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代数扩张

域扩张的基本概念​

设 E⊇FE \supseteq F 是两个域(FF 是 EE 的子域)。EE 可以看作 FF 上的向量空间。

扩张次数​

[E:F]=dim⁡FE[E : F] = \dim_F E

即 EE 作为 FF-向量空间的维数,称为 EE 对 FF 的扩张次数。

  • [E:F]=1  ⟺  E=F[E : F] = 1 \iff E = F(平凡扩张)
  • [E:F]<∞[E : F] < \infty 称为有限扩张
  • [E:F]=∞[E : F] = \infty 称为无限扩张

次数公式(塔式定理)​

若 F⊆K⊆EF \subseteq K \subseteq E,则:

[E:F]=[E:K]⋅[K:F][E : F] = [E : K] \cdot [K : F]

这是扩张论中最常用的计算公式。

代数元与超越元​

定义​

设 E/FE/F 为域扩张,α∈E\alpha \in E。

  • 若存在非零多项式 f(x)∈F[x]f(x) \in F[x] 使 f(α)=0f(\alpha) = 0,则称 α\alpha 在 FF 上是代数元
  • 否则称 α\alpha 在 FF 上是超越元

极小多项式​

若 α\alpha 是 FF 上的代数元,则存在唯一的首一不可约多项式 mα(x)∈F[x]m_\alpha(x) \in F[x] 使 mα(α)=0m_\alpha(\alpha) = 0。mα(x)m_\alpha(x) 称为 α\alpha 在 FF 上的极小多项式。

极小多项式的次数 d=deg⁡mαd = \deg m_\alpha 称为 α\alpha 在 FF 上的次数。

关键性质​

  • mα(x)m_\alpha(x) 在 F[x]F[x] 中不可约
  • 若 f(α)=0f(\alpha) = 0,则 mα(x)∣f(x)m_\alpha(x) \mid f(x)
  • F(α)≅F[x]/(mα(x))F(\alpha) \cong F[x]/(m_\alpha(x))
  • [F(α):F]=deg⁡mα[F(\alpha) : F] = \deg m_\alpha

代数扩张​

若 EE 中每个元素都是 FF 上的代数元,则称 E/FE/F 为代数扩张。

定理:有限扩张 ⇒\Rightarrow 代数扩张。反之不一定成立。

反例​

Q‾\overline{\mathbb{Q}}(全体代数数构成的域)是 Q\mathbb{Q} 的代数扩张,但是无限扩张。

典型例子​

扩张次数代数/超越
C/R\mathbb{C} / \mathbb{R}22代数(极小多项式 x2+1x^2+1,α=i\alpha = i)
Q(2)/Q\mathbb{Q}(\sqrt{2}) / \mathbb{Q}22代数(极小多项式 x2−2x^2-2)
Q(23)/Q\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}) / \mathbb{Q}33代数(极小多项式 x3−2x^3-2)
Q(π)/Q\mathbb{Q}(\pi) / \mathbb{Q}∞\infty超越(π\pi 是超越数)
Fpn/Fp\mathbb{F}_{p^n} / \mathbb{F}_pnn代数