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定理Theorem

本原元定理

Primitive element theorem · 本原元素定理

证明有限可分域扩张可由一个元素生成,解释无限基域中的有限坏参数,并给出不能单生成的不可分扩张。

形式陈述 ​

“一个生成元”意味着什么 ​

把 2 和 3 一起加入有理数,表面上需要两个新符号;但 θ=2+3 已经足以恢复它们,因为 θ−1=3−2。于是两个根式生成的域也可以写成 Q(θ)。这项具体计算已在极小多项式中完成;本页要回答的是:这种压缩何时一定做得到,为什么随意相加又可能失败?

设 E/F 是有限扩张。若 E=F(γ),称 γ 为此扩张的本原元。本原元定理断言:每个有限可分扩张都有本原元。因此特征零域的每个有限扩张都可单生成。

“单生成”允许用 F 中的标量、加减乘除及 γ;它不表示 E 是一维向量空间。若 [E:F]=n,本原元的极小多项式恰为 n 次,向量空间基是 1,γ,…,γn−1。也不要求每个不在 F 中的元素都是本原元:在四次扩张 Q(2,3) 内,2 只生成二次中间域。

直觉

无限基域:避开有限次碰撞 ​

先设 F 无限,并处理 E=F(α,β) 可分的情形。记 n=[E:F]。由逐层嵌入计数,存在恰好 n 个进入代数闭包 Ω 的 F-嵌入 σ1,…,σn。那项计数的证明沿生成塔进行,没有借用本原元定理,因此这里没有循环论证。

考虑候选 γc=α+cβ,其中 c∈F。对不同的 i,j,若两个嵌入在这个候选上碰撞,则

σi(α)+cσi(β)=σj(α)+cσj(β).

如果 σi(β)=σj(β),碰撞还会迫使它们在 α 上相同,继而在整个 E 上相同,矛盾。否则碰撞只能出现在一个值

c=σj(α)−σi(α)σi(β)−σj(β).

这个值甚至未必属于 F。嵌入对只有有限多组,因此 F 中的坏参数也只有有限多个。由于 F 无限,可以选择避开它们的 c。

此时 γc 在 n 个嵌入下有 n 个不同像。每个像都是其极小多项式的根,所以 [F(γc):F]≥n。另一方面,F(γc)⊆E 给出次数至多 n;等号与塔式定理迫使 F(γc)=E。这就证明了两生成元可以合并。

一般有限扩张可由有限个元素生成,例如取一组 F-向量空间基。依次合并前两个、再与第三个合并,有限步就得到一个生成元。每次所处的子扩张仍可分,因为其中的元素原本就属于可分的 E/F。

有限基域为什么要另证 ​

“去掉有限个坏值以后还有值可选”只对无限域可靠。若 F 有限,且 E/F 次数有限,则 E 也是有限域。调用有限域乘法群为循环群的结论,取 E× 的一个生成元 g。每个非零元素都是 g 的幂,零也属于 F(g),故 E=F(g)。

这一证明使用了一个比“域生成元”更强的选择:乘法群生成元。反过来,域本原元未必遍历所有非零元素;有限域页中 F9 的完整算例已经区分两种概念。这里不需要另造一套同名定义,也不把有限域的证明硬塞进无限域的坏参数论证。

例子与边界

参数如何帮助实际恢复生成元 ​

对于 E=Q(2,3),任意非零有理数 c 都使

γ=2+c3

成为本原元。可以直接给出恢复公式,而不只依赖存在性:

(2+c3)(2−c3)=2−3c2.

有理数 c 不可能满足 c2=2/3,所以右边非零。于是

2=γ+(2−3c2)/γ2,3=γ−(2−3c2)/γ2c.

分母要求 c≠0;在 c=0 时,γ=2 只生成二次域,恰好失败。这里不是简单换一个数字的例题:参数式找出了全部允许值,并说明每个分母条件在哪里进入恢复过程。

但“两个生成元相加”不是普遍有效。取 α=2、β=3−2,仍有 Q(α,β)=E;它们的和却是 3,只生成二次域。定理允许避开坏系数,不保证 c=1 永远安全。

去掉可分性:一个有限却不能单生成的域 ​

令 u,v 是在 Fp 上代数独立的不定元,取

E=Fp(u,v),F=Fp(up,vp).

因为 u,v 分别满足 xp−up、xp−vp,塔式定理先给 [E:F]≤p2。下面 p2 个元素实际上线性无关:

uivj,0≤i,j<p.

若它们有 F-系数关系,清除分母就得到 Fp[u,v] 中的多项式关系。每个系数只含 up,vp 的幂,因此来自不同 (i,j) 的单项式,其 u,v 指数模 p 的余数不同,不能互相抵消。代数独立性迫使所有系数为零。于是 [E:F]=p2。

但每个 z∈E 都满足 zp∈F:在特征 p 中取 p 次方会将和变成各项 p 次方之和,对分式也保持运算。因此 z 满足 xp−zp∈F[x],有

[F(z):F]≤p<p2=[E:F].

没有一个元素能生成整个扩张。这里缺失的是可分性;有限性本身并不足够。也别反向过度推断为“不可分扩张都不能单生成”:Fp(t1/p)/Fp(t) 本来就是单生成的不可分扩张。

去掉有限性也不能保留结论 ​

考虑 E=⋃k≥0Q(21/2k)。这些域逐层包含,故其并仍是域;它在特征零中代数且可分。多项式 x2k−2 是 Eisenstein 多项式,故各层次数为 2k,总扩张次数无限。任何单个 γ∈E 都落在某一有限层,它生成的域仍有限,因而不能等于整个 E。

有限性控制的是要合并多少代数信息;可分性保证嵌入能把这些信息区分开。本原元定理同时用到了两点。

推论与应用

自测:本原元也依赖基域吗 ​

2 不是 Q(2,3)/Q 的本原元;把基域换成 Q(3) 后,它是本原元吗?是,因为新基域已包含 3,再加入 2 就生成整个域,此时扩张次数为 2。本原性必须连同所固定的基域一起声明。

参考资料
  • Keith Conrad,Separability,§3,Theorem 3.6 及其页8–9的证明:有限域与无限域分开,后者使用嵌入碰撞排除有限个系数。
  • The Stacks Project Authors,Fields, §9.19: Primitive elements,Lemma 9.19.1:有限扩张中本原元与有限个中间域等价,有限可分扩张满足这些条件。本页只证明其中的有限可分结论,不声称已证明整个等价。
  • J. S. Milne,Fields and Galois Theory,v5.10,2022,Theorem 5.1,印刷页61–62;Example 5.5,页63:非单生成的纯不可分二变量例子。Milne 的定理允许至多一个给定生成元不可分,比本页采用的充分条件更强。
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