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定理Theorem

Kummer 扩张与幂类证书

Cyclic Kummer extensions · Kummer power classes · 循环 Kummer 扩张

在基域含本原单位根时,以参数幂类的阶认证添根次数,以循环子群和生成元转换认证两个添根域相同。

形式陈述 ​

方程次数与扩张次数要分别计算 ​

给一个域添入 Xn−a 的根,得到的扩张次数未必是 n。即使 a 不是 n 次幂,这个多项式在合数次数时仍可能分解。Kummer 理论在单位根齐备的条件下,把准确次数转成一个乘法群中的阶。

固定整数 n≥2 和域 K,要求其 特征不整除 n,并且 K 含有本原 n 次单位根 ζ,即 ζ 的乘法阶恰为 n。于是

μn(K)={1,ζ,…,ζn−1}

是全部 n 次单位根组成的 循环群。对 a∈K×,在一个固定代数闭包中选 αn=a,记 La=K(α)。换一个根只会乘上 K 内的单位根,因此不会改变这个子域。

令 (K×)n={cn:c∈K×},把相差一个 n 次幂因子的参数视为同一类:

[a]=[b]⟺a/b∈(K×)n.

这些类按乘法构成群 K×/(K×)n。[a] 的阶是使 ad 成为 K 中 n 次幂的最小正整数 d;由于 an 本身就是 n 次幂,这个阶总是 n 的因子。

次数与生成元定理。 La/K 是循环 Galois 扩张,且

(1)[La:K]=ord([a]).

因此 Xn−a 不可约当且仅当 [a] 的阶恰为 n。反过来,每个 n 次循环扩张 L/K 都可写成某个 La。

同域判据。 若 [a]、[b] 的阶都为 n,则

(2)La=Lb⟺⟨[a]⟩=⟨[b]⟩⟺b=ajcn

其中 c∈K×,j∈Z 且 gcd(j,n)=1。这里比较的是固定代数闭包中的子域;给出的生成元转换同时提供一个保持 K 不动的显式同构。

直觉

为什么单位根使一个根足够 ​

Xn−a 的全部根是 ζiα。因为 α≠0、这些单位根互异,所以它没有重根;也可用导数 nXn−1 检查。因此 K(α) 已经是一个可分多项式的 分裂域,从而是 Galois 扩张。

每个自同构 τ 都满足 τ(α)=ξτα,其中 ξτ∈μn(K)。映射

(3)χ:Gal(La/K)⟶μn(K),χ(τ)=τ(α)α

是群同态,因为 τ 固定另一个自同构所产生的单位根。它还单射:固定 α 就固定整个 K(α)。所以 Galois 群是循环群的一个子群,阶 d=[La:K] 整除 n。

证明幂类阶恰好等于次数 ​

循环群 μn(K) 中阶为 d 的子群正是全部 d 次单位根。因此对每个 τ,都有 τ(α)d=αd。由 固定域等于基域,得 αd∈K,于是

ad=(αd)n∈(K×)n.

所以 [a] 的阶整除 d。

反过来,若 ar=cn,则 (αr/c)n=1,故 αr/c∈μn(K)⊂K,从而 αr∈K。式(3)的像中每个元素的 r 次幂都是一;这个像是阶 d 的循环群,所以 d∣r。对最小的 r 应用两边整除,便得到式(1)。

这个证明也给出不可约证书。若要证明次数等于 n,可以排除每个真因子 d∣n 的 ad∈(K×)n;只排除 d=1,只能说明扩张非平凡。

任意循环扩张都能造出这种根 ​

现在从一个已知 n 次循环扩张 L/K 出发,选生成元 σ。因为 ζ−1∈K,其相对范数为 (ζ−1)n=1。使用 Hilbert 90 的非零加权构造,得到 β≠0 满足

(4)βσ(β)=ζ−1,即σ(β)=ζβ.

于是 βn 被整个群固定,属于 K×。同时 β,ζβ,…,ζn−1β 互异,都是 β 的共轭,所以其极小多项式次数至少为 n,又不超过 [L:K]=n。因此 L=K(β),且其极小多项式就是 Xn−βn。

这里“构造”可以落到有限步骤:在已给 K 基上计算 Hilbert 90 的加权和,取第一个非零输出。只说 σ 应有某个特征值,还没有给出该特征向量的非零证书。

证明同域判据及逆转换 ​

先假设 La=Lb=L,并选根 αn=a、βn=b。群到单位根的两个映射都单射且群阶为 n,所以都是同构。可选生成元 σ 使 σ(α)=ζα;此时必有 σ(β)=ζjβ,其中 gcd(j,n)=1,否则 β 的轨道不足 n 个。

于是 β/αj 被 σ 固定,等于某个 c∈K×。取 n 次幂即得 b=ajcn。这个比值检查直接解释了为什么是幂类生成的子群相同,而不要求两个参数类逐个相等。

反过来,若 b=ajcn,就在 La 中取 β=cαj。选整数 r,s 使 jr+ns=1,则

(5)α=(β/c)ras.

所有底数非零,负指数合法。这给出 K(α)⊆K(β);另一向包含由 β=cαj 得到。两个表达式合在一起,就是可乘回核验的同域证书。

例子与边界

同一个三次域的不同参数 ​

在 K=F7 中取 n=3、ζ=4。非零立方只有 1,6,所以 [2] 是三阶类。令 α3=2,由式(1)知 [K(α):K]=3。

取 β=α2,则 β3=4。参数 2 和 4 的幂类不同,却生成同一个三阶子群。具体逆转换为

β=α2,α=β22=4β2.

若改取 γ=α3,则 γ=2∈K,已不能生成三次域。这里的指数三与 n=3 不互素,恰好指出式(2)中互素条件的作用。

合数次数的真实反例 ​

在 K=F13 中,5 是本原四次单位根,因为 52=−1。非零四次幂为

(K×)4={1,3,9}.

参数 a=4 不在其中,但 42=3∈(K×)4,所以 [4] 的阶是二,X4−4 的任一根只生成二次扩张。

也可直接写出

X4−4=(X2−2)(X2+2).

2 与 −2=11 都不是模十三的平方,故两个二次因子都不可约。取 α2=2 即有 α4=4,准确次数为二。多项式没有 K 中的根,并未妨碍它分解成两个二次因子。

左边两个非单位类生成同一三阶子群;右边参数类的阶为二,即使所写方程是四次式。

哪些假设不能删除 ​

若 K 不含所需单位根,根的比值可能不在基域。实立方根 23 生成的 Q 扩张次数为三,但不包含另外两个非实根,因而不是 Galois 扩张。原 分裂域例说明还须添入本原三次单位根;本页的群同态证明不能直接用于缺少它的基域。

若 charK=p∣n,则不可能有阶为 n 的单位根:在特征 p 中 Xp−1=(X−1)p。例如 Xp−t 在 Fp(t) 上添根产生不可分扩张,和循环 Galois 添根不同。对应的可分 p 次循环模型是 Artin–Schreier 方程,其中多了一项 −X。

a=0 也应单列:方程只有根零,添根域仍为 K,而 [a] 根本不属于乘法幂类群。式(1)–(5)始终在非零参数的范围内。

推论与应用

证书能检查什么 ​

给定一份候选同域证书 (j,c,r,s),只需检查 b=ajcn 与 jr+ns=1,再代入式(5)。这能验证已提交的转换,但不自动解决任意域中“搜索 c”的问题。若基域缺少可执行的幂成员判定,本页的分类定理也不会凭空产生通用算法。

有限域中可以枚举乘法群幂类;有理函数域中也可利用零点或极点的阶排除某元素为 n 次幂。例如,若某点处 a 的零极阶为一,则 ad 的该阶为 d,不能在 0<d<n 时成为 n 次幂。这是次数证书的来源,而不是把整个函数当作数值采样。

一个自测是:在含本原六次单位根的基域中,若 [a] 的阶为三,X6−a 的根能否生成六次循环扩张?不能,式(1)给出的准确次数为三。方程的六个根仍可能全部位于这个三次域中;根的总数与一个根的共轭轨道长度必须分别计算。

参考资料
  • J. S. Milne,Fields and Galois Theory,v5.10,2022-09,Propositions 5.27–5.28,印刷页74–75:循环生成元与满次数同域分类。本文将次数单独表达为幂类的阶,并给出两向整除证明。
  • The Stacks Project Authors,Fields, §9.24: Kummer extensions,段首及 Lemma 9.24.1(tag 09DX):由单位根比值得到循环群,及从循环扩张构造添根生成元。使用范围为可分、非零参数;不依赖本节其他子扩张结论。
关系图谱16 个相邻概念 · 2 类关系

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