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域扩张的 Galois 群与 Galois 扩张#

1 定义#

自同构群:设 EE 是一个域,EE 的全体自同构的集合在变换的合成下构成一个群,称其为 EE 的自同构群,记为 Aut(E)\operatorname{Aut}(E)

Galois 群:设 EE 是域 FF 的一个扩张,EE 的所有 FF -自同构的集合 Gal(E/F):={σAut(E)σF=idF}Gal(E/F) := \{ \sigma \in \operatorname{Aut}(E) \mid \sigma |_F = \operatorname{id}_F \} 构成 Aut(E)\operatorname{Aut}(E) 的一个子群,称为 EEFF 上的 Galois 群。

不动元:设 GAut(E)G\le \operatorname{Aut}(E)αE\alpha \in E,若对 σG\forall \sigma \in G,都有 σ(α)=α\sigma(\alpha)=\alpha,则称 α\alphaGG 的不动元。EE 的所有 GG 的不动元集合

Inv(G):={αEσG,σ(α)=α}\operatorname{Inv}(G) := \{ \alpha \in E \mid \forall \sigma \in G, \sigma(\alpha)=\alpha \}

构成 EE 的一个子域,称为 GG 的不动域。

Galois 扩张:设 EE 是域 FF 的扩张,如果 Inv(Gal(E/F))=F\operatorname{Inv}(\operatorname{Gal}(E/F))=F,就称 EEFF 的 Galois 扩张。

共轭:设 EEFF 的 Galois 扩张,LL 是中间域,对 σGal(E/F)\forall \sigma \in \operatorname{Gal}(E/F),称 σ(L)\sigma(L)LL 的共轭。

Galois 对应:Galois 基本定理定义的一一对应 LGal(E/L)L \leftrightarrow \operatorname{Gal}(E/L)HInv(H)H \leftrightarrow \operatorname{Inv}(H) 也称为 Galois 对应

2 定理#

命题 1.1.1:设 L1,L2L_{1},L_{2} 是域 EE 的子域,H1,H2H_{1},H_{2}Aut(E)\operatorname{Aut}(E) 的子群,则有

L1L2Gal(E/L2)Gal(E/L1)H1H2Inv(H2)Inv(H1)\begin{align} L_{1}\subset L_{2} &\Rightarrow \operatorname{Gal}(E/L_{2}) \subset\operatorname{Gal}(E/L_{1}) \\ H_{1} \subset H_{2} &\Rightarrow \operatorname{Inv}(H_{2}) \subset \operatorname{Inv}(H_{1}) \end{align}

定理 1.1.1:设 EELLFF 的扩张且 E:F{E:F} 有限,则从 EELL 互不相同的 FF- 同态个数不超过 [E:F][E:F]。特别地,

Gal(E/F)[E:F]|Gal(E/F)| \leq [E:F]

定理 1.1.2:设 EEFF 的有限次扩张,则下列陈述等价: (i) EEFF 的 Galois 扩张; (ii) EEFF 的可分正规扩张; (iii) EEFF 上一个可分多项式的分裂域; (iv) Gal(E/F)=[E:F]|\text{Gal}(E/F)| = [E : F]

定理 1.1.3(Artin 引理):设 EE 是域,GGAut(E)\operatorname{Aut}(E) 的有限子群,F=Inv(G)F=\operatorname{Inv}(G),则

[E:F]G[E:F] \le |G|

定理 1.1.4(Galois 基本定理):设 EE 是域 FF 的一个有限 Galois 扩张,G=Gal(E/F)G = \operatorname{Gal}(E/F),记

H={HHG},L={LFLE}\mathcal{H} = \{ H \mid H \le G \}, \quad \mathcal{L} = \{ L \mid F \subseteq L \subseteq E \}

Gal:LH,LGal(E/L)\operatorname{Gal}:\mathcal{L} \to \mathcal{H}, \quad L \mapsto \operatorname{Gal}(E/L)

Inv:HL,HInv(H)\operatorname{Inv}:\mathcal{H} \to \mathcal{L}, \quad H \mapsto \operatorname{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,H2H_1, H_2 分别与中间域 L1,L2L_1, L_2 对应时, H1H2L1L2.H_1 \supseteq H_2 \Leftrightarrow L_1 \subseteq L_2. 下面设子群 HH 与中间域 LL 对应,即 H=Gal(E/L)H = \text{Gal}(E/L) 或者 L=Inv(H)L = \text{Inv}(H)。 (iii) [E:L]=H,[L:F]=[G:H][E : L] = |H|, [L : F] = [G : H]。 (iv) 任取 σG\sigma \in G, HH 的共轭子群 σHσ1\sigma H \sigma^{-1}LL 的共轭 σ(L)\sigma (L) 对应。 (v) HGH \unlhd G 当且仅当 LLFF 的 Galois 扩张,这时 Gal(L/F)G/H\text{Gal}(L/F) \cong G/H

定理 1.1.5(代数基本定理):复数域 C\mathbb{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)f(x) 是域 FF 上没有重根的多项式,称 Gal(E/F)\operatorname{Gal}(E/F) 限制到 f(x)f(x) 的根集 XX 上所得到的群 GfG_{f} 为多项式 f(x)f(x) 的 Galois 群

交换扩张与循环扩张:设 EE 是域 FF 的 Galois 扩张,如果 Gal(E/F)\operatorname{Gal}(E/F) 为交换群,就称 E/FE/F 为交换扩张或者 Abel 扩张;如果 Gal(E/F)\operatorname{Gal}(E/F) 为循环群,就称 E/FE/F 为循环扩张。

判别式:设 f(x)F[x]f(x)\in F[x]degf(x)1\deg f(x)\ge 1f(x)f(x) 在其分裂域中的根为 α1,α2,,αn\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots ,\alpha _{n},则称

Df=a2n21i<jn(αiαj)2D_{f}=a^{2n-2} \prod_{1\le i<j \le n}(\alpha_{i}-\alpha_{j})^{2}

其中 aaf(x)f(x) 的首项系数,称为 f(x)f(x) 的判别式。

2 定理#

命题 1.2.1:设 FF 是域 Q(ζn)\mathbb{Q}(\zeta _{n}) 的扩域,其中 ζn\zeta _{n} 是一个 nn 次本院单位根,

定理 1.2.1:设 f(x)f(x) 是域 FF 上没有重根的多项式,EEf(x)f(x)FF 上的分裂域,f(x)f(x)E[x]E[x] 上有分解式

f(x)=ai=1n(xαi)f(x)=a \prod_{i=1}^{n}(x-\alpha_{i})

其中 aFa\in Ff(x)f(x) 的首项系数,则 Gal(E/F)\operatorname{Gal}(E/F) 同构于 f(x)f(x) 的根 {α1,α2,,αn}\{\alpha_{1},\alpha_{2},\ldots,\alpha_{n}\} 的一个置换群 GfG_{f}

定理 1.2.2:设 f(x)f(x) 是域 FF 上没有重根的多项式,则 f(x)f(x)FF 上不可约当且仅当 GfG_{f}f(x)f(x) 的根集上的作用传递

定理 1.2.3:设域 FF 的特征不为 2,f(x)F[x]f(x)\in F[x]degf(x)=n1\deg f(x)=n\ge 1,且 f(x)f(x) 没有重根,则 GfG_{f} 中的每个元素都是 f(x)f(x) 的根集 X={α1,α2,αn}X = \{ \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots \alpha _{n} \} 上的偶置换当且仅当 ΔF\sqrt{\Delta} \in F,其中 Δ\Deltaf(x)f(x) 的判别式

定理 1.2.4:设域 FF 的特征不为 2, f(x)f(x)FF 上的 4 次不可约多项式, EEf(x)f(x)FF 上的分裂域. 令 g(x)g(x)f(x)f(x) 的预解式, LLg(x)g(x)FF 上的分裂域, m=[L:F]m = [L : F].

(i) 若 g(x)g(x)FF 上不可约且 DfF2D_f \notin F^{*2}, 则 m=6,GfS4m = 6, G_f \cong S_4.

(ii) 若 g(x)g(x)FF 上不可约且 DfF2D_f \in F^{*2}, 则 m=3,GfA4m = 3, G_f \cong A_4.

(iii) 若 g(x)g(x)F[x]F[x] 中有一个 2 次不可约因式, 且 f(x)f(x)LL 上不可约, 则 m=2,GfD4m = 2, G_f \cong D_4. (iv) 若 g(x)g(x)F[x]F[x] 中有一个 2 次不可约因式, 且 f(x)f(x)LL 上可约, 则 m=2,GfZ4m = 2, G_f \cong \mathbb{Z}_4.

(v) 若 g(x)g(x)F[x]F[x] 中分解为一次因式的乘积,则 m=1,GfV4m = 1, G_f \cong V_4.

定理 1.2.5:设 x1,x2,,xnx_{1},x_{2},\cdots,x_{n} 是域 KK 上的无关未定元,s1,s2,,sns_{1},s_{2},\cdots,s_{n} 是关于 x1,x2,,xnx_{1},x_{2},\cdots,x_{n} 的初等对称多项式,令 F=K(s1,s2,,sn)F = K(s_{1},s_{2},\cdots,s_{n}) 以及

f(x)=i=1n(xxi)=xns1xn1++(1)nsnF[x]f(x)=\prod_{i=1}^{n}(x-x_{i}) =x^{n}-s_{1}x^{n-1}+\cdots+(-1)^{n}s_{n}\in F[x]

定理 1.2.6:设 pp 为素数,f(x)f(x)Q\mathbb{Q} 上的 pp 次不可约多项式,如果 f(x)f(x)C\mathbb{C} 中恰有两个非实数复根,那么 GfSpG_{f}\cong S_{p}

定理 1.2.7:设 f(x)F[x]f(x) \in F[x] 是不可约多项式,EEf(x)f(x)FF 上的分裂域,α\alphaf(x)f(x)EE 中的一个根,则 f(x)f(x) 的所有根都形如 σ(α)\sigma(\alpha),其中 σGal(E/F)\sigma \in \operatorname{Gal}(E/F)

方程式的根式解#

1 定义#

单根式扩张:设 E=f(α)E=f(\alpha) 是域 FF 的一个单扩张,如果存在正整数 nn 使得 αnF\alpha^{n}\in F,就称 EEFF 的一个单根式扩张 根式扩张:设 E/FE/F 是有限次扩张,若存在一个域的扩张链

F=F0F1Fs1Fs=E,F = F_0 \subseteq F_1 \subseteq \cdots \subseteq F_{s-1} \subseteq F_s = E,

使得对于每个 1is1 \leq i \leq s, FiF_iFi1F_{i-1} 的单根式扩张,即存在 αiFi\alpha_i \in F_i 和正整数 nin_i 使得

Fi=Fi1(αi)F_i = F_{i-1}(\alpha_i)

αiniFi1\alpha_i^{n_i} \in F_{i-1},则称 EEFF 的一个根式扩张,而如上域的扩张链 (1.9) 叫做根式扩张 E/FE/F 的一个根式扩张链。

根式可解:设 FF 是域,f(x)F[x]f(x)\in F[x],如果存在 FF 的一个根式扩张包含 f(x)f(x)FF 上的一个分裂域,那么就称代数方程 f(x)=0f(x)=0FF 上根式可解或有根式解

2 定理#

命题 1.3.1(Lagrange 预解式):设 FF 是特征为 00 的域,pp 是素数,且 FF 包含一个 pp 次本原单位根 ζp\zeta_{p},那么 FF 的任意 pp 次循环扩张 EE 都是单根式扩张

引理 1.3.1:设 EEFF 的有限可分扩张,E~\tilde{E}E/FE/F 的正规闭包,如果 E/FE/F 是根式扩张,那么 E~/F\tilde{E}/F 也是根式扩张 定理 1.3.1:设 FF 是特征为 00 的域,f(x)F[x]f(x)\in F[x]。如果 f(x)=0f(x)=0FF 上根式可解,那么 f(x)f(x)FF 上的 Galois 群 GfG_{f} 是可解群。

定理 1.3.2:设 FF 是特征为 00 的域,f(x)F[x]f(x)\in F[x],如果 f(x)f(x)FF 上的 Galois 群 GfG_{f} 可解,那么方程 f(x)=0f(x)=0FF 上根式可解 推论 1.3.1:设 FF 是特征为 00 的域,f(x)F[x]f(x)\in F[x],如果 degf(x)4\deg f(x)\le 4,那么方程 f(x)=0f(x)=0FF 上根式可解

抽象代数Galois理论
https://astro-pure.js.org/blog/abstractalgebragalois
Author ADL
Published at January 8, 2026
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