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定义Definition

分歧指数与剩余次数

Ramification index · Residue degree

素数分解中的指数 e 与剩余域次数 f 记录不同信息,通过 Q(√13) 的惰性、分裂、分歧三例核验求和公式。

形式陈述 ​

设 K/Q 为 n 次数域,OK 是其完整整数环。因为它是 Dedekind 整环,每个有理素数 p 有唯一分解

pOK=P1e1⋯Pgeg.

整数 ei≥1 称为 Pi 上的分歧指数。剩余环 OK/Pi 是含 Fp 的有限域,定义剩余次数

fi=[OK/Pi:Fp].

它含有 pfi 个元素。两个数分别记录素理想出现的重数与剩余域扩张的大小。

基本计数公式为

∑i=1geifi=n.

若某个 ei>1,称 p 分歧;若全部 ei=1,称未分歧。完全分裂指 g=n 且全部 ei=fi=1;惰性指 g=1,e1=1,f1=n。完全分歧指 g=1,e1=n,f1=1。

直觉

可以把 p 上方的局部信息分成三个问题:有几个不同位置,即 g;每个位置有多少层重复,即 ei;每层的数值域比 Fp 大多少,即 fi。求和公式说所有位置的“层数乘每层大小”合起来,恰好恢复原数域的次数。

分歧与惰性尤其容易混淆。惰性素数只有一个上方素理想,但它没有重复层;次数全部保存在更大的剩余域里。完全分歧也只有一个上方素理想,却把次数放在重复层中,剩余域仍为 Fp。

例子与边界

在同一个二次数域看三种行为 ​

固定 K=Q(13),OK=Z[θ],θ2−θ−3=0。

模 2,多项式为 X2+X+1,在 F2 的两个点都不为零,因此不可约。所以

OK/(2)≅F2[X]/(X2+X+1)≅F4.

理想 (2) 本身素,故 e=1,f=2,这是惰性;次数核验为 1⋅2=2。

模 3,多项式分解为 X(X−1),两个根不同。相应素理想为

P=(3,θ),Q=(3,θ−1),

剩余域均为 F3。它们的乘积包含 θ(θ−1)=3,而所有乘积生成元都在 (3) 中,所以 (3)=PQ。此时 e1=e2=f1=f2=1,核验 1+1=2,属于完全分裂。

模 13,多项式为 (X−7)2。令 R=(13);因为 13=2θ−1,它等于 (13,θ−7),商环为 F13,且

R2=(13).

于是 e=2,f=1,核验 2⋅1=2,属于完全分歧。

三个例子都来自 Q(√13)。单一上方素理想既可能表示惰性,也可能表示分歧,必须同时查看 e 与 f。
推论与应用

求和公式怎样从整数基得到 ​

整数基说明 OK 是秩 n 的自由整数模,因此 OK/pOK 作为 Fp-向量空间维数为 n。由中国剩余定理,它分解为

∏iOK/Piei.

对每个因子,用幂次理想过滤。Dedekind 局部结构说明每层 Pij/Pij+1 是剩余域 OK/Pi 的一维向量空间,所以作为 Fp 空间每层维数为 fi。一共有 ei 层,逐层相加便得到 ∑eifi=n。

若 K/Q 是 Galois 扩张,Galois 群传递地置换 p 上方的素理想,所有 ei 相同、所有 fi 相同,公式简化成 gef=n。在非 Galois 扩张中,不能直接假设剩余次数相同;应使用求和版本。

Dedekind 判据在指数条件满足时,从模 p 的因式重数与次数直接读出 ei,fi。分解群与惯性群则在 Galois 情形中把这两个数解释成群的阶,进一步连接到 Frobenius。

参考资料
  • J. S. Milne,Algebraic Number Theory,Ch. 3 “Factorization in extensions”,印刷 pp. 59–60,分歧指数、剩余次数与次数求和;“Finding factorizations”,pp. 62–64。
关系图谱21 个相邻概念 · 2 类关系

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