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[代数/数论] 有限域正规基:可对角化与不可对角化情形

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hbghlyj posted 2025-8-1 13:39 |Read mode
Wikipedia中的例子域扩张 $\mathbb{F}_{2^3}$ 和 $\mathbb{F}_{2^4}$ 作为 $\mathbb{F}_2[X]$-module 时区别在于多项式 $X^n-1$ 在基域 $\mathbb{F}_2$ 上的分解形式,决定了Frobenius自同构 $\Phi$ 是否可对角化。
$\mathbb{F}_{2^3}$ 情形$\mathbb{F}_{2^4}$ 情形
$n$与$p$的关系$p \nmid n$ ($2 \nmid 3$)$p \mid n$ ($2 \mid 4$)
$X^n-1$的分解无重根的互质因子有重根的单一因子
模结构可分解(直和)不可分解(嵌套链)
Frobenius自同构 $\Phi$可对角化不可对角化

第一个例子:$\mathbb{F}_{2^3}$
扩张次数 $n=3$,基域特征 $p=2$。关键在于 $p$ 不整除 $n$。
  • 多项式分解:多项式 $X^3-1$ 在 $\mathbb{F}_2[X]$ 中分解为互不相同的互质因子:
    $$X^3 - 1 = (X-1)(X^2+X+1)$$
  • 模结构:由于因子是互质的,根据中国剩余定理,域 $K=\mathbb{F}_{2^3}$ 作为 $\mathbb{F}_2[X]$-模可以分解为子模的直和:
    $$K \cong \frac{\mathbb{F}_2[X]}{(X-1)} \oplus \frac{\mathbb{F}_2[X]}{(X^2+X+1)}$$
    这种semisimple结构,对应于 $\Phi$ 可对角化。


第二个例子:$\mathbb{F}_{2^4}$
扩张次数 $n=4$,基域特征 $p=2$。关键在于 $p$ 整除 $n$。
  • 多项式分解:多项式 $X^4-1$ 在 $\mathbb{F}_2[X]$ 中分解含有重因子:
    $$X^4 - 1 = (X+1)^4$$
  • 模结构:由于存在重因子,中国剩余定理不再适用,该模是不可分为独立的子模之和,而是形成一个嵌套的子模链,$\Phi$ 不可对角化。

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