形式陈述
生成元的像不能随便指定
若把 送到 ,有理数保持不动,四则运算仍然相容;若送到 ,关系 就被破坏了。极小多项式理路极小多项式Minimal polynomial以给定代数元为根的首一不可约多项式。先限制像的候选,而本页证明这些候选何时真的能定义整个域上的映射。
设 与 是域扩张。一个 -嵌入 是逐点固定 的保幺环同态理路环同态Ring homomorphism保持加法与乘法的映射;保持单位元时称为保幺环同态。。它自动单射:若 而 ,则
矛盾。这也说明保幺条件不能遗漏。 是目标域,未必等于 ;只有当像恰为 时,才能把这样的映射称为 的自同构。
直觉
单扩张:根与嵌入一一对应
设 在 上代数,极小多项式为 。则映射
给出从全部 -嵌入 到 在 中的不同根的一一对应。这里要求目标域中实际存在这个根;不能只凭次数就保证有那么多嵌入进入一个较小的目标域。
必要性来自保多项式关系:。唯一性来自生成性:,所以每个元素都是 的多项式,像必须为 。
存在性的关键是良定义。给定 ,打算令
若同一个元素又写成 ,则 ;代入 得 ,因此输出不依赖表达式。求值保持加、乘和 ,故这是域嵌入,其像恰为 。用商环理路商环Quotient ring按理想的陪集构造的环。语言说,就是 的求值映射。
对有分母的表达式,同一映射满足
分母不会突然为零,因为嵌入单射,而原先 。这补全了“指定一个根,就指定全部四则运算”的含义。
例子与边界
多个生成元:下一层多项式的系数也要搬走
设已经有嵌入 ,现在要添入代数元 。记它在 上的极小多项式为
延拓 到 时, 的像必须是
在 中的根。每个这样的根都给出唯一延拓:对 使用 ,再按上一节检查良定义。 在 中仍不可约,因为系数同构会把任何分解搬回 的分解。
取 、。在塔
中,第一层由 定义;第二层的极小多项式是 。第二层确为二次: 由Eisenstein理路Eisenstein 不可约判据Eisenstein criterion · Eisenstein's irreducibility criterion · 艾森斯坦判据用一个素数对各系数及常数项平方整除的约束,排除有理系数中的所有正次数因式分解。在 上不可约,故总次数为 ,塔式定理给第二层次数 。
进入 时,若第一步选 ,第二步可选 或 ;若第一步选 ,第二层方程必须随之变成 ,于是只能选 或 。总共得到四个嵌入。
不能先写 ,再任意选择 ;这会把 变成 。这个例子说明“给每个生成元任选一个原来的共轭根”可能产生非法组合。必须沿已经选定的系数映射逐层检查。
系数也要跟着嵌入一起移动 图中的 是 的正四次根,;蓝框显示当前方程,红色标出随系数映射改变的符号,绿框给出全部合法根。左支的像仍为实数,右支进入复数域;箭头表示延拓步骤,不是域的包含关系。
这四个嵌入中,只有 的像等于实域 ;另外两个像包含非实数 。因此嵌入到 的个数是 ,内部自同构个数却是 。两种计数回答不同问题。
推论与应用
计数定理,不预先借用本原元
设 有限, 是 的一个代数闭包理路代数闭包Algebraic closure在不加入超越元素的前提下,使基域上的所有代数方程都能获得全部根的扩域。:它在 上代数,并且 系数的每个非常数多项式都能在其中找到根。固定这个足够容纳全部代数根的目标后,便有
等号成立当且仅当 可分理路可分扩张Separable extension · 可分域扩张扩张中每个代数元的最小多项式都没有重根,从而保留足够多的不同共轭嵌入。。证明可以沿有限生成塔完成,无须先声称整个扩张已经由一个元素生成。
选有限组生成元 ,例如取一组向量空间基,并令 。每个 的嵌入,至多有 个延拓,因为下一层多项式的不同根不超过次数。逐层相乘并用塔式定理理路扩张次数与塔式定理Extension degree · Tower law · 扩域次数以向量空间维数度量域扩张,并将一座有限扩张塔的次数分解为逐层次数之积。,得到总上界。
若 可分,则 在 上的极小多项式整除它在 上无重根的极小多项式,故也无重根。传递系数后仍无重根:可用 的互素证书一起传递。目标为代数闭包,所有根都存在,于是每一步恰好有次数那么多延拓,总数等于 。
反之,若存在不可分的 ,就把 放在生成塔第一步。第一层不同根数严格小于 ,后面的每层仍至多给相应次数的倍增;因此总数严格小于 。这也证明了等号的逆方向。
重根不会制造新的映射
令 ,。多项式 在 中不可约,可在 UFD 上以素元 使用 Eisenstein 的同一证明;故扩张次数为 。在代数闭包中却有
只有一个不同的根,所以只有一个 -嵌入。重数 记录的是同一个根重复出现,不是 种不同的选择。
对于 ,相反地,其四次极小多项式有四个不同根 ,每个根都给出一个嵌入。所有这些根还都留在 内,故四个嵌入全是自同构;具体坐标、全枚举与换基证书可以在单元终点中逐项核验。
自测:换目标与换基域
仍取 。进入 的 -嵌入有几个?只有两个,对应实根 。若目标保留 ,但要求固定 ,又有几个?也只有两个,因为 必须保持不变。两个答案相同,限制的原因却不同:前者限制目标位置,后者限制哪些系数必须固定。
参考资料
- J. S. Milne,Fields and Galois Theory,v5.10,2022,Chapter 2,Proposition 2.1(b),印刷页27;Proposition 2.4(b),页28:单扩张嵌入以及随基域同态传递系数的版本。
- The Stacks Project Authors,Fields, §9.12: Separable algebraic extensions,Lemmas 9.12.8–9.12.11:有限生成塔中的根选择、计数与可分性的充要条件。
- Keith Conrad,Separability,§3,Theorem 3.8:目标域、延拓数上界与可分时扩大目标后的等号。无限扩张的延拓与 Zorn 论证另见无限 Galois 对应理路无限 Galois 对应Infinite Galois correspondence · Krull topology · Krull 拓扑以有限子扩张上的限制定义 Krull 拓扑,证明中间域与闭子群反序对应,并在有限域代数闭包中显式构造稠密真 Frobenius 子群。,不是这里的必需入口。