伽罗瓦理论 (Galois Theory)

下面考虑的域扩张都是代数扩张,并且通常也都是有限、可分扩张。

回顾:伽罗瓦群 (Galois Group)

定义:伽罗瓦群 (Galois Group)

域扩张 E/FE/F 的伽罗瓦群,记为 Gal(E/F)\text{Gal}(E/F)(笔记中简记为 GF(E)G_F(E)),是 EE 上所有保持 FF 中元素不变(即 FF-自同构)的自同构 σ:E→E\sigma: E \to E 组成的群。

GF(E)={σ∈Aut(E)∣∀α∈F,σ(α)=α}G_F(E) = \{ \sigma \in \text{Aut}(E) \mid \forall \alpha \in F, \sigma(\alpha) = \alpha \}

这等价于 σ∣F=ι\sigma|_F = \iota(σ\sigma 在 FF 上的限制是恒等映射)。

  • 如果 F<L<EF < L < E 是一个中间域 (intermediate field),
  • 那么 GL(E)G_L(E) 是 GF(E)G_F(E) 的一个子群 (GL(E)<GF(E)G_L(E) < G_F(E))。

不动域 (Fixed Field)

定义:不动域 (Fixed Field)

设 H<GF(E)H < G_F(E) 是伽罗瓦群的一个子群。HH 的不动域 fix(H)fix(H) 定义为:

fix(H)={α∈E∣∀σ∈H,σ(α)=α}fix(H) = \{ \alpha \in E \mid \forall \sigma \in H, \sigma(\alpha) = \alpha \}

即 EE 中所有被 HH 中 每一个 自同构 σ\sigma 保持不变的元素组成的集合。

证明:fix(H)fix(H) 是 EE 的一个子域 (subfield)。

∀α,β∈fix(H)\forall \alpha, \beta \in fix(H),∀σ∈H\forall \sigma \in H:

  1. 加法/减法: σ(α±β)=σ(α)±σ(β)=α±β\sigma(\alpha \pm \beta) = \sigma(\alpha) \pm \sigma(\beta) = \alpha \pm \beta。
    所以 (α±β)∈fix(H)(\alpha \pm \beta) \in fix(H)。
  2. 乘法/除法:(假设 β≠0\beta \neq 0) σ(αβ−1)=σ(α)σ(β−1)=σ(α)σ(β)−1=αβ−1\sigma(\alpha \beta^{-1}) = \sigma(\alpha) \sigma(\beta^{-1}) = \sigma(\alpha) \sigma(\beta)^{-1} = \alpha \beta^{-1}。
    所以 (αβ−1)∈fix(H)(\alpha \beta^{-1}) \in fix(H)。

因此,fix(H)fix(H) 对域运算封闭,是 EE 的一个子域。

伽罗瓦基本对应

利用不动域以及伽罗瓦扩张的定义,可以在 E/FE/F 的中间域集合 F=def{L∣F<L<E}\mathcal{F} \overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=}\{ L | F<L<E \} 与 GF(E)G_F(E) 的子群集合 G=def{H∣{ι}<H<GF(E)}\mathcal{G} \overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=} \{ H | \{ \iota \} < H < G_{F}(E) \} 之间构造一个对应关系。

我们现在有两个核心映射:

  1. Π\Pi 映射(从域到群):
    • L↦GL(E)F→G⋅(E)GL \mapsto G_L(E) \quad \mathcal{F} \xrightarrow{G_{\cdot}(E)} \mathcal{G}
  2. Ω\Omega 映射(从群到域):
    • H↦fix(H)G→fix(⋅)FH \mapsto fix(H) \quad \mathcal{G} \xrightarrow{fix(\cdot )} \mathcal{F}

对应的基本性质

这两个映射具有反向包含 (inclusion-reversing) 的性质:

  1. 如果 F<K<L<EF < K < L < E,那么 GL(E)≤GK(E)G_L(E) \le G_K(E)。
  2. 如果 H<K<GF(E)H < K < G_F(E),那么 fix(K)≤fix(H)fix(K) \le fix(H)。

对于任意中间域 LL 和任意子群 HH:

  1. L⊆fix(GL(E))L \subseteq fix(G_L(E))
    (LL 中的元素按定义被 GL(E)G_L(E) 中所有自同构固定,所以 LL 必然在 fix(GL(E))fix(G_L(E)) 中。)
  2. H⊆Gfix(H)(E)H \subseteq G_{fix(H)}(E)
    (HH 中的自同构按定义固定 fix(H)fix(H) 中所有元素,所以 HH 必然在 Gfix(H)(E)G_{fix(H)}(E) 中。)

伽罗瓦理论基本定理 (Fundamental Theorem of Galois Theory)

定理:伽罗瓦理论基本定理 (Fundamental Theorem of Galois Theory)

如果 E/FE/F 是一个伽罗瓦扩张,那么:

  1. 上述两个包含关系 都是等号:
    • L=fix(GL(E))L = fix(G_L(E))
    • H=Gfix(H)(E)H = G_{fix(H)}(E)
  2. Π\Pi 和 Ω\Omega 映射是 E/FE/F 的中间域集合与 GF(E)G_F(E) 的子群集合之间的、互为逆的、反向包含的双射。
  3. 度/指数关系:
    • [E:L]=∣GL(E)∣[E:L] = |G_L(E)|
    • [L:F]=(GF(E):GL(E))[L:F] = (G_F(E) : G_L(E)) (群的指数)

注: 如果 E/FE/F 不是伽罗瓦扩张,上述等号不一定成立。
例子: 设 F=QF = \mathbb{Q},E=Q(23)E = \mathbb{Q}(\sqrt[3]{2})。
这是一个 33 次扩张,但 EE 不是 Q\mathbb{Q} 上的正规扩张。EE 中只有恒等自同构 σ=ι\sigma = \iota 能保持 Q\mathbb{Q} 不变(因为 23\sqrt[3]{2} 必须被映到 EE 中的一个根,而 EE 中只有一个实根 23\sqrt[3]{2})。
因此 GF(E)=GQ(E)={ι}G_F(E) = G_{\mathbb{Q}}(E) = \{ \iota \}。
那么 fix(GF(E))=fix({ι})=E=Q(23)fix(G_F(E)) = fix(\{ \iota \}) = E = \mathbb{Q}(\sqrt[3]{2})。
但是 F=QF = \mathbb{Q}。
所以 F≠fix(GF(E))F \neq fix(G_F(E))。

抽象化:伽罗瓦连接 (Galois Connection)

伽罗瓦理论中的这种双重对应关系可以被抽象出来。

伽罗瓦连接 (Galois Connection)

定义:伽罗瓦连接 (Galois Connection)

设有两个偏序集合 (P,≤)(P, \le) 和 (Q,≤)(Q, \le),以及两个映射 Π:P→Q\Pi: P \to Q,Ω:Q→P\Omega: Q \to P
后面为方便,记 Π(p)=p∗,p∈PΩ(q)=q′,q∈Q\Pi(p) = p^{*}, p \in P \quad \Omega(q) = q', q \in Q

我们称 (Π,Ω)(\Pi, \Omega) 构成 (P,Q)(P, Q) 上的伽罗瓦连接,如果它们满足:

  1. 序反转 (Order-reversing):
    • ∀p1,p2∈P,p1≤p2  ⟹  p2∗≤p1∗\forall p_1, p_2 \in P, \quad p_1 \le p_2 \implies p_2^* \le p_1^*
    • ∀q1,q2∈Q,q1≤q2  ⟹  q2′≤q1′\forall q_1, q_2 \in Q, \quad q_1 \le q_2 \implies q_2' \le q_1'
  2. 扩张 (Extension):
    • ∀p∈P,p≤(p∗)′\forall p \in P, \quad p \le (p^*)' (简记 p≤p∗′p \le p^{*\prime})
    • ∀q∈Q,q≤(q′)∗\forall q \in Q, \quad q \le (q')^* (简记 q≤q′∗q \le q'^*)

可以看出伽罗瓦连接正好对应了前面 F\mathcal{F} 与 G\mathcal{G} 之间的映射的性质。

闭包运算 (Closure Operator)

定义:闭包运算 (Closure Operator)

偏序集 PP 上的一个映射 cl:P→Pcl: P \to P 称为闭包运算,如果它满足:

  1. 扩张 (Extension): ∀p∈P,p≤cl(p)\forall p \in P, \quad p \le cl(p)
  2. 幂等 (Idempotent): ∀p∈P,cl(cl(p))=cl(p)\forall p \in P, \quad cl(cl(p)) = cl(p)
  3. 单调 (Isotonic): ∀p,q∈P,p≤q  ⟹  cl(p)≤cl(q)\forall p, q \in P, \quad p \le q \implies cl(p) \le cl(q)

伽罗瓦连接与闭包运算

定理

在一个伽罗瓦连接 (Π,Ω)(\Pi, \Omega) 中,由 clP(p)=p∗′cl_P(p) = p^{*\prime} 定义的 clP:P→Pcl_P: P \to P 和由 clQ(q)=q′∗cl_Q(q) = q'^* 定义的 clQ:Q→Qcl_Q: Q \to Q 都是闭包运算。

证明: (以 clP(p)=p∗′cl_P(p) = p^{*\prime} 为例)

  1. 扩张: p≤p∗′p \le p^{*\prime}。
    (这直接由伽罗瓦连接的定义 2 得到。)
  2. 单调: 设 p≤qp \le q。
    • 应用 ∗* (序反转):q∗≤p∗q^* \le p^*。
    • 应用 ′' (序反转):p∗′≤q∗′p^{*\prime} \le q^{*\prime}。
    • 即 clP(p)≤clP(q)cl_P(p) \le cl_P(q)。
  3. 幂等: 需证 clP(clP(p))=clP(p)cl_P(cl_P(p)) = cl_P(p),即 p∗′∗′=p∗′p^{*\prime *\prime} = p^{*\prime}。
    • 首先,我们证明一个有用的引理:p∗′∗=p∗p^{*\prime*} = p^*。
      • (a) 对 p∈Pp \in P 应用扩张 (2): p≤p∗′p \le p^{*\prime}。
      • 将 ∗* (序反转) 应用于 (a): p∗′∗≤p∗p^{*\prime*} \le p^*。
      • (b) 对 p∗∈Qp^* \in Q 应用扩张 (2): p∗≤(p∗)′∗=p∗′∗p^* \le (p^*)'^* = p^{*\prime*}。
      • © 结合 (a) 和 (b),我们得到 p∗′∗=p∗p^{*\prime*} = p^*。
    • 现在我们证明幂等性: p∗′∗′=p∗′p^{*\prime *\prime} = p^{*\prime}。
    • 将 ′' (序反转) 应用于 p∗′∗=p∗p^{*\prime*} = p^* (我们刚证的引理) 的两边,
    • 得到 (p∗′∗)′=(p∗)′(p^{*\prime*})' = (p^*)',即 p∗′∗′=p∗′p^{*\prime *\prime} = p^{*\prime}。
    • (证毕。)

定义:闭元
称 p∈Pp \in P 是闭元 (closed element),如果 p=clP(p)p = cl_P(p) (即 p=p∗′p = p^{*\prime}) 。
称 q∈Qq \in Q 是闭元 (closed element),如果 q=clQ(q)q = cl_Q(q) (即 q=q′∗q = q'^*) 。

  • ∗* 映射的像集(Im(∗)\text{Im}(*))中的元素总是 QQ 中的闭元。
    (证明: ∀p∗∈Im(∗)\forall p^* \in \text{Im}(*), clQ(p∗)=(p∗)′∗=p∗′∗cl_Q(p^*) = (p^*)'^* = p^{*\prime*}。根据上述引理,p∗′∗=p∗p^{*\prime*} = p^*。所以 clQ(p∗)=p∗cl_Q(p^*) = p^*。)
  • ′' 映射的像集(Im(′)\text{Im}('))中的元素总是 PP 中的闭元。
    (同理可证 clP(q′)=q′∗′=q′cl_P(q') = q'^{*\prime} = q')。

抽象伽罗瓦基本定理

定理:抽象伽罗瓦基本定理

伽罗瓦连接 (Π,Ω)(\Pi, \Omega) 建立了 PP 中所有闭元的集合 cl(P)cl(P) 与 QQ 中所有闭元的集合 cl(Q)cl(Q) 之间的一个反向同构(order-reversing isomorphism)(即反向双射)。

Π:cl(P)→cl(Q)\Pi: cl(P) \to cl(Q) (定义为 p↦p∗p \mapsto p^*)
Ω:cl(Q)→cl(P)\Omega: cl(Q) \to cl(P) (定义为 q↦q′q \mapsto q')

这两个映射互为逆映射。

证明:

  1. 首先证明是满射:
    对于 ∀q∈cl(Q)\forall q\in cl(Q),有 q=cl(q)=q′∗q = cl(q) = q'^{*},即总能找到 q′∈Pq'\in P 使得 (q′)∗=q(q')^{*} = q,是满射。
  2. 然后证明是单射
    ∀p1,p2∈cl(P)\forall p_1, p_2 \in cl(P),考虑 p1∗=p2∗p_1^{*} = p_2^{*},可以推得 p1∗′=p2∗′⇒p1=p2p_1^{*\prime} = p_2^{*\prime} \Rightarrow p_1 = p_2,是单射。
  3. 最后验证互为逆映射
    显然有 Π∘Ω=Ω∘Π=ι\Pi \circ \Omega = \Omega \circ \Pi = \iota
    (证毕。)

实例化与闭元分析

  • PP :F=: \mathcal{F} ={ E/FE/F 的中间域 LL }
  • QQ :G=: \mathcal{G} = { GF(E)G_F(E) 的子群 HH }
  • Π:G⋅(E)\Pi : G_{\cdot }(E)
  • Ω:fix(⋅)\Omega : fix(\cdot )

LL 是闭元   ⟺  L=L∗′=fix(GL(E))\iff L = L^{*\prime} = fix(G_L(E))。
HH 是闭元   ⟺  H=H′∗=Gfix(H)(E)\iff H = H'^* = G_{fix(H)}(E)。

分析Top和Bottom元素:

  • PP 中:1P=E1_P = E (最大元),0P=F0_P = F (最小元)。
  • QQ 中:1Q=GF(E)1_Q = G_F(E) (最大元),0Q={ι}0_Q = \{\iota\} (最小元)。
  1. 首先分析两边的 top 元素:根据闭包运算的性质,有 1P≤1P∗′1_{P} \le 1_{P}^{* \prime},但是 1P1_{P} 是 PP 中的 top 元素,因此 1P=1P∗′1_{P} = 1_{P}^{* \prime}。同理 1Q=1Q′∗1_{Q} = 1_{Q}^{\prime *}
    结论: 1P,1Q1_{P}, 1_{Q} 都是闭元。
  2. 既然 top 元素是闭元,那么就会在映射的像中,例如考虑 1P1_{P},∃q∈Q,q′=1P\exists q\in Q, q' = 1_{P}。同时利用伽罗瓦连接的 order-reversing 的性质,这个 qq 恰好应当为 0Q0_{Q}。
    结论: 1P=0Q′1Q=0P∗1_{P} = 0_{Q}' \quad 1_{Q} = 0_{P}^{*}
  3. 不难看出 QQ 中的最小闭元为 1P∗1_{P}^*,那么
    结论: 0Q0_{Q} 是闭元   ⟺  \iff 0Q=1P∗0_{Q} = 1_{P}^{*};0P0_{P} 是闭元   ⟺  \iff 0P=1Q∗0_{P} = 1_{Q}^{*}

接下来考察具体的 F\mathcal{F} 与 G\mathcal{G}:

  1. 由于 GE(E)={ι}G_{E}(E) = \{ \iota \},因此 {ι}\{ \iota \} 恰好是闭元
  2. 然后考察 fix(GF(E))fix(G_{F}(E)),只能得到 fix(GF(E))≥Ffix(G_{F}(E))\ge F,因此 FF 不一定闭
    • 如前例 F=QF = \mathbb{Q},E=Q(23)E = \mathbb{Q}(\sqrt[3]{2})

带标度的伽罗瓦连接 (Indexed Galois Connection)

我们可以将“域扩张的度”和“群的指数”也抽象进来。

定义:带标度的伽罗瓦连接

设 (P,≤)(P, \le) 和 (Q,≤)(Q, \le) 有一个伽罗瓦连接 (Π,Ω)(\Pi, \Omega)。

  1. 对 p,q∈Pp, q \in P 且 p≤qp \le q,定义 (q:p)(q:p) 为 qq over pp 的度 (degree)。
  2. 对 r,s∈Qr, s \in Q 且 r≤sr \le s,定义 (s:r)(s:r) 为 ss over rr 的指数 (index)。
  3. 塔律 (Tower Law):
    • p1≤p2≤p3∈P  ⟹  (p3:p1)=(p3:p2)⋅(p2:p1)p_1 \le p_2 \le p_3 \in P \implies (p_3:p_1) = (p_3:p_2) \cdot (p_2:p_1)
    • s1≤s2≤s3∈Q  ⟹  (s3:s1)=(s3:s2)⋅(s2:s1)s_1 \le s_2 \le s_3 \in Q \implies (s_3:s_1) = (s_3:s_2) \cdot (s_2:s_1)
  4. 度/指数关系:(degree nonincreasing)
    • ∀p≤q∈P  ⟹  (q:p)≥(p∗:q∗)\forall p \le q \in P \implies (q:p) \ge (p^* : q^*)
    • ∀r≤s∈Q  ⟹  (s:r)≥(r′:s′)\forall r \le s \in Q \implies (s:r) \ge (r' : s')
  5. 非退化: (q:p)=1  ⟹  p=q(q:p)=1 \implies p=q。

定理

  1. 闭元上的度保持 (Degree-preserving on closed elements):
    如果 p,r∈cl(P)p, r \in cl(P) (都是闭元) 且 p≤rp \le r,那么 (r:p)=(p∗:r∗)(r:p) = (p^* : r^*)。

  2. 闭元的有限扩张是闭的 (Finite extensions of closed elements are closed):
    如果 p∈cl(P)p \in cl(P) (是闭元),p≤r∈Pp \le r \in P,且 (r:p)<∞(r:p) < \infty (有限扩张),
    那么 rr 也是闭元 (r∈cl(P)r \in cl(P))。

证明 (1. 度保持):

  • (a) (r:p)≥(p∗:r∗)(r:p) \ge (p^* : r^*) (由定义 4)。
  • (b) p≤r  ⟹  r∗≤p∗p \le r \implies r^* \le p^*。
  • p∗p^* 和 r∗r^* 都是 QQ 中的闭元 (因为它们是 ∗* 的像)。
  • 对 QQ 中的 r∗≤p∗r^* \le p^* 应用定义 4:
    (p∗:r∗)≥((r∗)′:(p∗)′)(p^* : r^*) \ge ( (r^*)' : (p^*)' )
  • 因为 p,rp, r 是 PP 中的闭元, r∗′=rr^{*\prime} = r 且 p∗′=pp^{*\prime} = p。
  • 所以 (p∗:r∗)≥(r:p)(p^* : r^*) \ge (r:p)。
  • 结合 (a) 和 (b),得 (r:p)=(p∗:r∗)(r:p) = (p^* : r^*)。

证明 (2. 有限扩张是闭的):

  • p∈cl(P)p \in cl(P),r∈Pr \in P,p≤rp \le r 且 (r:p)<∞(r:p) < \infty。
  • 我们需要证明 cl(r)=rcl(r) = r。
  • 由闭包定义 (1), r≤cl(r)r \le cl(r)。
  • p,cl(r)p, cl(r) 都是闭元 (pp 假设是闭元, cl(r)cl(r) 根据定义总是闭元)。
  • p≤r≤cl(r)p \le r \le cl(r)。
  • 应用塔律: (cl(r):p)=(cl(r):r)⋅(r:p)(cl(r) : p) = (cl(r) : r) \cdot (r:p)。
  • 应用 (1. 度保持) (因为 p,cl(r)p, cl(r) 是闭元): (cl(r):p)=(p∗:cl(r)∗)(cl(r) : p) = (p^* : cl(r)^*)。
  • cl(r)=r∗′cl(r) = r^{*\prime},所以 cl(r)∗=r∗′∗cl(r)^* = r^{*\prime*}。
  • 我们已知 r∗′∗=r∗r^{*\prime*} = r^* (在闭包运算的证明中)。
  • 所以 (cl(r):p)=(p∗:r∗)(cl(r) : p) = (p^* : r^*)。
  • 另一方面,由定义 (4): (r:p)≥(p∗:r∗)(r:p) \ge (p^* : r^*)。
  • 组合起来:

    (cl(r):r)⋅(r:p)=(cl(r):p)=(p∗:r∗)≤(r:p)(cl(r) : r) \cdot (r:p) = (cl(r) : p) = (p^* : r^*) \le (r:p)

  • 即 (cl(r):r)⋅(r:p)≤(r:p)(cl(r) : r) \cdot (r:p) \le (r:p)。
  • 因为 (r:p)(r:p) 是有限的,我们可以约去它。
  • 得到 (cl(r):r)≤1(cl(r) : r) \le 1。
  • 根据定义 (5),这必然意味着 (cl(r):r)=1(cl(r) : r) = 1,且 cl(r)=rcl(r) = r。
  • 因此 rr 是闭元。

最终总结

伽罗瓦理论基本定理是上述抽象理论的一个完美实例:

  1. 假设 E/FE/F 是一个伽罗瓦扩张。
  2. 这意味着 FF 是一个闭元 (F=fix(GF(E))F = fix(G_F(E)))。
  3. 假设 E/FE/F 是有限扩张 ([E:F]<∞[E:F] < \infty)。
  4. 根据定理 2 (有限扩张是闭的),FF 的任何有限扩张(即任何中间域 LL)也都是闭元 (L=fix(GL(E))L = fix(G_L(E)))。
  5. (同时,对于群,在伽罗瓦扩张下,所有子群 HH 也都是闭元 H=Gfix(H)(E)H = G_{fix(H)}(E)。)
  6. 因此,在有限伽罗瓦扩张 E/FE/F 中,所有中间域和所有子群都是闭元。
  7. 根据抽象伽罗瓦基本定理,这两个集合(中间域集合与子群集合)通过 L↦GL(E)L \mapsto G_L(E) 和 H↦fix(H)H \mapsto fix(H) 建立了一个完美的反向双射。
  8. 根据定理 1 (度保持),这个双射还保持度与指数的相等关系:
    [L:F]=(GF(E):GL(E))[L:F] = (G_F(E) : G_L(E))。