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Author: 业余的业余

[数论] 伽罗华理论相关三题

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abababa Post time 2023-12-2 19:14
业余的业余 发表于 2023-12-2 00:23
问题5. $F$ 为域,$E$ 是其有限扩张。我们说扩张 $E/F$ 是正规的当且仅当 $E$ 是某个 $f(x)\in F[x]$ 的分 ...

其实就是证明对任意的$\beta\in E$,$\beta$在$F$上的极小多项式都能一次分解。(“一次分解”的意思就是能分解为一次因式之积,也就是这里说的“完全分裂”。maven网友给我讲的时候用的这个名词,但我没在其它地方见过,应该不标准。)

设$f(x)$在域$F$上的分裂域是$E=F(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)$,假设$\beta$在$F$上的极小多项式$g(x)$不能在$E[x]$中一次分解,则在$E[x]$中$g(x)=(x-\beta)p(x)g_1(x)$,其中$p(x)$是$E[x]$中的首一不可约多项式,且由$g$不能一次分解有$\deg(g)>1$。作单扩域$E(\beta')=F(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)(\beta')=F(\alpha_1,\cdots,\alpha_n,\beta')$使得$p(\beta')=0$。

考察$F(\beta')$,由于$g(\beta')=(\beta'-\beta)p(\beta')g_1(\beta') = 0$,于是有$F(\beta')\cong F(\beta)$,继而有$F(\beta')[x] \cong_{\varphi} F(\beta)[x]$,且在同构映射$\varphi$下$f(x)\xmapsto{\varphi}f(x)$,于是$f(x)$在$F(\beta')$上的分裂域和$f(x)$在$F(\beta)$上的分裂域同构。因为$F(\beta',\alpha_1,\cdots,\alpha_n)$是$f(x)$在$F(\beta')$上的一个分裂域,而$F(\beta,\alpha_1,\cdots,\alpha_n)$是$f(x)$在$F(\beta)$上的一个分裂域,因此$F(\beta',\alpha_1,\cdots,\alpha_n)\cong F(\beta,\alpha_1,\cdots,\alpha_n)$,进而$(F(\beta',\alpha_1,\cdots,\alpha_n):F)=(F(\beta,\alpha_1,\cdots,\alpha_n):F)$,但显然有
\begin{align*}
\deg(g)(E:F)&=(E(\beta'):E)(E:F)=(F(\beta',\alpha_1,\cdots,\alpha_n):E)(E:F)=(F(\beta',\alpha_1,\cdots,\alpha_n):F)\\
&=(F(\beta,\alpha_1,\cdots,\alpha_n):F)=(E:F)
\end{align*}
于是$\deg(g)=1$,这与$\deg(g)>1$矛盾。

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 Author| 业余的业余 Post time 2023-12-3 00:16
abababa 发表于 2023-12-2 19:14
其实就是证明对任意的$\beta\in E$,$\beta$在$F$上的极小多项式都能一次分解。(“一次分解”的意思就是 ...

很好!表现了对这个题材的深刻理解。

考察 $F(\beta')$, 由于 $g(\beta')=(\beta'-\beta)p(\beta')g_1(\beta') = 0$, 于是有 $F(\beta')\cong F(\beta)$...


这个交待得好,是我贴的证明缺了的一环。剩下的就清楚了。

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 Author| 业余的业余 Post time 2023-12-3 00:56
业余的业余 发表于 2023-12-3 00:16
很好!表现了对这个题材的深刻理解。

这个定理在 Artin Agebra 中称为 Splitting Theorem. 他是用对称函数(多项式)理论证明的,也许更合特定人群的口味。
Theorem 16.3.2 Splitting Theorem. Let $K$ be an extension of a field $F$ that is a splitting field of a polynomial $f(x)$ with coefficients in $F$. If an irreducible polynomial $g(x)$ with coefficients in $F$ has one root in $K$, the it splits completely in $K$.

定理 16.3.2 分裂定理. 令 $K$ 为域 $F$ 的一个扩张且 $K$ 是 $f(x)\in F[x]$ 的分裂域。 如果不可约多项式 $g(x)\in F[x]$ 在 $K$ 中有一个根,那么 $g(x)$ 在 $K$ 中完全分裂。

令 $f$ 和 $g$ 如定理所述。已知 $g$ 的根 $\beta_1\in K$, 要证 $g$ 在 $K$ 中完全分解。因 $g$ 不可约,它是 $\beta_1$ 在 $F$ 上的极小多项式(原文是不可约多项式, 我觉得根据意思,这里说极小多项式更合适)。

分裂域 $K$ 是由 $f$ 的根 $\alpha_1,\cdots,\alpha_n$ 在 $F$ 上生成的。 $K$ 中的每个元素都可以表达为关于 $\alpha$ 的多项式,且系数是 $F$ 中的元素。 我们选定多项式 $p_1(u_1,\cdots,u_n)$ 以使 $p_1(\alpha)=\beta_1$.

令 $\{p_1,\cdots,p_k\}$ 为 $p_1(u)$ 在多项式环 $F[u_1,\cdots,u_n]$上、对称群 $S_n$ 操作之下的轨迹。令 $\beta_j=p_j(\alpha)$. 则 $\beta_1,\cdots,\beta_k$ 为 $K$ 的元素。 我们将通过证明多项式\[
h(x)=(x-\beta_1)\cdots(x-\beta_k)
\]的系数在 $F$ 中来证明分裂定理。假设这个已被证明,那么因为 $\beta_1$ 是 $h$ 的根,显然有其在 $F$ 上的极小多项式(原文为不可约多项式), 即 $g$, 整除 $h$. 因 $h$ 在 $K$ 上完全分裂,$g$ 必亦然。

不妨说 $h(x)=x^k-b_1x^{k-1}+\cdots\pm \beta_k$. 系数 $b_1,\cdots,b_k$ 由相应的基础对称函数在 $\beta=\beta_1,\cdots,\beta_k$ 处求值而来。而这些基础对称函数有 $k$ 个变量。我们引入新变量 $w_1,\cdots,w_k$, 并用这些新变量把基础对称函数重新标记为 $s_1'(w),\cdots,s_k'(w)$, 用一撇提醒我们这些变量是新变量。我们有 $b_j=s_j'(\beta).$

我们分两步对 $s_j'$ 求值。首先,用 $p$ 替换 $w$, 即 $w_j=p_j(u)$. 因为 $s_j'(w)$ 关于 $w$ 对称, $s_j'(p)$ 是以 $u$ 为变量的对称多项式(定理 16.1.14). 下一步,我们用 $\alpha_i$ 替换 $u_i$. 因为 $s_j'(p(u))$ 关于 $u$ 对称,$s_j'(p(\alpha))$ 属于域 $F$ (定理 16.1.12). 另一方面, $s_j'(p(\alpha))=s_j'(\beta)=b_j.$ 故这些系数 $b_j$ 都在 $F$ 中。

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 Author| 业余的业余 Post time 2023-12-3 01:13
甚至不需要完全理解这个证明就能明白它的意思,知道为什么分裂定理会成立,并形成直觉能力。对本论坛很多对对称多项式理论和应用非常纯熟的坛友,它能更好的沟通已知和未知。

补充一下以上证明中提到的16.1.12 和 16.1.14

Theorem 16.1.6 Symmetric Functions Theorem. Every symmetric polynomial $g(u_1,\cdots,u_n)$ with coefficients in a ring $R$ can be written in a unique way as a polynomial in the elementary symmetric functions $s_1,\cdots,s_n$.

对称函数定理: 所有系数在环 $R$ 中的对称多项式都可以用唯一的方式表达为关于基础对称函数 $s_1,\cdots,s_n$ 的多项式。(注,这个多项式的系数也在环 $R$ 中)


例如两个变量的对称多项式 $x_1^2+x_2^2=(x_1+x_2)^2-4x_1x_2=s_1^2-4s_2$.

Corollary 16.1.12 Supose that a polynomial $f(x)=x^n-a_1x^{n-1}+\cdots+\pm a_n$ has coeffientis in a field $F$, and that it splits completely in an extension field $K$, with roots $\alpha_1,\cdots,\alpha_n$. Let $g(u_1,\cdots,u_n)$ be a symmetric polynomial in $u_1,\cdots,u_n$ with coefficients in $F$. Then $g(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)$ is an emlement of $F$.

Proposition 16.1.14 Let $p_1=p_1(u_1,\cdots,u_n)$ be a polynomial, let $\{p_1,\cdots,p_k}$ be its orbit for the operation of the symmetric group on the viariables, and let $w=w_1,\cdots,w_k$ be another set of variables, where $k$ is the number of polynomials in the orbit of $p_1$. (So $k$ divides the order $n!$ of the symmetric group.) If $h(w_1,\cdots,w_k)$ is a symmetric polynomial in $w$, then $h(p_1,\cdots,p_k)$ is a symmetric polynomial in $u$.




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 Author| 业余的业余 Post time 2023-12-3 01:59
举一个比较具体但还是有些抽象的例子,这个例子本质就是把分裂定理的证明重新用非正式的语言走了一遍。

$K/F$ 是 $f(x)=(x-a_1)\cdots(x_a_n)\in F[x]$的分裂域。

$g(x)$ 有一个根 $b=b_1=c_1a_1+\cdots+c_na_n\in K$. 好吧,$b_1$ 就是证明中的 $p_1$ 在$a_1,\cdots,a_n$ 处的值. 现在把它对称化。证明中用了orbit(轨迹)来减小范围,我们不妨直接上所有 $a_{i_1},\cdots, a_{i_n}$ 的全排列,比如
\begin{align*}
    b_1=c_1a_1+\cdots+c_{n-1}a_{n-1}+c_na_n\\
    b_2=c_1a_1+\cdots+c_{n-1}a_n+c_na_{n-1}\\
     \vdots\\
    b_{n!}=c_1a_n+\cdots+c_{n-1}a_2+c_na_1
\end{align*}

然后构造 $h(x)=(x-b_1)\cdots(x-b_{n!})$.可以直觉到这个式子展开后得到一个关于 $x$ 的多项式,且这个多项式的每一个系数都关于$a_1,\cdots,a_n$ 对称,可以表达为 一个以基础对称多项式 $s_1,\cdots s_n$ 为变量的,系数在 $F$ 中的多项式 $p_i$ 在 $s_1=a_1+\cdots+a_n, \cdots, s_n=a_1\cdots a_n$ 的值,这个值显然是 $F$ 的元素。即 $h(x)\in F[x]$, 且 $h$ 在 $K$ 中完全分裂。而 $g\mid h$, $g$ 的根必为 $h$ 的根,故 $g$ 在 $K$ 中完全分裂。

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 Author| 业余的业余 Post time 2023-12-3 02:44
Galois Theory
Tom Leinster, University of Edinburgh
Version of 31 March 2023
第99页定理7.1.5 大致等价$\newcommand{\SF}{\mathrm{SF}}$
Let $M:K$ be a field extension. Then \[
M=\SF_K(f)\text{ for some nonozero }f\in K[t]\iff M:K\text{ is finite and normal}.
\]

令 $M:K$ 为域扩张,那么\[
M\text{是} f\in K[t] \text{的分裂域} \iff M:K\text{ 有限且正规}.
\]

看看他的证明,我们只关心 $\Rightarrow$ 方向。
For $\Rightarrow$, take a nonzero $f\in K[t]$ such that $M=SF_K(f)$. Write $\alpha_1,\cdots,\alpha_n$ for the roots of $f$ in $M$. Then $M=K(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)$. Each $\alpha_i$ is algebraic over $K$ (since $f\ne 0$), so by Proposition 5.2.4, $M:K$ is finite. (好吧,这个其实我们没那么关心,也比较显然).

We now show that $M:K$ is normal, which is the most substantial part of the proof. Let $\delta\in M$, with minimal polynomial $m\in K[t]$. Certainly $m$ splits in $SF_M(m)$, so to show that $m$ splits in $M$, it is enough to show that every root $\epsilon$ of $m$ in $SF_M(m)$ lies in $M$.

Since $m$ is a monic irreducible annihilating polynomial of $\epsilon$ over $K$, it is the minimal polynomial of $\epsilon$ over $K$. Hence by Theorem 4.3.16, there is an isomorphism $\theta:K(\delta)\to K(\epsilon)$ over $K$ such that $\theta(\delta)=\epsilon$. Now observe that:
  • $M=\SF_{K(\delta)](f)$, by Lemma 5.2.14(ii);
  • $K(\alpha_1,\cdots,\alpha_n,\epsilon)=\SF_{K(\epsilon)}(f)$, by Lemma 6.2.14(i);
  • $\theta_*f=f$, since $f\in K[t]$ and $\theta$ is a homomorphism over $K$.

So we can apply Proposition 6.2.11, which implies that there is an isomorphism $\varphi:M\to K(\alpha_1,\cdots,\alpha_n,\epsilon)$ extending $\theta$. It is an isomorphism over $K$, since $\theta$ is.

Since $\delta\in K(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)$ and $\varphi$ is a homomorphism over $K$, we have $\varphi(\delta)\in K(\varphi(\alpha_1),\cdots,\varphi(\alpha_n))$. Now $\varphi(\delta)=\theta(\delta)=\epsilon$, so $\epsilon\in K(\varphi(\alpha_1),\cdots,\varphi(\alpha_n))$. Moreover, for each $i$ we have $f(\varphi(\alpha_i))=0$ and so $\varphi(\alpha_i)\in \{\alpha_1,\cdots,\alpha_n\}$. Hence $\epsilon\on K(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)=M$, as required.


牵涉甚广。不过大概可以看出思路与我贴出的第一个相类。这大概是比较近的伽罗华理论方面的作者喜欢采用的方式。

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abababa Post time 2023-12-4 19:25
业余的业余 发表于 2023-12-3 00:56
这个定理在 Artin Agebra 中称为 Splitting Theorem. 他是用对称函数(多项式)理论证明的,也许更合特定人 ...

只要证明$f(x)\in F[x]$在$F$上的伽罗华群$G$在$f(x)$的根集合$R$上的作用是传递的就够了,也就是对$f(x)$的任意两个根$x_1,x_2$,都存在一个$\sigma\in G$使得$x_1=\sigma(x_2)$。

然后需要共轭元素的定义和一个命题的证明见这帖的1、4楼。


最后先重新叙述一下原命题:设$f(x)\in F[x]$在$F$上的分裂域为$E$(此时$E/F$必然是正规扩张),则对任意的$g(x)\in F[x]$且$g(x)$在$F$上不可约,只要$g(x)$有一个根在$E$中,就有$g(x)$的所有根都在$E$中。

证明原命题:显然不妨设$g(x)$是首一多项式,设$g(x)$的一个根$\beta\in E$的所有共轭元素为$\{\alpha_1=\beta,\cdots,\alpha_n\}$,由定义可知$g(x)$是$\beta$在$F$上的极小多项式,由链接中的证明可知,对$g(x)$的任意根$\alpha_i$,存在$\sigma\in G'=\{\sigma\in \text{Aut}(\bar{F}):\sigma(a)=a,\forall a\in F\}$使得$\alpha_i=\sigma(\beta)$。链接里的证明其实只要求$G'$是保持$F$不动的群就够了,而$E/F$的伽罗华群$G$显然就是这样的群,所以可以用$G$来替换上面的$G'$,这样$\sigma\in G$就是$E$上的自同构映射,必然有$\sigma(\beta)\in E$,也就是$g(x)$的任意根$\alpha_i\in E$。

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 Author| 业余的业余 Post time 2023-12-5 07:33
abababa 发表于 2023-12-4 19:25
只要证明$f(x)\in F[x]$在$F$上的伽罗华群$G$在$f(x)$的根集合$R$上的作用是传递的就够了,也就是对$f(x) ...

有意思。这两天看到有人推荐我提到的那个Edinburg大学的Tom Leinster教授的Galois Theory 一书,说适合自学。等空了把这个书过一过。

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abababa Post time 2023-12-5 14:57
业余的业余 发表于 2023-12-5 07:33
有意思。这两天看到有人推荐我提到的那个Edinburg大学的Tom Leinster教授的Galois Theory 一书,说适合自 ...

其实这些命题都没有真正用到伽罗华理论的内容(就是没用到子群与扩域间的伽罗华双射对应),只是借用了伽罗华群的定义而已。我学的是网友给讲的速成版,有很多命题都没讲,只是直奔“一般五次方程不可根式求解”这个命题去的,学完之后回头看一些书,才发现还有其它很多定义和命题,现在还在一个个地试着证明

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 Author| 业余的业余 Post time 2023-12-8 09:25
abababa 发表于 2023-12-5 14:57
其实这些命题都没有真正用到伽罗华理论的内容(就是没用到子群与扩域间的伽罗华双射对应),只是借用了伽 ...

手机版|悠闲数学娱乐论坛(第3版)

2025-3-6 17:12 GMT+8

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