形式陈述
设 K = F q ⊆ L = F q n 。对 u ∈ L ,乘法映射 m u : z ↦ u z 是一个 n 维 K -线性算子。定义
Tr L / K ( u ) = tr K ( m u ) , N L / K ( u ) = det K ( m u ) . 这里分别使用线性算子的迹 理路 迹 Trace of a matrix · Matrix trace 方阵主对角元素之和,也是线性算子在换基下不变的标量。 和行列式 理路 行列式 Determinant 交换含幺环上方阵的交替多线性标量不变量。 ,所以结果不依赖所选 K -基。在有限域 理路 有限域 Finite field · Galois field 底层集合有限的域。 中,它们有直接的取幂公式:
Tr L / K ( u ) = ∑ i = 0 n − 1 u q i , N L / K ( u ) = ∏ i = 0 n − 1 u q i = u ( q n − 1 ) / ( q − 1 ) . 迹是满射的 K -线性映射 L → K ,每个纤维有 q n − 1 个元素。范数限制到非零元后,是满射群同态 L × → K × ,每个非零值有 ( q n − 1 ) / ( q − 1 ) 个原像;零只来自零。
若 q = p r ,到素域 F p 的迹称为绝对迹 ,而到所指定中间域 K 的迹称为相对迹 。具体地,绝对迹需要 r n 项 p 次幂迭代,相对迹需要 n 项 q 次幂迭代。未说明底域的“迹”会遗漏计算所需的一半信息。
直觉
迹把固定底域下的所有共轭作用相加,范数把它们相乘。只看元素自身的不同共轭还不够:如果元素留在较小子域中,乘法算子仍在整个环境域上作用,同一组共轭会重复出现。
在特征零中,Tr ( 1 ) = n 是非零数;在特征 p 中,这个值应理解为域里的 n ⋅ 1 。当 p ∣ n 时它等于零,但这只说明一个输入的输出为零,不能推出迹映射恒零,更不能推出扩张不可分。有限域扩张始终可分;证明迹非零需要换一条论证。
数域迹 理路 数域迹与迹配对 Number field trace · Trace pairing 乘法算子的迹等于全部嵌入像之和;计算 Q(√13) 的迹配对矩阵,并解释非退化、整性与迹零的区别。 和数域范数 理路 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。 已经建立相同的乘法算子定义。本页的新计算重点是底域随塔变化时的取幂步长、特征导致的消失、有限纤维大小,以及这些数据如何用于解方程。
例子与边界
同一个元素的两种迹
沿用 L = F 2 [ a ] 、a 4 = a + 1 ,并令 b = a 5 = a 2 + a 。由 b 2 = b + 1 ,K = F 2 ( b ) 是 L 中的四元子域。模数不可约性及全部共轭已在Frobenius轨道 理路 有限域的Frobenius轨道与极小多项式 Frobenius orbits over finite fields · Minimal polynomial from a Frobenius orbit 用重复q次幂和首次返回证书确定元素次数,构造极小多项式,并区分换底域后的轨道、乘法阶与共轭基。 页逐项认证。
对扩张 L / K ,次数为二,相对 Frobenius 是四次幂。因此
Tr L / K ( a ) = a + a 4 = 1 , N L / K ( a ) = a 5 = b . 对扩张 L / F 2 ,次数为四,相应地
Tr L / F 2 ( a ) = a + a 2 + ( a + 1 ) + ( a 2 + 1 ) = 0 , N L / F 2 ( a ) = a 15 = 1. 两个迹值分别是 1 和 0 ,没有矛盾:它们使用不同的底域和不同的乘法矩阵。实际上 a 在 K 上满足 a 2 = a + b ,在 K -基 ( 1 , a ) 下其乘法矩阵为
M a , K = ( 0 b 1 1 ) . 矩阵的迹为 1 、行列式为 − b = b ,与相对公式一致。在 F 2 -幂基 ( 1 , a , a 2 , a 3 ) 下,则是
M a , F 2 = ( 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 ) , 其迹为零、行列式为一。矩阵维数的改变正是两种计算的区别。
元素在子域中也不能删掉重复次数
b 在 K / F 2 中的两个共轭是 b , b + 1 ,所以 Tr K / F 2 ( b ) = 1 。但若在 L / F 2 中计算,四项为 b , b + 1 , b , b + 1 ,于是迹为零。范数也要重复:N L / K ( b ) = b 2 = b + 1 ,而不是把“元素已经在底域”误写成 N L / K ( b ) = b 。
又有 Tr L / F 2 ( 1 ) = 4 ⋅ 1 = 0 ,但
Tr L / F 2 ( a 3 ) = 1. 后者可以把 a 3 , a 6 , a 12 , a 9 的幂基坐标相加核验。因此迹不是零映射。因为迹线性,任意 u = c 0 + c 1 a + c 2 a 2 + c 3 a 3 的绝对迹恰为 c 3 ;这里其余三个基元素的迹均为零。
范数保乘法,不保加法
在 L / F 2 中,每个非零元素的范数都是一,故绝对范数不可能区分十五个非零输入。例如 a 与 a + 1 非零且和为一,于是
N ( a ) + N ( a + 1 ) = 1 + 1 = 0 ≠ 1 = N ( 1 ) . 范数是乘法信息,不是线性坐标或长度。相对范数到 K 有三个不同非零值,比到 F 2 保留更多信息;但每个非零值仍对应五个元素。
推论与应用
取幂公式与环境次数
设 u 在 K 上的极小多项式次数为 d ,令 e = [ L : K ( u ) ] ,则由塔式定理 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。 有 n = d e 。在每个 K ( u ) -基向量上展开幂基,乘以 u 的矩阵分成 e 个相同块,每块是极小多项式的伴随矩阵 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。 。因此它的特征多项式为 m u , K e 。
轨道页给出 m u , K 的 d 个不同根 u , u q , … , u q d − 1 。每块的迹是这些根之和,行列式是这些根之积;e 块便将和重复 e 次、将积取 e 次幂。长度为 n 的 Frobenius 列表恰好重复这条 d 点轨道 e 次,得到形式陈述中的公式。这也解释了为何不可把 L 的维数默默换成 u 自己的次数。
迹非零不需要单位元的迹非零
对 T ( u ) = u + u q + ⋯ + u q n − 1 ,取 q 次幂只轮换各项,故 T ( u ) q = T ( u ) ,输出落在 K 。由于 K 的标量满足 c q = c ,T 是 K -线性的。形式多项式 X + X q + ⋯ + X q n − 1 非零,次数 q n − 1 < q n ,不能在 L 的所有元素上为零。所以 T 的像是 K 的非零线性子空间,只能等于 K 。由秩零度定理 理路 秩–零化度定理 Rank–nullity theorem 有限维线性映射的定义域维数等于核维数与像维数之和。 ,核维数为 n − 1 ;每个纤维是核的一个平移,遂有 q n − 1 个元素。此论证在 p ∣ n 时仍然成立。
范数的满射使用有限域乘法群循环。取 L × 的生成元 v ,令 s = ( q n − 1 ) / ( q − 1 ) 。v s 的阶为 q − 1 ,所以 N ( v ) 生成 K × ,范数满射,其核大小为 s 。迹的核是加法子空间,范数的核是乘法子群,不能把两者的元素数公式交换使用。
两层计算与一次计算相同
设 F q = K ⊆ M = F q r ⊆ L = F q r s 。相对迹逐层复合时,展开为
Tr M / K ( Tr L / M ( u ) ) = ∑ j = 0 r − 1 ∑ i = 0 s − 1 u q r i + j = Tr L / K ( u ) . 整数 r i + j 恰好遍历 0 , … , r s − 1 ,没有遗漏或重复。相对范数同理满足
q r s − 1 q r − 1 ⋅ q r − 1 q − 1 = q r s − 1 q − 1 , N M / K ∘ N L / M = N L / K . 零输入也成立,因为两层范数都把零送到零。对前述 a ,先到 F 4 得迹 1 、范数 b ,再到 F 2 得 1 + 1 = 0 、b 3 = 1 ,恰好恢复绝对结果。
用迹判定Frobenius差方程
给定 c ∈ L ,方程
x q − x = c 在 L 中可解,当且仅当 Tr L / K ( c ) = 0 ;可解时恰有 q 个解。证明不是逐个猜根:线性映射 D ( x ) = x q − x 的核恰为 K ,所以像维数为 n − 1 ;又因迹和式首尾相消,Tr ( D ( x ) ) = x q n − x = 0 。它的像包含于同为 n − 1 维的迹零空间,两者相等。任一解加上 K 的元素给出全部解。
在 L = F 16 、K = F 4 中求 x 4 + x = b 。因为 b ∈ K 且相对次数为二,Tr L / K ( b ) = b + b = 0 ,存在四个解。x 0 = b a = a 3 + a 2 满足
x 0 4 + x 0 = b ( a 4 + a ) = b . 全部解就是 b a + K 。若右边换成 a ,相对迹为一,方程没有解。这样得到的是可复用的存在性与全解证书,不需要展开一般有限域因式分解算法。
参考资料
Keith Conrad,Finite Fields ,Theorem 4.6,印刷页9–10,Theorem 5.7,印刷页11:有限域迹范数的取幂公式和满射。绝对迹的根数证明在本站 Cantor–Zassenhaus 页已有应用;本页将它与相对底域、塔式和方程核联系起来。
J. S. Milne,Fields and Galois Theory ,v5.10,2022,pp.82–84,Proposition 5.44、Corollary 5.45:乘法算子特征多项式及环境次数;Appendix A,Exercise A-24:有限域上迹范数的满射。
The Stacks Project Authors,Fields, §9.20: Trace and norm ,Definition 9.20.1、Lemmas 9.20.2–9.20.5:一般有限扩张的定义、极小多项式重数和塔式复合。