形式陈述
设 在域 上代数。若其最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。 在代数闭包中没有重根,则称 在 上可分。代数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。 中每个元素都在 上可分时,称 为可分扩张。
对任意非零多项式 ,它没有重根当且仅当
这里使用的是形式导数:若 ,则
整数 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 ,则 ,所以 是重根恰好要求 ;这给出上述互素判据。不可约多项式若满足 ,又因 的次数更低,二者的最大公因式只能是 ,故可分。
域 称为完美域,若它的每个代数扩张都可分。在域特征公理库域的特征Characteristic of a field单位元反复相加首次得到零的最小正整数,若不存在则为零。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 等于最小多项式的次数,而保持 不动的域嵌入,可以把 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 。多项式 在 中不可约,因为 不是 中元素的 次方;但 。在代数闭包中,若 ,则 ,只有一个不同的根。于是 的次数为 ,却是不可分的纯不可分扩张。这里“导数为零”不表示 是常数:特征 使 等各指数为 倍数的项求导后消失。
有限域 的情况不同。Frobenius 映射 是有限集上的单射,因而满射,每个系数都有 次根。若一个非恒定多项式的导数为零,它只含 的幂;再对系数取 次根,就能把整个多项式写成另一个多项式的 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 ;它进入代数闭包的不同 -嵌入共有 个。可分性与正规性公理库正规扩张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。合在一起定义Galois 扩张公理库Galois 扩张Galois extension · 伽罗瓦扩张同时正规且可分的代数扩张,使扩张次数与域自同构对称性在有限情形精确配平。;在有限情形,这些嵌入都留在 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 ,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