形式陈述
设 K / Q 是 n 次有限域扩张 公理库 域扩张 Field extension 一个域作为另一域子域时形成的包含关系与相应向量空间结构。 。对 α ∈ K ,乘法映射 m α : x ↦ α x 是 n 维有理线性算子。定义数域迹
Tr K / Q ( α ) = tr ( m α ) . 右侧是线性算子的迹 公理库 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。 ,所以不依赖选用的有理基。迹对加法与有理数乘线性,并满足 Tr ( 1 ) = n 。
数域扩张可分 公理库 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。 ,有 n 个嵌入 σ i : K ↪ C ,于是
Tr ( α ) = ∑ i = 1 n σ i ( α ) . 若 α 的极小多项式 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。 次数为 d ,它的 d 个不同共轭之和还须乘以 [ K : Q ( α ) ] ;不能只加一次后就忽略所在数域的次数。
迹配对 是对称双线性形式 公理库 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。
B K ( α , β ) = Tr K / Q ( α β ) . 它非退化:若 α ≠ 0 ,取 β = α − 1 ,便有 B K ( α , β ) = n ≠ 0 。这个简短论证使用了基域特征零。
直觉
乘法算子的行列式给出数域范数 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。 ,迹则把沿全部共轭方向的作用相加。范数记录乘法,迹提供线性测量;将一个变量与另一个相乘后再取迹,就得到可用于构造对偶基的双线性配对。
非退化的意思是每个非零元素都能被某个测试元素检测出来,而不是每个非零元素的迹都非零,也不是 B K ( α , α ) 总为正。这三句话必须区分。
例子与边界
在 Q ( 13 ) 中写出乘法矩阵
令 θ = ( 1 + 13 ) / 2 ,则 θ 2 = θ + 3 。在有理基 ( 1 , θ ) 下,对 α = a + b θ ,
α ⋅ 1 = a + b θ , α ⋅ θ = 3 b + ( a + b ) θ . 因此乘法矩阵及其迹为
M α = ( a 3 b b a + b ) , Tr ( a + b θ ) = 2 a + b . 另一嵌入把 θ 送到 θ ′ = 1 − θ ,两嵌入像之和同样为 2 a + b ,所以矩阵定义与共轭公式相互核验。
由 Tr ( 1 ) = 2 、Tr ( θ ) = 1 、Tr ( θ 2 ) = Tr ( θ + 3 ) = 7 ,迹配对矩阵为
G = ( 2 1 1 7 ) . 它的行列式为 13 ,确实可逆。对 α = a + b θ 、β = c + d θ ,展开得到
B K ( α , β ) = 2 a c + a d + b c + 7 b d . 例如 B K ( 1 + θ , 2 − θ ) = 4 − 1 + 2 − 7 = − 2 。直接乘积为 − 1 ,迹为 − 2 ,结果一致。
迹零不代表元素零
13 = 2 θ − 1 的迹为 2 − 2 = 0 ,但它当然非零。若测试元素改取 13 ,则
B K ( 13 , 13 ) = Tr ( 13 ) = 26 , 因此配对仍能检测它。
迹配对也不是一般的正定内积。在 Q ( i ) 的基 ( 1 , i ) 下,矩阵为 diag ( 2 , − 2 ) ,因为 i 2 = − 1 。正定的几何内积通常还需复共轭及适当的实嵌入约定,不能将这里的算术配对直接当成长度。
可分性不能在任意域中删除
在特征 p 中,扩张 F p ( s ) ⊂ F p ( u ) 、u p = s 是纯不可分的。用 1 , u , … , u p − 1 为基,乘以任意元素的迹都为零:常数乘法的迹为 p 倍常数,其余幂的乘法矩阵没有对角项。因此迹配对完全退化。数域情形不会发生这种现象,因为特征零扩张自动可分。
推论与应用
若 α 是代数整数 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。 ,其共轭之和也是代数整数,又属于 Q ,所以迹是整数。但仅有整数迹不足以保证整性:在 Q ( 13 ) 中,13 / 2 的迹为零,范数却为 − 13 / 4 ,因此不是整数环元素。
整数基 公理库 数域的整数基 Integral basis 整数环是秩等于扩张次数的自由整数模;用迹配对证明有限生成,并在 Q(√13) 中算出幂基子阶的指数。 的有限生成证明会把整数环夹在一个整格与它的迹对偶格之间。数域判别式 公理库 数域判别式 Number field discriminant 整基迹配对的行列式定义数域判别式,推导换基平方律并用 Q(√13) 区分域判别式、幂基判别式和分歧。 取整基的迹配对行列式,不同理想 公理库 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。 则直接研究哪些元素与全部整数配对后仍为整数。这些构造使用的是双线性配对,而不只是单个元素的迹值。
参考资料