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近世代数(抽象代数)详细笔记--域

第五章:域的扩张

5.1向量空间(线性空间)

为了较深入地研究域,特别是研究扩域,有必要将线性代数中已学过的数域上的向量空间的概念推广到任意域上.

定义:线性空间

VVV是一个带有加法 (记作 “+++” ) 运算的非空集合, FFF 是一个域. 如果VVV关于加法运算构成一个交换群, 并且对每个k∈F,v∈Vk \in F, v \in VkF,vV, 在VVV中可唯一地确定一个元素kvkvkv(称为kkkvvv的标量乘法), 使得对所有的k,l∈F,u,v∈Vk,l \in F, u,v \in Vk,lF,u,vV, 满足
(1) (kl)v=k(lv)(kl)v = k(lv)(kl)v=k(lv);
(2) (k+l)v=kv+lv(k + l)v = kv + lv(k+l)v=kv+lv;
(3) k(u+v)=ku+kvk(u + v) = ku + kvk(u+v)=ku+kv;
(4) 1v=v1v = v1v=v,
则称VVV为域FFF上的一个向量空间 (vector space) 或线性空间 (linear space). 向量空间中的元素称为向量 (vector), 域中的元素称为标量或纯量(scalar), 域FFF称为向量空间的基域.

定义子空间

VVV是域FFF上的向量空间,UUUVVV的非空子集。如果UUU关于VVV的运算也构成FFF上的向量空间,则称UUUVVV子空间

定义线性相关

v1,v2,⋯,vnv_1, v_2, \cdots, v_nv1,v2,,vn是向量空间VVV的一组向量,如果存在不全为零的元素k1,k2,⋯,kn∈Fk_1, k_2, \cdots, k_n \in Fk1,k2,,knF,使得
k1v1+k2v2+⋯+knvn=0,k_1v_1 + k_2v_2 + \cdots + k_nv_n = 0,k1v1+k2v2++knvn=0,
则称向量组v1,v2,⋯,vnv_1, v_2, \cdots, v_nv1,v2,,vnFFF线性相关(linearly dependent)。如果一个向量组在FFF上不是线性相关的,则称这个向量组在FFF线性无关(linearly independent)。

定义

VVVFFF上的向量空间,BBBVVV的一个非空子集。如果BBB中任一有限子集都在FFF上线性无关,且BBB张成VVV,则称BBBVVV

定理5.1.1

如果{u1,u2,⋯,um}\{u_1,u_2,\cdots,u_m\}{u1,u2,,um}{w1,w2,⋯,wn}\{w_1,w_2,\cdots,w_n\}{w1,w2,,wn}都是域FFF上向量空间VVV的基,那么m=nm = nm=n

5.2扩域

定义:极小多项式

设 a 是域 F 的扩域中的一个元素。如果 a 是 F 上的代数元(即存在一个非零多项式 f(x) \in F[x] 使得 f(a) = 0),那么 a 在 F 上的极小多项式 p(x) 是满足以下条件的唯一多项式:

  1. 首一的:最高次项的系数为 1。
  2. 不可约的:不能在 F 上分解为两个次数更低的多项式的乘积。
  3. 以 a 为根:p(a) = 0。
  4. 次数最低:它是所有以 a 为根的多项式中次数最小的。

理解:有些类似λ\lambdaλ矩阵中提到的最小多项式,简单来说,极小多项式就是刻画代数元 aaa 相对于基域 FFF 的“最精简”的代数方程。

定义:扩域

FFFEEE是两个域. 如果F⊆EF \subseteq EFE,并且FFF中的运算就是EEE的运算在FFF上的限制,则称EEE为域FFF扩域(extension field),而称FFFEEE的子域。记作:E/FE/FE/F

定理:5.2.1

FFF是一个域,S1S_1S1S2S_2S2FFF的两个非空子集。则: F(S1)(S2)=F(S1∪S2)=F(S2)(S1)F(S_1)(S_2) = F(S_1 \cup S_2) = F(S_2)(S_1)F(S1)(S2)=F(S1S2)=F(S2)(S1)

其中F(S)F(S)F(S)表示域FFF添加集合SSS所生成的域(即FFFSSS中元素的所有有理函数构成的域)。

理解

F(S1)(S2)F(S_1)(S_2)F(S1)(S2)表示先添加子集S1S_1S1FFF中生成域F(S1)F(S_1)F(S1),然后再添加子集S2S_2S2F(S1)F(S_1)F(S1)中生成域F(S1)(S2)F(S_1)(S_2)F(S1)(S2)F(S2)(S1)F(S_2)(S_1)F(S2)(S1)表示先添加S2S_2S2再添加S1S_1S1所生成的域。 F(S1∪S2)F(S_1 \cup S_2)F(S1S2)表示一次性添加S1S_1S1S2S_2S2中所有元素到FFF所生成的域。 定理表明:无论先添加哪个子集,最终生成的域都是相同的;分步添加(无论顺序)与直接添加并集的结果一致。

举例

(1) S={a}S = \{a\}S={a},其中 a∈Ea \in EaE。记
F({a})=F(a).F(\{a\}) = F(a). F({a})=F(a).
F(a)F(a)F(a)FFF 的==单扩域==或单扩张 (simple extension)。

F(a)F(a)F(a) 是由 EEE 中哪些元素组成的呢?首先,因为 a∈F(a)a \in F(a)aF(a),有 ak∈F(a)a^k \in F(a)akF(a) (k∈Nk \in \mathbb{N}kN),因此对任意的 f(x)∈F[x]f(x) \in F[x]f(x)F[x]f(a)∈F(a)f(a) \in F(a)f(a)F(a)。又对任意的 g(x)∈F[x]g(x) \in F[x]g(x)F[x],如果 g(a)≠0g(a) \neq 0g(a)=0,则 1g(a)∈F(a)\frac{1}{g(a)} \in F(a)g(a)1F(a)域对除法封闭)。

从而定义集合:
F~={f(a)g(a)∣f(x),g(x)∈F[x],g(a)≠0}⊆F(a).\widetilde{F} = \left\{ \frac{f(a)}{g(a)} \ \bigg| \ f(x), g(x) \in F[x], g(a) \neq 0 \right\} \subseteq F(a). F={g(a)f(a)  f(x),g(x)F[x],g(a)=0}F(a).
由域的定义直接验证可知,F~\widetilde{F}F 是一个域,且 F⊆F~F \subseteq \widetilde{F}FFa∈F~a \in \widetilde{F}aF,从而
F~=F(a),\widetilde{F} = F(a), F=F(a),

F(a)={f(a)g(a)∣f(x),g(x)∈F[x],g(a)≠0}.F(a) = \left\{ \frac{f(a)}{g(a)} \ \bigg| \ f(x), g(x) \in F[x], g(a) \neq 0 \right\}. F(a)={g(a)f(a)  f(x),g(x)F[x],g(a)=0}.

理解
F(a)F(a)F(a)就是所有在 aaa 处有定义的有理函数的集合。换句话说,它是 FFF 上所有有理函数在 aaa 处的取值的集合。

  • aaa 是代数元时,这个表示可以简化
    F(a)={c0+c1a+c2a2+⋯+cn−1an−1∣ci∈F}F(a) = \{c_0 + c_1a + c_2a^2 + \cdots + c_{n-1}a^{n-1} \mid c_i \in F\}F(a)={c0+c1a+c2a2++cn1an1ciF}

    换句话说

    • F(a)F(a)F(a)FFF 上的 nnn 维向量空间
    • 基为 {1,a,a2,…,an−1}\{1, a, a^2, \ldots, a^{n-1}\}{1,a,a2,,an1}
    • 不需要分式形式,所有元素都是次数小于 nnn 的多项式
  • aaa 是超越元时,这个表示就是最简形式

(2) S={a1,a2,⋯,as}S = \{a_1, a_2, \cdots, a_s\}S={a1,a2,,as},其中 ai∈Ea_i \in EaiE (i=1,2,⋯,si = 1, 2, \cdots, si=1,2,,s)。记
F(S)=F(a1,a2,⋯,as).F(S) = F(a_1, a_2, \cdots, a_s). F(S)=F(a1,a2,,as).
F(a1,a2,⋯,as)F(a_1, a_2, \cdots, a_s)F(a1,a2,,as)FFF 的添加 EEE 的元素 a1,a2,⋯,asa_1, a_2, \cdots, a_sa1,a2,,as 所得的扩域。由定理 5.2.1 知,
F(a1,a2,⋯,as)=F(a1)(a2)⋯(as).F(a_1, a_2, \cdots, a_s) = F(a_1)(a_2) \cdots (a_s). F(a1,a2,,as)=F(a1)(a2)(as).
这说明,添加有限个元素于 FFF 所得到的扩域可通过逐次的单扩张而得到。

与 (1) 类似,可得
F(a1,a2,⋯,as)={f(a1,a2,⋯,as)g(a1,a2,⋯,as)∣f,g∈F[x1,x2,⋯,xs],g(a1,a2,⋯,as)≠0}.F(a_1, a_2, \cdots, a_s) = \left\{ \frac{f(a_1, a_2, \cdots, a_s)}{g(a_1, a_2, \cdots, a_s)} \ \bigg| \ f, g \in F[x_1, x_2, \cdots, x_s], g(a_1, a_2, \cdots, a_s) \neq 0 \right\}. F(a1,a2,,as)={g(a1,a2,,as)f(a1,a2,,as)  f,gF[x1,x2,,xs],g(a1,a2,,as)=0}.

层次关系:

定义有限扩域与扩张次数

EEEFFF的扩域. 如果EEE作为FFF上的向量空间是有限维的, 则称EEEFFF有限扩域 或有限扩张(finite extension), 否则称EEEFFF的无限扩域 或无限扩张(infinite extension). EEEFFF上的维数dim⁡FE\dim_F EdimFE称为EEE关于FFF的扩张次数(degree of extension), 记作[E:F][E:F][E:F], 即 [E:F]=dim⁡F(E).[E:F] = \dim_F(E).[E:F]=dimF(E).

定理 5.2.2

KKK是域EEE的有限扩域,EEE是域FFF的有限扩域,则KKK是域FFF的有限扩域,且 [K:F]=[K:E]⋅[E:F].[K:F] = [K:E] \cdot [E:F].[K:F]=[K:E][E:F].

定理: 5.2.3(域论基本定理,Kronecker(1887))

FFF是域,f(x)f(x)f(x)F[x]F[x]F[x]中次数大于零的多项式,那么存在FFF的扩域,使得f(x)f(x)f(x)在此扩域中有根。

5.3代数扩张

定义:有理函数

有理函数是多项式的商,形式为:

f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)}g(x)f(x) 其中 f(x),g(x)∈F[x]f(x), g(x) \in F[x]f(x),g(x)F[x]g(x)≠0g(x) \neq 0g(x)=0 其中 F[x]F[x]F[x] 表示域 FFF 上的一元多项式环,

核心是“多项式除以非零多项式”的形式。

理解:(三个角度)

  1. 形式分式的观点
    有理函数的本质是形式上的分式,重点关注其代数结构(如运算规则、等价性),而非作为“函数”的分析性质(如定义域、连续性)。例如,x2−1x−1\frac{x^2 - 1}{x - 1}x1x21x+1x + 1x+1 作为有理函数是等价的(可通过约分得到),即使前者在 x=1x = 1x=1 处“无定义”,但从代数结构上二者一致。

  2. 与有理数的类比
    有理函数的定义和性质可通过与有理数类比理解,二者都是“两个代数结构的商”,运算规则完全平行:

有理数 Q\mathbb{Q}Q有理函数域 F(x)F(x)F(x)
形式: mn\frac{m}{n}nm,其中 m,n∈Zm, n \in \mathbb{Z}m,nZ(整数环),n≠0n \neq 0n=0形式: f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)}g(x)f(x),其中 f(x),g(x)∈F[x]f(x), g(x) \in F[x]f(x),g(x)F[x](多项式环),g(x)≠0g(x) \neq 0g(x)=0
等价性: 约分(消去分子分母的公因子),如 68=34\frac{6}{8} = \frac{3}{4}86=43等价性: 约分(消去分子分母的公因式),如 x2−1x2+x−2=(x−1)(x+1)(x−1)(x+2)=x−1x+2\frac{x^2 - 1}{x^2 + x - 2} = \frac{(x - 1)(x + 1)}{(x - 1)(x + 2)} = \frac{x - 1}{x + 2}x2+x2x21=(x1)(x+2)(x1)(x+1)=x+2x1
运算规则: 加法(通分)、乘法(分子乘分子,分母乘分母)运算规则: 加法(通分)、乘法(分子乘分子,分母乘分母),与有理数完全一致
  1. 在域扩张中的意义
    域扩张中,F(a)={f(a)g(a)∣f(x),g(x)∈F[x],g(a)≠0}F(a) = \left\{ \frac{f(a)}{g(a)} \ \bigg| \ f(x), g(x) \in F[x], g(a) \neq 0 \right\}F(a)={g(a)f(a)  f(x),g(x)F[x],g(a)=0} 是核心构造,其与有理函数的关系可概括为:
  • F(a)F(a)F(a) 中的每个元素,本质是有理函数在 aaa 处的取值(将有理函数 f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)}g(x)f(x) 中的变量 xxx 替换为域扩张中的元素 aaa);
  • 条件 g(a)≠0g(a) \neq 0g(a)=0 是关键:确保分式在扩域 EEE 中有意义(分母不为零,避免无定义);
  • F(a)F(a)F(a) 的本质是“包含域 FFF 和元素 aaa 的最小子域”,而有理函数的商结构恰好保证了它对四则运算封闭(满足域的定义)。

定义:代数元,超越元,代数扩张,超越扩张

EEE为域FFF的扩域,a∈Ea \in EaE

如果存在FFF上的非零多项式f(x)f(x)f(x)F[x]F[x]F[x]中的多项式),使得f(a)=0f(a) = 0f(a)=0,则称aaaFFF上的一个代数元(algebraic element)。

如果aaa不是FFF上的代数元,那么称aaaFFF上的一个超越元(transcendental element)。

如果FFF的扩域EEE中的每个元素都是FFF上的代数元,则称EEEFFF代数扩张(algebraic extension)。

如果EEE不是FFF的代数扩张,则称EEEFFF超越扩张(transcendental extension)。

有理数域上的代数元称为代数数,不是代数数的数称为超越数。

定理:5.3.1

EEE是域FFF的扩域,a∈Ea \in EaE
(1) 如果aaaFFF上的超越元,则F(a)F(a)F(a)同构于F[x]F[x]F[x]的商域F(x)F(x)F(x)
(2) 如果aaaFFF上的代数元,则F(a)F(a)F(a)同构于F[x]/⟨p(x)⟩F[x]/\langle p(x) \rangleF[x]/p(x)⟩(其中p(x)p(x)p(x)aaa在域FFF上的极小多项式)。

推论1 :

aaaFFF上的代数元,p(x)p(x)p(x)FFF上的一个首一多项式,则下列条件等价:
(1) p(x)p(x)p(x)aaa在域FFF上的极小多项式
(2) p(x)p(x)p(x)FFF上不可约,且p(a)=0p(a) = 0p(a)=0
(3) p(x)p(x)p(x)FFF上以aaa为根的次数最小的非零多项式;
(4) 如果f(x)f(x)f(x)是域FFF上任意一个以aaa为根的多项式,则p(x)∣f(x)p(x) \mid f(x)p(x)f(x)(即p(x)p(x)p(x)整除f(x)f(x)f(x))。

定理5.3.2

aaaFFF上的代数元p(x)p(x)p(x)aaaFFF上的极小多项式,deg⁡(p(x))=n\deg(p(x)) = ndeg(p(x))=n,则
(1) F(a)=F[a]F(a) = F[a]F(a)=F[a]
(2) F(a)F(a)F(a)FFF的有限扩张,且[F(a):F]=n[F(a): F] = n[F(a):F]=n
(3) F(a)F(a)F(a)中的每一个元素都能唯一地表为
c0+c1a+c2a2+⋯+cn−1an−1(5.3.1)c_0 + c_1a + c_2a^2 + \cdots + c_{n-1}a^{n-1} \tag{5.3.1}c0+c1a+c2a2++cn1an1(5.3.1)
的形式,其中c0,c1,⋯,cn−1∈Fc_0, c_1, \cdots, c_{n-1} \in Fc0,c1,,cn1F

推论 2a1,a2,⋯,asa_1,a_2,\cdots,a_sa1,a2,,as都是FFF上的代数元,则
(1) F(a1,a2,⋯,as)=F[a1,a2,⋯,as]F(a_1,a_2,\cdots,a_s) = F[a_1,a_2,\cdots,a_s]F(a1,a2,,as)=F[a1,a2,,as]
(2) F(a1,a2,⋯,as)F(a_1,a_2,\cdots,a_s)F(a1,a2,,as)FFF的有限扩张,且
[F(a1,a2,⋯,as):F]⩽[F(a1):F][F(a2):F]⋯[F(as):F].[F(a_1,a_2,\cdots,a_s): F] \leqslant [F(a_1): F][F(a_2): F]\cdots[F(a_s): F].[F(a1,a2,,as):F][F(a1):F][F(a2):F][F(as):F].

定理:5.3.3

如果EEEFFF的有限扩域,那么EEEFFF代数扩张

推论3

a,a1,a2,⋯,asa,a_1,a_2,\cdots,a_sa,a1,a2,,as都是FFF上的代数元,则F(a)F(a)F(a)F(a1,a2,⋯,as)F(a_1,a_2,\cdots,a_s)F(a1,a2,,as)都是FFF上的代数扩张。

推论4

a,ba,ba,bFFF上的代数元,那么a+ba+ba+ba−ba-baba⋅ba \cdot bab以及ab(b≠0)\frac{a}{b}(b \neq 0)ba(b=0)都是FFF上的代数元。

定理:5.3.4

KKKEEE的代数扩张,EEEFFF的代数扩张,则KKKFFF的代数扩张。

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未定元:纯粹是“形式符号”,用于定义多项式环。

代数元/超越元:是真实存在于某个扩域中的元素,按是否满足代数方程来分类。

可以说:未定元是“理想化的超越元”,它保证了多项式环的自由性;而在具体扩域中,元素要么是代数元,要么是超越元。

层次关系:结合定理:5.3.1fee47a378d805253a4c8258a5c6afa0c

扩张理解

F(a)F(a)F(a) 是"数值化"的扩张:我们关心的是元素aaa的具体数值性质
F[x]F[x]F[x] 是"形式化"的扩张:我们关心的是多项式作为代数表达式的形式性质
70eaffb62f6c6b6ba329bc889b3a35a3

5.4多项式的分裂域

定义:分裂域

EEEFFF的扩域,f(x)f(x)f(x)FFF上的一个非常数多项式。如果f(x)f(x)f(x)能分解成E[x]E[x]E[x]中一次因式的乘积,则称f(x)f(x)f(x)EEE上是分裂的。如果f(x)f(x)f(x)EEE上是分裂的,但f(x)f(x)f(x)EEE的任一包含FFF的真子域上都不分裂,则称**EEE为多项式f(x)f(x)f(x)FFF上的分裂域 (splitting field)。**

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定理 5.4.1

f(x)∈F[x]f(x) \in F[x]f(x)F[x]EEEFFF的扩域,且在EEE上有
f(x)=b(x−a1)(x−a2)⋯(x−an),b≠0,f(x) = b(x - a_1)(x - a_2)\cdots(x - a_n),\ b \neq 0,f(x)=b(xa1)(xa2)(xan), b=0,
EEEf(x)f(x)f(x)FFF上的分裂域的充分必要条件是
E=F(a1,a2,⋯,an).E = F(a_1, a_2, \cdots, a_n).E=F(a1,a2,,an).
理解
分裂域就是包含FFFf(x)f(x)f(x) 所有根的最小的域。如果EEE比这个生成的域大,那就不是“最小”的,因此不是分裂域;如果EEE小,可能缺一些根,所以也不满足。换句话说,分裂域就是“刚好”包含所有根的那个域。

定理 5.4.2

f(x)f(x)f(x)为域FFF上的一个非常数多项式,则存在FFF的扩域EEE,使EEEf(x)f(x)f(x)FFF上的分裂域。

理解:无论多项式多么复杂,我们总能找到一个“更大的”域(例如,通过逐步添加根来构造),在这个域中,多项式能完全分解成一次因式。这保证了分裂域总是存在的

引理 1

FFF是域,p(x)p(x)p(x)FFF上的一个不可约多项式,aaap(x)p(x)p(x)FFF的某个扩域中的根。如果ϕ\phiϕ是从FFF到域F′F'F的域同构,bbbϕ(p(x))\phi(p(x))ϕ(p(x))F′F'F的某个扩域中的根,那么存在F(a)F(a)F(a)F′(b)F'(b)F(b)的同构(假设为ψ\psiψ),它在FFF上与ϕ\phiϕ相同,且将aaa映到bbb
cb9602b79f46485c7910cbcd0a534182

推论 1

FFF是域,p(x)p(x)p(x)FFF上的不可约多项式。如果aaap(x)p(x)p(x)FFF的某个扩域中的根,bbbp(x)p(x)p(x)FFF的另一个扩域中的根,那么域F(a)F(a)F(a)F(b)F(b)F(b)同构。

(下面证明分裂域的同构唯一性。)

定理 5.4.3

ϕ\phiϕ是域FFFF′F'F的同构,f(x)f(x)f(x)FFF上的非常数多项式。如果EEEf(x)f(x)f(x)FFF上的分裂域,E′E'Eϕ(f(x))\phi(f(x))ϕ(f(x))F′F'F上的分裂域,那么存在从EEEE′E'E的同构,且该同构在FFF上与ϕ\phiϕ一致。

推论2

FFF是域,f(x)∈F[x]f(x) \in F[x]f(x)F[x],那么f(x)f(x)f(x)FFF上的任何两个分裂域都是同构的。

定义 5.4.2

f(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0∈F[x]f(x) = a_nx^n + a_{n-1}x^{n-1} + \cdots + a_1x + a_0 \in F[x]f(x)=anxn+an1xn1++a1x+a0F[x]。称多项式
nanxn−1+(n−1)an−1xn−2+⋯+a1∈F[x]na_nx^{n-1} + (n-1)a_{n-1}x^{n-2} + \cdots + a_1 \in F[x]nanxn1+(n1)an1xn2++a1F[x]
f(x)f(x)f(x)的导数 (derivative),记作f′(x)f'(x)f(x)

定理 5.4.4

f(x),g(x)∈F[x]f(x), g(x) \in F[x]f(x),g(x)F[x]a∈Fa \in FaF,则
(1) (f(x)+g(x))′=f′(x)+g′(x)(f(x) + g(x))' = f'(x) + g'(x)(f(x)+g(x))=f(x)+g(x)
(2) (af(x))′=af′(x)(af(x))' = af'(x)(af(x))=af(x)
(3) (f(x)g(x))′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x)(f(x)g(x))' = f'(x)g(x) + f(x)g'(x)(f(x)g(x))=f(x)g(x)+f(x)g(x)

定理 5.4.5

FFF上的多项式f(x)f(x)f(x)FFF的某个扩域EEE上有重根的充要条件是f(x)f(x)f(x)f′(x)f'(x)f(x)F[x]F[x]F[x]中有正次数的公因式。

定理 5.4.6

f(x)f(x)f(x)是域FFF上的不可约多项式。如果FFF的特征为000,那么f(x)f(x)f(x)没有重根。如果FFF的特征为p≠0p \neq 0p=0,那么仅当存在FFF上的某个多项式g(x)g(x)g(x),使得f(x)=g(xp)f(x) = g(x^p)f(x)=g(xp)f(x)f(x)f(x)有重根。

定义 5.4.3

如果域FFF的特征为000,或FFF的特征为pppFp={ap∣a∈F}=FF^p = \{a^p \mid a \in F\} = FFp={apaF}=F,则称FFF完备域(perfect field)。

定理 5.4.7

每个有限域都是完备域。

定理 5.4.8

如果f(x)f(x)f(x)是完备域上的不可约多项式,那么f(x)f(x)f(x)没有重根。

定理 5.4.9

f(x)f(x)f(x)是域FFF上的不可约多项式,EEEf(x)f(x)f(x)FFF上的分裂域,那么f(x)f(x)f(x)EEE中的所有根都有相同的重数。

推论 3

f(x)f(x)f(x)是域FFF上的不可约多项式,EEEf(x)f(x)f(x)的分裂域,那么f(x)f(x)f(x)可分解成如下形式:
a(x−a1)n(x−a2)n⋯(x−at)n,a(x - a_1)^n(x - a_2)^n\cdots(x - a_t)^n,a(xa1)n(xa2)n(xat)n,
其中a∈Fa \in FaFa1,a2,⋯,ata_1, a_2, \cdots, a_ta1,a2,,atEEE中不同的元素。

定理 5.4.10(施泰尼茨 (Steinitz), 1910)

FFF是特征为000的域,a,ba, ba,bFFF上的代数元,则存在c∈F(a,b)c \in F(a, b)cF(a,b),使得F(a,b)=F(c)F(a, b) = F(c)F(a,b)=F(c)

推论 4

特征000的域的任何有限扩域都是单扩域。一个具有性质E=F(a)E = F(a)E=F(a)的元素aaa称为EEE本原元

5.5有限域

本节要介绍抽象代数中最优美,也是非常重要的内容——有限域。有限域最早是由伽罗瓦在1830年证明一般五次方程不可解时引入的。到今天,有限域上的矩阵群已经成为一类重要的有限群(见习题5 - 1的20题和21题)。在过去的50年中,有限域在计算机科学、编码理论、信息论以及密码学中都有重要的应用。首先来考虑有限域的元素个数。

定义:有限域
一个具有有限个元素的域
性质

加法群是阿贝尔群,乘法群是循环群的域是有限域

76054cfc13e683908272bf7da2a90038

定理:5.5.1

有限域的阶是一个素数的幂

定理: 5.5.2

对每个素数 ppp 和每个正整数 nnn,在同构的意义下存在唯一的 pnp^npn 阶的有限域,并且所有元素都是方程xpn−x=0x^{p^n} - x = 0xpnx=0的根,该域的特征ppp

因为对每个素数幂 pnp^npn 仅存在一个 pnp^npn 阶的域,所以可将此域记作 GF(pn)\text{GF}(p^n)GF(pn)(以纪念伽罗瓦),并称之为 pnp^npn 阶的伽罗瓦域。 下面来讨论 pnp^npn 阶域的结构。

定理:5.5.3

(1)GF(pn)\text{GF}(p^n)GF(pn) 作为加法群同构于
Zp⊕Zp⊕⋯⊕Zp⏟n个;\underbrace{\mathbb{Z}_p \oplus \mathbb{Z}_p \oplus \cdots \oplus \mathbb{Z}_p}_{n个};nZpZpZp;
(2)GF(pn)\text{GF}(p^n)GF(pn) 的全体非零元的集合关于乘法构成的群是一个pn−1p^n - 1pn1 阶的循环群。

推论 1

有限域EEE是它的素子域的一个单扩域。

推论 2

[GF(pn):GF(p)]=n.[\text{GF}(p^n): \text{GF}(p)] = n.[GF(pn):GF(p)]=n.

推论 3

aaaGF(pn)\text{GF}(p^n)GF(pn)的非零元乘法群的生成元,则 aaaGF(p)\text{GF}(p)GF(p)上的nnn 次代数元。

定理 :5.5.4
对于nnn 的每个正因数 mmm,有限域GF(pn)\text{GF}(p^n)GF(pn) 中存在唯一的pmp^mpm 阶子域,并且这些子域是 GF(pn)\text{GF}(p^n)GF(pn)中仅有的子域。

有限域的构造
有限域的构造是通过以下步骤实现的:

  1. 从素数域 Fp\mathbb{F}_pFp 开始
  2. 在素数域 Fp\mathbb{F}_pFp选择n次数的不可约多项式f(x)f(x)f(x)(注:对于域F\mathbb{F}F上的多项式环F[x]\mathbb{F}[x]F[x],理想<f(x)f(x)f(x)>是极大理想当且仅当f(x)f(x)f(x)不可约多项式
  3. 构造多项式环的商环 Fp/(f(x))\mathbb{F}_p/(f(x))Fp/(f(x))(注:结合上面注释,根据环论基本定理可得Fp/(f(x))\mathbb{F}_p/(f(x))Fp/(f(x))是域)
  4. 得到的商环就是有限域 Fpn\mathbb{F}_{p^n}Fpn
    (注:Fp[x]\mathbb{F}_p[x]Fp[x] 中多项式的系数来自 Fp\mathbb{F}_pFp,有 ppp 种选择,在商环 Fp[x]/⟨f(x)⟩\mathbb{F}_p[x]/\langle f(x) \rangleFp[x]/f(x)⟩ 中,每个等价类可以由唯一的次数小于 nnn 的多项式代表。这样的多项式形如:a0+a1x+⋯+an−1xn−1a_0 + a_1x + \cdots + a_{n-1}x^{n-1}a0+a1x++an1xn1,其中 ai∈Fpa_i \in \mathbb{F}_paiFp,每个系数有 ppp 种选择,所以总共有:p×p×⋯×p=pnp \times p \times \cdots \times p = p^np×p××p=pn个元素)

Fpn=Fp[x]/⟨f(x)⟩\mathbb{F}_{p^n} = \mathbb{F}_p[x]/\langle f(x) \rangle Fpn=Fp[x]/f(x)⟩

其中 f(x)f(x)f(x)Fp\mathbb{F}_pFp 上的 nnn 次不可约多项式。

例子:从 F2\mathbb{F}_2F2 构造 F256\mathbb{F}_{256}F256

  1. 基础域:从素数域 F2={0,1}\mathbb{F}_2 = \{0,1\}F2={0,1} 开始

  2. 选择不可约多项式:在 F2[x]\mathbb{F}_2[x]F2[x] 中选择一个8次不可约多项式 f(x)f(x)f(x)

    • 例如:f(x)=x8+x4+x3+x+1f(x) = x^8 + x^4 + x^3 + x + 1f(x)=x8+x4+x3+x+1
  3. 构造商环F256=F2[x]/⟨f(x)⟩\mathbb{F}_{256} = \mathbb{F}_2[x]/\langle f(x) \rangleF256=F2[x]/f(x)⟩

  4. 域元素表示F256\mathbb{F}_{256}F256 中的每个元素可以表示为:
    a0+a1x+a2x2+⋯+a7x7a_0 + a_1x + a_2x^2 + \cdots + a_7x^7a0+a1x+a2x2++a7x7
    其中 ai∈F2={0,1}a_i \in \mathbb{F}_2 = \{0,1\}aiF2={0,1},共有 28=2562^8 = 25628=256 个元素

F256\mathbb{F}_{256}F256 运算:

  • 加法运算

多项式系数在 F2\mathbb{F}_2F2 中按位相加(模2加法)等价于按位异或(XOR)运算

例如:(x3+x+1)+(x2+x)=x3+x2+1(x^3 + x + 1) + (x^2 + x) = x^3 + x^2 + 1(x3+x+1)+(x2+x)=x3+x2+1

  • 乘法运算
  1. 先进行普通多项式乘法
  2. 结果对不可约多项式 f(x)f(x)f(x) 取模(在 F2\mathbb{F}_2F2 系数下)
  3. 保证结果仍是次数小于8的多项式

例如:计算 x4⋅x3=x7x^4 \cdot x^3 = x^7x4x3=x7(未超过8次,直接得结果)
计算 x7⋅x=x8x^7 \cdot x = x^8x7x=x8,由于 x8≡x4+x3+x+1(modf(x))x^8 \equiv x^4 + x^3 + x + 1 \pmod{f(x)}x8x4+x3+x+1(modf(x)),所以结果为 x4+x3+x+1x^4 + x^3 + x + 1x4+x3+x+1

参考:

近世代数 | 韩士安, 林磊 | download on Z-Library近世代数 ——韩士安

代数结构入门:群、环、域、向量空间 - 知乎

【静夜思】一些抽象代数的核心思想和实际应用_抽象代数有什么用-CSDN博客

http://www.dtcms.com/a/446028.html

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