形式陈述
设 E 为域 公理库 域 Field 非零元素在乘法下均可逆的交换环。 ,F ⊆ E 。若 F 在 E 的加法、乘法和单位元限制下本身构成域,就称 F 是 E 的子域,并把这层包含写成域扩张
E / F . 读作“E 在 F 上的扩张”。
由于 F 的元素可以作为标量,E 自然成为一个 F -向量空间 公理库 向量空间 Vector space 标量域作用下满足线性公理的加法阿贝尔群。 。它的维数
[ E : F ] = dim F E 称为扩张次数;这里的维数 公理库 维数 Dimension of a vector space 在基存在时,以基的基数度量向量空间的独立方向数。 按 F -向量空间的基计数。若该维数有限,就称 E / F 为有限扩张。特别地,有限扩张 K / Q 称为数域 (algebraic number field);它既要求基域是有理数域,也要求次数有限。
对集合 S ⊆ E ,记 F ( S ) 为 E 中包含 F ∪ S 的最小子域。若 S = { α } ,写作 F ( α ) ,并称为单扩张。这里的“生成”允许加、减、乘和对非零元素取逆:F [ S ] 收集以 S 中元素组成的多项式表达式,F ( S ) 则由这些表达式的分式构成,分母须非零。
元素 α ∈ E 若满足某个非零多项式 f ∈ F [ x ] 的方程 f ( α ) = 0 ,就称 α 在 F 上代数;否则称为超越。若 E 的每个元素都在 F 上代数,则 E / F 是代数扩张。
直觉
域扩张把“在原数系中解不出的方程”放进一个更大的运算世界。x 2 + 1 在 R 中没有根,加入一个满足 i 2 = − 1 的新元素后得到 C 。原有实数仍按原来的规则运算,新元素与它们一起对加、减、乘和非零除法保持封闭。
把 E 看成 F 上的向量空间后,新增元素可以用一组基坐标描述。扩张次数衡量这种描述需要多少个 F -坐标。二次扩张中的每个元素只需两个坐标;高次扩张则需要更多方向。域论由此获得线性代数的维数、基与线性无关工具。
例子与边界
复数域是实数域的二次扩张:
C = R ⊕ i R , [ C : R ] = 2. 基可取 { 1 , i } ,每个复数唯一写成 a + b i 。这里 i 的极小多项式是 x 2 + 1 。
同样,
Q ( 2 ) = { a + b 2 : a , b ∈ Q } 是 Q 的二次扩张。乘法后出现的 ( 2 ) 2 可重新化为 2 ,逆元也留在同一形式中。例如
1 1 + 2 = 2 − 1. 一般地,对非零元素 a + b 2 ,乘以共轭可得
( a + b 2 ) − 1 = a − b 2 a 2 − 2 b 2 . 分母必非零:若 a 2 = 2 b 2 且 b ≠ 0 ,就会得到有理数 a / b 的平方为 2 ;若 b = 0 ,则又有 a = 0 ,均与条件矛盾。
一个通向数域算术的二次扩张
令 s = − 5 。多项式 x 2 + 5 在 Q 中无根,故这个二次多项式不可约。于是 K = Q ( s ) 的基可取 ( 1 , s ) ,次数为 2 ;每个元素唯一写成 a + b s ,a , b ∈ Q 。将 s 2 换成 − 5 ,可直接得到坐标运算
( a + b s ) ( c + d s ) = ( a c − 5 b d ) + ( a d + b c ) s . 非零元素的逆为
( a + b s ) − 1 = a − b s a 2 + 5 b 2 . 分母为零只可能发生在 a = b = 0 ,因此这组坐标确实对除法封闭。例如 ( 1 + s ) − 1 = ( 1 − s ) / 6 ;由 ( 1 + s − 1 ) 2 = − 5 得到 1 + s 满足 x 2 − 2 x + 6 = 0 ,它不是有理数,所以这个二次式就是其极小多项式。
这里允许有理坐标,故 1 / 2 也属于 K 。若要推广整数算术,还需从 K 中选出适当的子环;代数整数与数域整数环 公理库 代数整数与数域整数环 Algebraic integer · Ring of integers of a number field · 数域整数环 用首一整数方程定义代数整数,并通过分母与奇偶性确定二次数域的整数环。 会证明本例恰好得到整数坐标 Z [ s ] 。同一乘法的矩阵行列式则引出数域范数 公理库 数域范数 Number field norm · Field norm over the rationals 将数域元素的乘法视作有理线性算子,以行列式定义范数并用于整数环中的因子约束。 。
有限扩张的边界
超越扩张的行为不同。Q ( t ) 由一个元素 t 生成,但
1 , t , t 2 , t 3 , … 在 Q 上线性无关,因此
[ Q ( t ) : Q ] = ∞ . 这里“一个生成元”计算的是域生成元个数,“无限次”计算的是线性空间维数。1 / t 属于 Q ( t ) ,却不属于多项式环 Q [ t ] 。对于代数元 α ,情况更紧凑:其极小多项式 公理库 极小多项式 Minimal polynomial 以给定代数元为根的首一不可约多项式。 把高次幂化为低次幂,并给出 [ F ( α ) : F ] = deg m α 。
R / Q 也是无限次扩张。若次数有限为 n ,则 R 作为 Q n 的像只能是可数集,与实数不可数矛盾。
推论与应用
若 f ∈ F [ x ] 不可约,则商环 公理库 商环 Quotient ring 按理想的陪集构造的环。
F [ x ] / ( f ) 是域。令 x ― 表示 x 的剩余类,就有 f ( x ― ) = 0 。商构造把“加入一个根”实现为可直接计算的多项式余式运算。
加入一个根未必使多项式完全分解。继续添加剩余根,直到多项式化为一次因子的乘积,得到分裂域 公理库 分裂域 Splitting field 使给定多项式完全分裂且由其全部根生成的最小扩域。 。分裂域把方程的全部根放进同一个最小环境,为比较根之间的代数对称提供基础。
塔式定理 公理库 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。 控制逐层扩张:若 F ⊆ K ⊆ E ,且相关次数有限,则
[ E : F ] = [ E : K ] [ K : F ] . 它使“分阶段添根”的总复杂度可以相乘计算,也给出尺规作图中的次数障碍。例如,只允许连续二次扩张时,最终可构造数的次数必须是二的幂。
有限域 F p n 可以从 F p 上的 n 次不可约多项式构造。域扩张次数在这里同时决定向量空间维数与元素总数:
| F p n | = p n . 数域中的每个元素都在 Q 上代数,因为 1 , α , … , α n 在 n 维空间中必线性相关。反过来,全部代数数构成的 Q ― 不是数域:它含有 x m − 2 的根,而这个多项式由 Eisenstein 判据不可约,因而包含任意高次数的子扩张。逐元素代数不能替代整个扩张有限。
更深一层,Galois 群 公理库 伽罗瓦群 Galois group 固定基域的扩域自同构在复合下形成的群。 记录扩张中保持基域不动的自同构。域扩张把“方程有哪些根”转化为一个对象,Galois 理论再把“这些根如何被对称地置换”转化为群。
参考资料
J. S. Milne, Algebraic Number Theory , v3.08, 2020,导言与 Chapter 2:数域及其整数环。
David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra , 3rd ed., Wiley, 2004, Chapters 13–14.
Michael Artin, Algebra , 2nd ed., Pearson, 2011, Chapters 14–16.
Serge Lang, Algebra , revised 3rd ed., Springer, 2002, field extensions and Galois theory.