形式陈述
设 L = F q n 、K = F q ,T = Tr L / K 为相对迹 理路 有限域的相对迹与范数 Relative trace and norm of finite fields · Absolute trace of a finite field 在有限特征中计算相对与绝对迹范数,证明满射和塔式公式,并用迹零条件判定Frobenius差方程能否求解。 。定义
B ( u , v ) = T ( u v ) , u , v ∈ L . 它是非退化的对称 K -双线性形式 理路 双线性映射与形式 Bilinear map · Bilinear form 对两个向量变量分别线性的映射;值域为标量域时称双线性形式。 。对任意有序 K -基 E = ( e 0 , … , e n − 1 ) ,存在唯一有序基 E ∗ = ( e 0 ∗ , … , e n − 1 ∗ ) ,使
T ( e i e j ∗ ) = δ i j . 称 E ∗ 为 E 的迹对偶基 。这里 e j ∗ 本身属于域 L ;它通过 u ↦ T ( u e j ∗ ) 表示对偶空间 理路 对偶空间 Dual space 给定向量空间到标量域的全部线性泛函组成的向量空间。 中的坐标泛函。于是任意 u ∈ L 都可从迹读数恢复:
u = ∑ j = 0 n − 1 T ( u e j ∗ ) e j . 对偶基依赖底域及有序基,但配对本身不依赖坐标。它不要求 E 是正规基、正交基或幂基,也不要求扩张次数在 K 中非零。
直觉
只测 T ( u ) 通常丢失大部分信息:n > 1 时其核有 q n − 1 个元素。对偶基提供 n 个经过设计的测试元素。先让 u 分别乘上这些元素,再取迹,每个读数就准确留下一个坐标,其余坐标全部消掉。
非退化保证不会有某个非零元素永远逃过所有测试。有限域的迹是满射,所以可以先选 c ∈ L 使 T ( c ) = 1 。对任何非零 u ,取测试元素 v = c / u ,就有 B ( u , v ) = 1 。这比直接取 u − 1 更稳妥:后者只得到 T ( 1 ) = n ⋅ 1 ,当特征整除 n 时可能为零。
数域的不同理想 理路 数域的不同理想 Different ideal · Codifferent 整数环的迹对偶是余不同理想,其逆为不同理想;显式求 Q(√13) 的对偶基,并用导数与局部分歧指数核验。 已经给出数域整数基的 Gram 逆与迹对偶算例。有限域没有那里的整数格和分母整性问题;这里沿同一双线性接口补齐正特征下的非退化依据、任意坐标的恢复公式,以及可直接计算幂基对偶的导数证明。
例子与边界
十六元域:迹为零的1仍能被检测
令 L = F 2 [ a ] ,其中 a 4 = a + 1 。先以 F 2 为底域,写 T = Tr L / F 2 。已经知道
T ( 1 ) = T ( a ) = T ( a 2 ) = 0 , T ( a 3 ) = 1. 由 T ( x 2 ) = T ( x ) 得 T ( a 4 ) = 0 、T ( a 6 ) = 1 ,再由 a 5 = a 2 + a 得 T ( a 5 ) = 0 。因此幂基 E = ( 1 , a , a 2 , a 3 ) 的配对矩阵和逆矩阵为
G = ( T ( a i + j ) ) 0 ≤ i , j ≤ 3 = ( 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 ) , G − 1 = ( 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 ) . 逐列乘回可得 G G − 1 = I ;这里所有运算都在 F 2 中。把 G − 1 的列解释为 E -坐标,得到
E ∗ = ( 1 + a 3 , a 2 , a , 1 ) . 于是 u = c 0 + c 1 a + c 2 a 2 + c 3 a 3 的四个坐标分别为
c 0 = T ( u ( 1 + a 3 ) ) , c 1 = T ( u a 2 ) , c 2 = T ( u a ) , c 3 = T ( u ) . 例如 u = 1 + a + a 3 给出读数 ( 1 , 1 , 0 , 1 ) ,恢复原式。最后一个测试元素为 1 ,而它自己的迹恰为零;这没有破坏对偶性,因为对偶要求的是整张交叉配对表为单位矩阵,不是每个测试元素自己都有非零迹。
同样,B ( 1 , 1 ) = 0 只表示 1 与自身配对为零;B ( 1 , a 3 ) = 1 立即排除它落在根基中。此配对也不交替,因为 B ( a 3 , a 3 ) = T ( a 6 ) = 1 。不能把“对称”“交替”“非退化”在特征二中混成一个条件。
换底域后只需要两个读数
令 b = a 2 + a ,K = F 4 = F 2 ( b ) 。对 L / K 使用 S = Tr L / K 和基 ( 1 , a ) 。因 S ( 1 ) = 0 、S ( a ) = 1 、S ( a 2 ) = 1 ,有
G K = ( 0 1 1 1 ) , G K − 1 = ( 1 1 1 0 ) . 相对对偶基是 ( a + 1 , 1 ) ,所以若 u = s + t a 、s , t ∈ K ,则
s = S ( u ( a + 1 ) ) , t = S ( u ) . 两个读数现在是四元域元素,每个还带两个二进制坐标,总信息量没有减少。例如由 a 2 = a + b 得 a 3 = a ( a + b ) = b + ( b + 1 ) a ,所以
1 + a + a 3 = ( b + 1 ) + b a . 因此这两个相对迹读数为 ( b + 1 , b ) 。它们与上一节四个绝对迹读数描述的是同一个元素,只是坐标分组不同。
非平凡导数分母也能精确求逆
改取 F = F 2 [ c ] ,c 3 = c + 1 。多项式 f ( T ) = T 3 + T + 1 在 0 , 1 都不为零,所以它不可约,F 有八个元素。多项式除法给
f ( T ) T − c = T 2 + c T + ( c 2 + 1 ) , f ′ ( c ) = c 2 + 1. 这里导数不再是常数一,但 c ( c 2 + 1 ) = c 3 + c = 1 ,所以逆元为 c 。下一节的一般公式给幂基 ( 1 , c , c 2 ) 的对偶基为
( c 2 + 1 c 2 + 1 , c c 2 + 1 , 1 c 2 + 1 ) = ( 1 , c 2 , c ) . 可直接检查 Tr F / F 2 ( 1 ) = 1 、Tr ( c ) = Tr ( c 2 ) = 0 、Tr ( c 3 ) = 1 ,并据此核对九个配对值。这个换模数例子检验了“计算导数的域内逆元”确实是公式的一步,不能因十六元域例子的导数恰为一而省略。
推论与应用
为什么Gram逆就是对偶坐标
非退化已经由 T ( c ) = 1 的测试元素证明。若 G = ( T ( e i e j ) ) 不可逆,则存在非零列向量 v 使 G v = 0 ;元素 w = ∑ j v j e j 非零,却与全部基向量配对为零。双线性把这一结论推广到所有元素,违反非退化。因此 G 可逆。
令 H = G − 1 ,并定义 e j ∗ = ∑ k H k j e k 。则
T ( e i e j ∗ ) = ∑ k G i k H k j = δ i j . 若另有一组满足同样配对值,两组之差与全部 e i 配对为零,只能为零,故对偶基唯一。对 u = ∑ i u i e i 再配对 e j ∗ ,就读出 u j ,得到坐标恢复式。算法上用底域上的精确行化简 理路 行化简 Row reduction 用初等行变换把矩阵化为阶梯形以求解线性方程组和判定秩。 求 H ,验证时只需乘回 G H = I ;数域页已有这一线性代数思路,本页将其用于正特征的坐标认证。
幂基导数公式及其证明
更一般地,设 L = K ( a ) 是次数为 n 的有限可分扩张 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。 ,极小多项式为首一 f ( T ) ∈ K [ T ] 。有限域情形自动满足可分性。将
f ( T ) T − a = ∑ j = 0 n − 1 b j T j , b j ∈ L . 则幂基 ( 1 , a , … , a n − 1 ) 的迹对偶基为
( b 0 f ′ ( a ) , … , b n − 1 f ′ ( a ) ) . 可分性保证 f ′ ( a ) ≠ 0 ,所以这里允许除法。分母的逆元可以按商域运算 理路 简单代数扩张的精确运算 Arithmetic in a simple algebraic extension · Polynomial quotient field arithmetic 用唯一的低次余式表示代数数,并以多项式 Euclid 回代给出可逐项核验的逆元证书及非单位诊断。 用 Bézout 恒等式计算,不需要实数近似。
证明使用不同根上的Lagrange 插值 理路 多项式插值问题 Polynomial interpolation 由互异节点上的有限数据唯一确定次数受限的插值多项式,并区分对象存在性与具体表示算法。 。设 a 1 , … , a n 是 f 在分裂域中的不同根。对 0 ≤ k < n ,有多项式恒等式
T k = ∑ ℓ = 1 n a ℓ k f ( T ) ( T − a ℓ ) f ′ ( a ℓ ) . 两边次数都小于 n ,在全部 n 个不同根处相等,故恒等。多项式除法的系数 b j 是 a 的一个 K 系数多项式;将 a 换成 a ℓ 后,恰得到 f ( T ) / ( T − a ℓ ) 的相应系数,记作 b j ( a ℓ ) 。比较 T j 的系数,便有
δ k j = ∑ ℓ = 1 n a ℓ k b j ( a ℓ ) f ′ ( a ℓ ) = Tr L / K ( a k b j f ′ ( a ) ) . 末一步使用可分单扩张的嵌入求和公式:每个不同根给一个嵌入。有限域中这些嵌入就是不同的 Frobenius 幂,正是相对迹公式;一般可分单扩张中,乘以 a 的算子在幂基下为伴随矩阵 理路 循环子空间与伴随矩阵 Cyclic subspace and companion matrix · Cyclic vector · Polynomial companion matrix 把一个向量的精确幂递推表示为多项式商模和伴随矩阵,给出列向量约定下的换基证书。 ,特征多项式为 f ,有 n 个不同根,因此在分裂域上可对角化。任意 z = g ( a ) 的乘法算子为 g ( m a ) ,相应对角值是 g ( a 1 ) , … , g ( a n ) ,相加便得到同一嵌入求和公式。于是全部配对值恰为单位矩阵,公式得证。
在 a 4 + a + 1 = 0 的十六元域中,除法给 b 0 = 1 + a 3 、b 1 = a 2 、b 2 = a 、b 3 = 1 ,而 f ′ ( a ) = 1 ,恰好恢复前面用 Gram 逆算出的双基。两种方法独立核验同一答案。
扩张塔的对偶基可以逐层组装
设有限域塔为 K ⊆ M ⊆ L 。若 ( e i ) 是 L / M 的基,其相对迹对偶为 ( e i ∗ ) ;( b j ) 是 M / K 的基,其对偶为 ( b j ∗ ) ,则乘积基 ( e i b j ) i , j 的 L / K -迹对偶是 ( e i ∗ b j ∗ ) i , j ,次序须保持配对一致。
用迹的塔式公式和 M -线性即可验证:
Tr L / K ( e i b j e k ∗ b ℓ ∗ ) = Tr M / K ( b j b ℓ ∗ Tr L / M ( e i e k ∗ ) ) = δ i k δ j ℓ . 这提供了分层坐标的构造法,不必每次重新求一个更大的逆矩阵。例如在 F 2 ⊂ F 4 ⊂ F 16 中,( 1 , b ) 的双基为 ( b + 1 , 1 ) ,( 1 , a ) 的相对双基为 ( a + 1 , 1 ) ,所以按 ( 1 , b , a , a b ) 排列的乘积基,其绝对对偶为
( ( a + 1 ) ( b + 1 ) , a + 1 , b + 1 , 1 ) . 不能把这一列表直接当作 ( 1 , a , a 2 , a 3 ) 的双基;基的次序和元素不同,坐标泛函当然也不同。
不可分时为什么停在分母这一关
一般正特征扩张未必可分。例如 K = F p ( s ) 、L = K ( u ) 、u p = s ,由于有理函数的 p 次幂在 s = 0 处的零点阶数为 p 的倍数,而 s 的阶数为一,s 不是 K 中的 p 次幂;等价地,可在 F p [ s ] 上对素元 s 使用 Eisenstein,证明 T p − s 不可约。它就是极小多项式,其导数恒零。乘法算子的迹对全部幂基元素都为零,故整个迹配对退化,不可能有单位配对矩阵。这同时解释了导数式不能除以零,以及为何只说“有限次扩张”还不足够。有限域避开此问题,是因为有限域完美,而不是因为任意正特征都无妨。
参考资料