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有限域

有限域(也称 Galois 域)是元素个数有限的域。它在编码理论、密码学和组合设计中具有核心地位。

有限域的基本性质​

特征必为素数​

定理:有限域的特征必为素数 pp。

证明:特征不可能是 00(否则包含 Q\mathbb{Q},无限),故 char⁡(F)=p\operatorname{char}(F) = p。

元素个数必为素数幂​

定理:有限域 FF 的元素个数必为 pnp^n,其中 p=char⁡(F)p = \operatorname{char}(F),n=[F:Fp]n = [F : \mathbb{F}_p]。

记 Fq\mathbb{F}_q 表示 q=pnq = p^n 元有限域。

乘法群是循环群​

定理:Fq×=Fq∖{0}\mathbb{F}_q^{\times} = \mathbb{F}_q \setminus \{0\} 是 q−1q-1 阶循环群。

推论:存在 α∈Fq\alpha \in \mathbb{F}_q(本原元),使 Fq×=⟨α⟩\mathbb{F}_q^{\times} = \langle \alpha \rangle。因此 Fq={0,1,α,α2,…,αq−2}\mathbb{F}_q = \{0, 1, \alpha, \alpha^2, \ldots, \alpha^{q-2}\}。

xq−xx^{q} - x 的分解​

定理:在 Fq[x]\mathbb{F}_q[x] 中: xq−x=∏a∈Fq(x−a)x^{q} - x = \prod_{a \in \mathbb{F}_q} (x - a)

即 Fq\mathbb{F}_q 中每个元素都是 xq−xx^{q} - x 的根。这给出了有限域的一个等价刻画:Fq\mathbb{F}_q 是 xq−xx^q - x 在 Fp\mathbb{F}_p 上的分裂域。

存在性与唯一性​

定理:对任意素数 pp 和正整数 nn,存在且(同构意义下)唯一的 pnp^n 元有限域,记作 Fpn\mathbb{F}_{p^n}。

构造方法​

设 f(x)f(x) 是 Fp[x]\mathbb{F}_p[x] 中 nn 次不可约多项式,则:

Fpn≅Fp[x]/(f(x))\mathbb{F}_{p^n} \cong \mathbb{F}_p[x] / (f(x))

例如 F8\mathbb{F}_8 可由 F2[x]/(x3+x+1)\mathbb{F}_2[x]/(x^3+x+1) 构造。

子域结构​

定理​

Fpn\mathbb{F}_{p^n} 的子域恰为 Fpd\mathbb{F}_{p^d},其中 d∣nd \mid n。

  • F4⊂F16\mathbb{F}_4 \subset \mathbb{F}_{16}(2∣42 \mid 4)
  • F8\mathbb{F}_8 不包含 F4\mathbb{F}_4(2∤32 \nmid 3)

所有子域​

Fpn\mathbb{F}_{p^n} 的所有子域为 {Fpd∣d∣n}\{\mathbb{F}_{p^d} \mid d \mid n\},构成一个与 nn 的正因子一一对应的格。

Galois 群与 Frobenius 自同构​

Frobenius 自同构​

在 Fpn\mathbb{F}_{p^n} 上,Frobenius 映射:

φp:Fpn→Fpn,a↦ap\varphi_p: \mathbb{F}_{p^n} \to \mathbb{F}_{p^n}, \quad a \mapsto a^p

是域自同构(且是 Fp\mathbb{F}_p-自同构)。

Galois 群​

Fpn/Fp\mathbb{F}_{p^n} / \mathbb{F}_p 的 Galois 群是 nn 阶循环群:

Gal⁡(Fpn/Fp)=⟨φp⟩≅Zn\operatorname{Gal}(\mathbb{F}_{p^n} / \mathbb{F}_p) = \langle \varphi_p \rangle \cong \mathbb{Z}_n

有限域上的多项式​

不可约多项式分解​

在 Fp[x]\mathbb{F}_p[x] 中,f(x)=xpn−xf(x) = x^{p^n} - x 分解为 Fp\mathbb{F}_p 上所有次数整除 nn 的不可约多项式的乘积。

推论:Fp[x]\mathbb{F}_p[x] 中存在任意次数的不可约多项式。这保证了任意阶有限域的存在性。

举例:F2[x]\mathbb{F}_2[x] 中的不可约多项式​

次数不可约多项式
1x,x+1x, x+1
2x2+x+1x^2 + x + 1
3x3+x+1,x3+x2+1x^3 + x + 1, x^3 + x^2 + 1

有限域 vs 无限域 速查​

性质有限域 Fpn\mathbb{F}_{p^n}无限域 Q\mathbb{Q}
元素个数pnp^n无限
特征pp00
乘法群循环群不是循环群
代数闭包不是代数闭域代数闭包为 Q‾\overline{\mathbb{Q}}
Frobenius是域自同构不是(apa^p 不是同态)