯2=θ¯+1.

约化后的 σ 满足

σ(θ)―=1−θ¯=1+θ¯=θ¯2,

是非平凡的平方自同构,故作用的核平凡:IP=1。因此 e=1,f=2。唯一一个素理想并不意味着全部 Galois 群都是惯性群。

13 分歧:剩余域看不见非平凡共轭 ​

此时 (13)=P2,P=(13,θ−7),剩余域为 F13。仍只有一个上方素理想,所以 DP=G。但在剩余域中

σ(θ)―=1−7=−6=7=θ¯.

非平凡共轭也作用为恒等,因此 IP=G。现在 e=2,f=1,与惰性情形恰好把两部分大小交换了。

推论与应用

群阶公式的机制 ​

Galois 群传递地作用于 p 上方的素理想,所以轨道—稳定子公式给出 [G:D]=g。Galois 情形中所有 e,f 相同,又有 gef=[K:Q]=|G|,于是 |D|=ef。

约化映射满射不是单从“这是群作用”就能推出的。有限 Galois 扩张的正规性保证剩余域自同构可以提升到所选素理想处的对称;也可在局部完成后利用正规扩张和剩余域的可分性证明。有限域 Galois 群阶为 f,所以核的阶为 |D|/f=e,得到惯性群公式。

若换选 Q=τP,则

DQ=τDPτ−1,IQ=τIPτ−1.

因此在非交换 Galois 群中,具体子群依赖上方素理想,只在共轭意义下由 p 决定。若扩张不是 Galois,不能直接写这些群阶公式;这时应先考虑正规闭包或逐个局部扩张。

当 e=1 时,惯性群平凡,分解群与有限域 Galois 群同构。有限域的 p 次幂映射便唯一提升为 Frobenius 元素,这是下一页的出发点。

参考资料
关系图谱14 个相邻概念 · 2 类关系

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