域扩张的 Galois 群与 Galois 扩张#
1 定义#
自同构群:设 E 是一个域,E 的全体自同构的集合在变换的合成下构成一个群,称其为 E 的自同构群,记为 Aut(E)
Galois 群:设 E 是域 F 的一个扩张,E 的所有 F -自同构的集合
Gal(E/F):={σ∈Aut(E)∣σ∣F=idF}
构成 Aut(E) 的一个子群,称为 E 在 F 上的 Galois 群。
不动元:设 G≤Aut(E),α∈E,若对 ∀σ∈G,都有 σ(α)=α,则称 α 为 G 的不动元。E 的所有 G 的不动元集合
Inv(G):={α∈E∣∀σ∈G,σ(α)=α}
构成 E 的一个子域,称为 G 的不动域。
Galois 扩张:设 E 是域 F 的扩张,如果 Inv(Gal(E/F))=F,就称 E 是 F 的 Galois 扩张。
共轭:设 E 是 F 的 Galois 扩张,L 是中间域,对 ∀σ∈Gal(E/F),称 σ(L) 为 L 的共轭。
Galois 对应:Galois 基本定理定义的一一对应 L↔Gal(E/L) 和 H↔Inv(H) 也称为 Galois 对应
2 定理#
命题 1.1.1:设 L1,L2 是域 E 的子域,H1,H2 是 Aut(E) 的子群,则有
L1⊂L2H1⊂H2⇒Gal(E/L2)⊂Gal(E/L1)⇒Inv(H2)⊂Inv(H1)
定理 1.1.1:设 E 和 L 是 F 的扩张且 E:F 有限,则从 E 到 L 互不相同的 F− 同态个数不超过 [E:F]。特别地,
∣Gal(E/F)∣≤[E:F]
定理 1.1.2:设 E 为 F 的有限次扩张,则下列陈述等价:
(i) E 是 F 的 Galois 扩张;
(ii) E 是 F 的可分正规扩张;
(iii) E 是 F 上一个可分多项式的分裂域;
(iv) ∣Gal(E/F)∣=[E:F]。
定理 1.1.3(Artin 引理):设 E 是域,G 是 Aut(E) 的有限子群,F=Inv(G),则
[E:F]≤∣G∣
定理 1.1.4(Galois 基本定理):设 E 是域 F 的一个有限 Galois 扩张,G=Gal(E/F),记
H={H∣H≤G},L={L∣F⊆L⊆E}
则
Gal:L→H,L↦Gal(E/L)
和
Inv:H→L,H↦Inv(H)
是映射,且满足:
(i) Gal 和 Inv 互为逆映射,因而都是双射。
(ii) 上述双射是反包含的,即当子群 H1,H2 分别与中间域 L1,L2 对应时,
H1⊇H2⇔L1⊆L2.
下面设子群 H 与中间域 L 对应,即 H=Gal(E/L) 或者 L=Inv(H)。
(iii) [E:L]=∣H∣,[L:F]=[G:H]。
(iv) 任取 σ∈G, H 的共轭子群 σHσ−1 与 L 的共轭 σ(L) 对应。
(v) H⊴G 当且仅当 L 是 F 的 Galois 扩张,这时 Gal(L/F)≅G/H。
定理 1.1.5(代数基本定理):复数域 C 是代数封闭域
多项式的 Galois 群#
1 定义#
多项式的 Galois 群:设 f(x) 是域 F 上没有重根的多项式,称 Gal(E/F) 限制到 f(x) 的根集 X 上所得到的群 Gf 为多项式 f(x) 的 Galois 群
交换扩张与循环扩张:设 E 是域 F 的 Galois 扩张,如果 Gal(E/F) 为交换群,就称 E/F 为交换扩张或者 Abel 扩张;如果 Gal(E/F) 为循环群,就称 E/F 为循环扩张。
判别式:设 f(x)∈F[x],degf(x)≥1,f(x) 在其分裂域中的根为 α1,α2,⋯,αn,则称
Df=a2n−21≤i<j≤n∏(αi−αj)2
其中 a 为 f(x) 的首项系数,称为 f(x) 的判别式。
2 定理#
命题 1.2.1:设 F 是域 Q(ζn) 的扩域,其中 ζn 是一个 n 次本院单位根,
定理 1.2.1:设 f(x) 是域 F 上没有重根的多项式,E 是 f(x) 在 F 上的分裂域,f(x) 在 E[x] 上有分解式
f(x)=ai=1∏n(x−αi)
其中 a∈F 为 f(x) 的首项系数,则 Gal(E/F) 同构于 f(x) 的根 {α1,α2,…,αn} 的一个置换群 Gf
定理 1.2.2:设 f(x) 是域 F 上没有重根的多项式,则 f(x) 在 F 上不可约当且仅当 Gf 在 f(x) 的根集上的作用传递
定理 1.2.3:设域 F 的特征不为 2,f(x)∈F[x],degf(x)=n≥1,且 f(x) 没有重根,则 Gf 中的每个元素都是 f(x) 的根集 X={α1,α2,⋯αn} 上的偶置换当且仅当 Δ∈F,其中 Δ 是 f(x) 的判别式
定理 1.2.4:设域 F 的特征不为 2, f(x) 是 F 上的 4 次不可约多项式, E 是 f(x) 在 F 上的分裂域. 令 g(x) 为 f(x) 的预解式, L 是 g(x) 在 F 上的分裂域, m=[L:F].
(i) 若 g(x) 在 F 上不可约且 Df∈/F∗2, 则 m=6,Gf≅S4.
(ii) 若 g(x) 在 F 上不可约且 Df∈F∗2, 则 m=3,Gf≅A4.
(iii) 若 g(x) 在 F[x] 中有一个 2 次不可约因式, 且 f(x) 在 L 上不可约, 则 m=2,Gf≅D4.
(iv) 若 g(x) 在 F[x] 中有一个 2 次不可约因式, 且 f(x) 在 L 上可约, 则 m=2,Gf≅Z4.
(v) 若 g(x) 在 F[x] 中分解为一次因式的乘积,则 m=1,Gf≅V4.
定理 1.2.5:设 x1,x2,⋯,xn 是域 K 上的无关未定元,s1,s2,⋯,sn 是关于 x1,x2,⋯,xn 的初等对称多项式,令 F=K(s1,s2,⋯,sn) 以及
f(x)=i=1∏n(x−xi)=xn−s1xn−1+⋯+(−1)nsn∈F[x]
定理 1.2.6:设 p 为素数,f(x) 是 Q 上的 p 次不可约多项式,如果 f(x) 在 C 中恰有两个非实数复根,那么 Gf≅Sp
定理 1.2.7:设 f(x)∈F[x] 是不可约多项式,E 是 f(x) 在 F 上的分裂域,α 是 f(x) 在 E 中的一个根,则 f(x) 的所有根都形如 σ(α),其中 σ∈Gal(E/F)
方程式的根式解#
1 定义#
单根式扩张:设 E=f(α) 是域 F 的一个单扩张,如果存在正整数 n 使得 αn∈F,就称 E 为 F 的一个单根式扩张
根式扩张:设 E/F 是有限次扩张,若存在一个域的扩张链
F=F0⊆F1⊆⋯⊆Fs−1⊆Fs=E,
使得对于每个 1≤i≤s, Fi 是 Fi−1 的单根式扩张,即存在 αi∈Fi 和正整数 ni 使得
Fi=Fi−1(αi)
且 αini∈Fi−1,则称 E 为 F 的一个根式扩张,而如上域的扩张链 (1.9) 叫做根式扩张 E/F 的一个根式扩张链。
根式可解:设 F 是域,f(x)∈F[x],如果存在 F 的一个根式扩张包含 f(x) 在 F 上的一个分裂域,那么就称代数方程 f(x)=0 在 F 上根式可解或有根式解
2 定理#
命题 1.3.1(Lagrange 预解式):设 F 是特征为 0 的域,p 是素数,且 F 包含一个 p 次本原单位根 ζp,那么
F 的任意 p 次循环扩张 E 都是单根式扩张
引理 1.3.1:设 E 是 F 的有限可分扩张,E~ 是 E/F 的正规闭包,如果 E/F 是根式扩张,那么 E~/F 也是根式扩张
定理 1.3.1:设 F 是特征为 0 的域,f(x)∈F[x]。如果 f(x)=0 在 F 上根式可解,那么 f(x) 在 F 上的 Galois 群 Gf 是可解群。
定理 1.3.2:设 F 是特征为 0 的域,f(x)∈F[x],如果 f(x) 在 F 上的 Galois 群 Gf 可解,那么方程 f(x)=0 在 F 上根式可解
推论 1.3.1:设 F 是特征为 0 的域,f(x)∈F[x],如果 degf(x)≤4,那么方程 f(x)=0 在 F 上根式可解
