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定义Definition

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。

形式陈述 ​

设 α 在域 F 上代数。若其最小多项式 mα(x) 在代数闭包中没有重根,则称 α 在 F 上可分。代数域扩张 E/F 中每个元素都在 F 上可分时,称 E/F 为可分扩张。

对任意非零多项式 f∈F[x],它没有重根当且仅当

gcd(f,f′)=1,

这里使用的是形式导数:若 f(x)=∑i=0naixi,则

f′(x)=∑i=1niaixi−1,

整数 i 通过反复相加作用在系数上。它只用域中的代数运算,不需要极限。若 f=(x−α)g,则 f′(α)=g(α),所以 α 是重根恰好要求 f(α)=f′(α)=0;这给出上述互素判据。不可约多项式若满足 f′≠0,又因 f′ 的次数更低,二者的最大公因式只能是 1,故可分。

域 F 称为完美域,若它的每个代数扩张都可分。在域特征为零时,非恒定不可约多项式的导数不可能为零,因而这类域都是完美域。有限域也都是完美域。

直觉

次数 [F(α):F] 等于最小多项式的次数,而保持 F 不动的域嵌入,可以把 α 送到这个多项式的不同根。若有重根,按重数计数的次数就会大于可供选择的位置数;可分性使每个根都只出现一次,让两种计数一致。

可分性与正规性因此回答不同问题:前者问“共轭根有多少个不同位置”,后者问“这些位置是否都在当前域内”。可分扩张的嵌入可以进入更大的代数闭包;再加上正规性,才使这些嵌入都成为当前扩域的自同构。

例子与边界

令 F=Fp(t)。多项式 f(x)=xp−t 在 F[x] 中不可约,因为 t 不是 F 中元素的 p 次方;但 f′(x)=pxp−1=0。在代数闭包中,若 α=t1/p,则 f(x)=(x−α)p,只有一个不同的根。于是 F(α)/F 的次数为 p,却是不可分的纯不可分扩张。这里“导数为零”不表示 f 是常数:特征 p 使 xp 等各指数为 p 倍数的项求导后消失。

有限域 Fq 的情况不同。Frobenius 映射 x↦xp 是有限集上的单射,因而满射,每个系数都有 p 次根。若一个非恒定多项式的导数为零,它只含 xp 的幂;再对系数取 p 次根,就能把整个多项式写成另一个多项式的 p 次方。因此它不可能不可约,有限域上的不可约多项式也就都可分。

推论与应用

有限可分扩张具有本原元,即可以写成 E=F(α);它进入代数闭包的不同 F-嵌入共有 [E:F] 个。可分性与正规性合在一起定义Galois 扩张;在有限情形,这些嵌入都留在 E 内,自同构数因而等于扩张次数。

计算上,先求形式导数,再用多项式 Euclid 算法计算 gcd(f,f′),就能检测重根。对代数元的最小多项式应用这一判据,可以判断它是否可分;同一计算也是平方自由分解中的基本步骤。

参考资料
关系图谱14 个相邻概念 · 4 类关系

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