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定义Definition

正规扩张

Normal extension · 正规域扩张

一个不可约多项式的根一旦进入扩域,其全部共轭根便都留在其中的代数扩张。

形式陈述 ​

设 E/F 是代数域扩张。若每个不可约多项式 f∈F[x] 只要在 E 中有一个根,就已经在 E[x] 中完全分裂,则称 E/F 为正规扩张。等价地,对每个 α∈E,其在 F 上的最小多项式的全部根都属于 E,重数允许重复。

把 E 嵌入一个固定的 F 的代数闭包 Ω 中,则正规性还等价于:每个保持 F 中元素不动的嵌入 σ:E→Ω 都满足 σ(E)=E。若 E/F 有限,正规性等价于 E 是某个 F 系数多项式的分裂域。一个构造方法是取有限组域生成元,把它们的最小多项式相乘;正规性保证乘积的根全在 E 内,这些根又生成 E。

直觉

最小多项式把一个代数元与它的共轭根联系起来。正规扩张把这些根成组收齐,因此固定基域的嵌入在扩域内部重排共轭根,其像仍是原来的扩域。正规性关注根所在的位置;可分性则记录这些根是否互异。

例子与边界

Q(2)/Q 正规:2 的共轭是 −2,两者都在该域中,而且它是 x2−2 的分裂域。相反,E=Q(23) 只包含 x3−2 的实根。另两个根 ζ323、ζ3223 非实,不属于 E⊂R,所以 E/Q 不正规;将实根送到非实共轭根的嵌入也把 E 送出了自身。

在特征 p 中,Fp(t1/p)/Fp(t) 由 xp−t 的根生成。该多项式在扩域中写成 (x−t1/p)p,因此这个扩域就是它的分裂域,扩张正规。另一方面,t 在 Fp(t) 中没有 p 次方根,该扩张的次数为 p,而生成元的最小多项式只有一个不同的根,所以扩张不可分。

推论与应用

对于有限扩张,正规性保证每个 F-嵌入 E→Ω 的像为 E,于是这些嵌入都是 E 的自同构;可分性保证这样的嵌入共有 [E:F] 个。两者合起来得到Galois 扩张及群阶公式。特征零的代数扩张自动可分,所以有限正规扩张直接就是 Galois 扩张。

正规扩张与正规子群通过 Galois 对应相连。若 E/F 有限 Galois,中间域 K/F 正规,当且仅当固定 K 的子群 Gal(E/K) 在 Gal(E/F) 中正规。域在所有基域自同构下保持不变,对应的正是子群在共轭下保持不变。

参考资料
  • The Stacks Project Authors, Fields, §9.15: Normal extensions,2026 年访问版本,Definition 9.15.1、Lemmas 9.15.5–9.15.6;分裂域构造见 Lemma 9.16.1。
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004, Ch. 14, normal extensions and splitting fields.
关系图谱14 个相邻概念 · 4 类关系

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