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楼主: 业余的业余

[数论] 伽罗华理论相关三题

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hbghlyj 发表于 2023-11-8 00:08
业余的业余 发表于 2023-11-7 14:34
对,我的例子不成立。但是 $f'(x)$ identically $0$ 意味着 $f(x)=c$, 这是不是有点说不通?

有限域上 $f'(x)$ identically $0$ 不能推出$f(x)=c$

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-8 00:10
hbghlyj 发表于 2023-11-8 00:03
“$f'(x)=2x$ 不是 identically 0的” 不违反 题3a 啊
题3a是说“不可约$f$在扩域中有重根则$f'$ identic ...


它是 if and only if, 双向的。

再一个,有重根,也不能保证identically zero. 只是反例一时有点难举。基本上这里的 $f'(x)$ 应该是存在 $c\in E/F$ 满足 $f'(c)=0$. 但即使是这样理解,也很难证明。

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-8 00:18
hbghlyj 发表于 2023-11-8 00:08
有限域上 $f'(x)$ identically $0$ 不能推出$f(x)=c$


谢谢,回忆起并消化了你的反例。

对 $f(x)=ax^{kp}+b\in\Bbb F_{p^n}[x]$, 我们有 $f'(x)$ identically 0.

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hbghlyj 发表于 2023-11-8 01:03
业余的业余 发表于 2023-11-7 16:10
再一个,有重根,也不能保证identically zero. 只是反例一时有点难举。
Separable extension - Encyclopedia of Mathematics
An irreducible polynomial $f(x)$ is inseparable if and only if its derivative $f'(x)$ is identically zero (this is
possible only for $k$ of characteristic $p>0$ and $f(x)=f_1(x^p)$).


The Stacks project 9.12 Separable extensions
Lemma 9.12.1. Let $F$ be a field. Let $P \in F[x]$ be an irreducible polynomial over $F$. Let $P' = \text{d}P/\text{d}x$ be the derivative of $P$ with respect to $x$. Then one of the following two cases happens
  • $P$ and $P'$ are relatively prime, or
  • $P'$ is the zero polynomial.
The second case can only happen if $F$ has characteristic $p > 0$. In this case $P(x) = Q(x^ q)$ where $q = p^ f$ is a power of $p$ and $Q \in F[x]$ is an irreducible polynomial such that $Q$ and $Q'$ are relatively prime.
Proof.      Note that $P'$ has degree $< \deg (P)$. Hence if $P$ and $P'$ are not relatively prime, then $(P, P') = (R)$ where $R$ is a polynomial of degree $< \deg (P)$ contradicting the irreducibility of $P$. This proves we have the dichotomy between (1) and (2).     
      Assume we are in case (2) and $P = a_ d x^ d + \ldots + a_0$. Then $P' = da_ d x^{d - 1} + \ldots + a_1$. In characteristic $0$ we see that this forces $a_ d, \ldots , a_1 = 0$ which would mean $P$ is constant a contradiction. Thus we conclude that the characteristic $p$ is positive. In this case the condition $P' = 0$ forces $a_ i = 0$ whenever $p$ does not divide $i$. In other words, $P(x) = P_1(x^ p)$ for some nonconstant polynomial $P_1$. Clearly, $P_1$ is irreducible as well. By induction on the degree we see that $P_1(x) = Q(x^ q)$ as in the statement of the lemma, hence $P(x) = Q(x^{pq})$ and the lemma is proved.       $\square$

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业余的业余 + 2 漂亮!这个用ideal 来表述多项式的最大公约.

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-8 01:28
本帖最后由 业余的业余 于 2023-11-8 01:52 编辑
hbghlyj 发表于 2023-11-8 01:03
Separable extension - Encyclopedia of Mathematics
An irreducible polynomial $f(x)$ is inseparable  ...


我在看从你前面的链接找到的这个帖子
math.stackexchange.com/questions/1957209/if-derivative-of-an-irr ... the-polynomial-is-se

显然你的理解是对的,只是我还需要更多时间消化。


PS: 理解了你们的证明,但还需要更多时间形成直觉。

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-8 22:13
本帖最后由 业余的业余 于 2023-11-8 22:20 编辑 @hbghlyj

3.b 相对容易。3.c 相当不容易。

4楼(3c前半句) 方法1, Gauss Lemma 和 Eisenstein' Criterion 要用都得先证明,先跳过。讨论方法二。请教,为什么
\[ \alpha\in K/F \land f(\alpha)=0 \implies f=(x-\alpha)^p ?\]

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hbghlyj 发表于 2023-11-8 22:23
业余的业余 发表于 2023-11-8 14:13
讨论方法二。请教,为什么 $f=(x-\alpha)^p$?


因为$\operatorname{char}F=p\implies(x-\alpha)^p=x^p-\alpha^p=x^p-t=f(x)$

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-8 22:32
hbghlyj 发表于 2023-11-8 22:23
因为$\operatorname{char}F=p\implies(x-\alpha)^p=x^p-\alpha^p=x^p-t=f(x)$

方法二证明了 $f(x)$ 在 $F$ 上没有根,要证明它在 $F[x]$ 上不可约,还得像方法1一样,用 Gauss' Lemma, 对吗? @hbghlyj

点评

我在证明中补充了$a(x),b(x)\in F[x]$  发表于 2023-11-8 22:37
后面的$\alpha\in F$也就合理了  发表于 2023-11-8 22:38

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hbghlyj 发表于 2023-11-8 22:35
业余的业余 发表于 2023-11-8 14:32
方法二证明了 $f(x)$ 在 $F$ 上没有根,要证明它在 $F[x]$ 上不可约,还得像方法1一样,用 Gauss' Lemma, ...


不用吧。我们假设了$f(x)=a(x)b(x)$ for some $a(x),b(x)\in F[x]$

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-8 22:42
本帖最后由 业余的业余 于 2023-11-8 23:52 编辑
hbghlyj 发表于 2023-11-8 22:35
不用吧。我们假设了$f(x)=a(x)b(x)$ for some $a(x),b(x)\in F[x]$


好的,谢谢。那证明在 $F[x]$ 不可约就齐了?! 我再消化下。

PS: 3.c 前半部分走通了。 后半部分正在查阅和消化资料。行程过半,没有hbghlyj兄的热心帮助,再多花3倍的时间都不可能做到!

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-9 00:21
hbghlyj 发表于 2023-11-7 02:36
设$\alpha\in E,\alpha^p=t$,则$x^p-t=(x-\alpha)^p$.
对任意$φ\in\text{Aut}_F(E)$,$φ(\alpha)^p=φ ...

第5楼,3c后半句,这里的 $\alpha$ 是指任意 $E$ 中的元素,还是前文提到的 $f(x)$ 在 $E$ 中的根?

如果是前者,为什么一定有 $\alpha^p=t$?

如果是后者,为什么从一个 automorphism 固定了 特定的$\alpha$,能知道这个automporphism 是 identity map呢? @hbghlyj  

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hbghlyj 发表于 2023-11-9 01:17
业余的业余 发表于 2023-11-8 16:21
第5楼,3c后半句,这里的 $\alpha$ 是指任意 $E$ 中的元素,还是前文提到的 $f(x)$ 在 $E$ 中的根?

是$f(x)$ 在 $E$ 中的根

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hbghlyj 发表于 2023-11-9 01:18
业余的业余 发表于 2023-11-8 16:21
如果是后者,为什么从一个 automorphism 固定了 特定的$\alpha$,能知道这个automporphism 是 identity map呢?

$F[α]$ as $F$-vector space has a basis $\{1,α,\dots,α^{p-1}\}$

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-9 01:26
hbghlyj 发表于 2023-11-9 01:18
$F[α]$ as $F$-vector space has a basis $\{1,α,\dots,α^{p-1}\}$

好了,这个我有了往下理解的基础, 桥搭上了。You saved my day!

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-9 02:22
业余的业余 发表于 2023-11-9 01:26
好了,这个我有了往下理解的基础, 桥搭上了。You saved my day!

$\varphi(a)^p=\varphi(a^p)=\varphi(t)=t \implies \varphi(a)=a$

因为  $t\in F$, 所以 $\text{Aut}(E)=\text{Aut}_F(E)$, 特别的,任何 $\sigma\in\text{Aut}(E)$ 都fix 任何 $b\in F$.

这个理解妥否?

$\varphi(a)^p=t \implies \varphi(a)=\sqrt[p]{t}=a$. 前面已证都有 $p-$次根。 妥否?

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-9 02:59 来自手机
本帖最后由 业余的业余 于 2023-11-9 06:28 编辑 上面有误, $\text{Aut}(E)\ne \text{Aut}_F(E)$. 不过它是蛇足,可去。

发现了一个有趣的小细节。

当 $p=2$时,  $ x^p-\alpha^p= x^p+\alpha^p=( x+\alpha)^p=( x-\alpha)^p
$

当 $p$ 为奇数时$ x^p-\alpha^p= ( x-\alpha)^p$ 显然成立。

好了,现在确信所有细节都清晰了。

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-9 08:09 来自手机
hbghlyj 发表于 2023-11-9 01:18
$F[α]$ as $F$-vector space has a basis $\{1,α,\dots,α^{p-1}\}$

忽然想起,这正是你举过的,导数处处为0,从而有重根(inseparable)的一个完美例子。

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-9 22:41
本帖最后由 业余的业余 于 2023-11-9 22:51 编辑
hbghlyj 发表于 2023-11-7 03:16
因为$f_1(x)\in F_1[x]$不可约,$F_1\cong F_2$,所以$f_2(x)=\varphi(f_1(x))$不可约.
$\varphi(⟨f_1(x) ...


6楼 4归纳步 单根

$⟨f_1(x)⟩=\{f_1(x)^n: n\in\Bbb Z\}$ 吗?

$F_1[x]/⟨f_1(x)⟩$ 表示群的商吗?它和 $F_1[x]/(f_1(x))$ 的关系如何?

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 楼主| 业余的业余 发表于 2023-11-10 23:43
hbghlyj 发表于 2023-11-7 03:16
因为$f_1(x)\in F_1[x]$不可约,$F_1\cong F_2$,所以$f_2(x)=\varphi(f_1(x))$不可约.
$\varphi(⟨f_1(x) ...


原来这里的 $\bar\varphi:F_1[x]/⟨f_1(x)⟩→F_2[x]/⟨f_2(x)⟩$ 在本课的符号系统中写成 $\bar\varphi:F_1[x]/(f_1(x))\to F_2[x]/(f_2(x))$. 也就是说 $⟨f_1(x)⟩$ 表示一个理想。

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 楼主| 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 $f(x)\in F[x]$ 的分裂域。证明如果 $g(x)\in F[x]$ 不可约且在正规扩张 $E/F$ 中有一个根,那么 $g(x)$ 在 $E$ 中完全分裂。

证明: 令 $\alpha$ 为 $g(x)$ 在 $E$ 中的一个根,令 $\beta$ 为 $g(x)$ 在其分裂域中的任意一个根。显然有 $F[\alpha]\cong F[x]/g(x)\cong F[\beta]$. 设 $\deg(g)=n$, 则 $\varphi:F[\alpha]\to F[\beta], a_0+\cdots+a_{n-1}\alpha^{n-1} \mapsto a_o+\cdots+a_{n-1}\beta^{n-1}$ 是同构函数。 把其自然延伸到 $F[\alpha][x]\to F[\beta][x]$ 的环同构函数仍称为 $\varphi$. 显然有 $\varphi(f(x))=f(x)$,因为 $\varphi$ 在 $F$ 上是identity.

令 $E[\alpha]$ 为 $f(x)$ 在 $F[\alpha]$ 上的分裂域,$E[\beta]$ 为 $f(x)$ 在 $F[\beta]$ 上的分裂域。根据问题4的结论,存在域同构函数 $\psi: E[\alpha]\to E[\beta]$ 使得对所有 $a\in E[\alpha]$有 $\psi(a)=\varphi(a)$. 则 $E[\alpha]\cong E[\beta]$ 且 $\alpha\in E[\alpha]\implies \psi[\alpha]=\varphi[\alpha]=\beta\in E[\beta]$. 如果我们能证明 $\alpha\in E[\beta]$, 那么 $\alpha$ 和 $\beta$ 都在 $E[\beta]$ 中。而由 $\beta$ 的任意性,可知 $g(x)$ 所有的根都在 $E[\beta]$ 中。而 $E[\beta]$ 是 $f(x)$ 的分裂域,由题设知 $\alpha$ 在 $f(x)$ 的分裂域中。故 $E[\beta]$ 是 $g(x)$ 的分裂域。

$E$ 和 $E[\alpha]$ 都是 $f(x)$ 的分裂域且包含 $g(x)$ 的根 $\alpha$,故 $E\cong E[\alpha]$. $g(x)$ 所有的根 $a$ 都可以表达为 $g(x)$ 根在 $F$ 上的线性组合,故而 $E$ 包含了 $g(x)$ 的所有根。换句话说, $g(x)$ 在 $E$ 上完全分裂。

PS: 感觉证得特别绕,估计很多环节可以简化甚至绕过。

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