分圆扩张的定义与背景

我们讨论在域 FF 上的多项式 xn−1x^n - 1 的分裂域 SS。为了保证根的性质良好(即没有重根),我们首先需要对域的特征及其与 nn 的关系做出限定。

前提条件
假定域 FF 的特征 char(F)∤n\text{char}(F) \nmid n。

  • 如果 char(F)=p>0\text{char}(F) = p > 0,则要求 p∤np \nmid n。
  • 如果 char(F)=0\text{char}(F) = 0,则无限制。

在这种条件下,(xn−1)′=nxn−1≠0(x^n - 1)' = n x^{n-1} \neq 0,且与 xn−1x^n - 1 互素(因为两者没有公共根),因此 xn−1x^n - 1 在分裂域中有 nn 个不同的根。

典型例子:

  • F=QF = \mathbb{Q},则 S⊆CS \subseteq \mathbb{C},根的形式为 e2kπine^{\frac{2k\pi i}{n}}。
  • FF 为有限域时,即为有限域的扩张。

单位根群的结构

记 UnU_n 为 xn−1x^n - 1 在分裂域 SS 中的所有根的集合:

Un={α∈S∣αn=1}U_n = \{ \alpha \in S \mid \alpha^n = 1 \}

我们已知 ∣Un∣=n|U_n| = n。

为了确定 UnU_n 的群结构,我们需要引入一个重要的代数引理。

引理:有限子群定理
设 FF 是一个域。若 GG 是 F∗F^*(即 F∖{0}F \setminus \{0\},域的乘法群)的有限子群,则 GG 是循环群。

注:有限域 FF 的乘法群 F∗F^* 本身是循环群,即为该定理的一个特例。

定理:单位根群结构
UnU_n 关于乘法构成一个循环群。
它的结构同构于模 nn 的整数加法群:

(Un,⋅)≅(Zn,+)(U_n, \cdot) \cong (\mathbb{Z}_n, +)

定理证明过程:
我们要证明 (Un,⋅)(U_n, \cdot) 是循环群。由上述引理,我们只需证明 UnU_n 是 S∗S^* 的子群即可。

  1. 子群判定:对于任意 α,β∈Un\alpha, \beta \in U_n,我们需要验证 αβ−1∈Un\alpha\beta^{-1} \in U_n。

    (αβ−1)n=αn(βn)−1=1⋅1−1=1(\alpha\beta^{-1})^n = \alpha^n (\beta^n)^{-1} = 1 \cdot 1^{-1} = 1

    因为 (αβ−1)n=1(\alpha\beta^{-1})^n = 1,所以 αβ−1\alpha\beta^{-1} 也是 xn−1x^n - 1 的根,即 αβ−1∈Un\alpha\beta^{-1} \in U_n。

  2. 结论:UnU_n 是 S∗S^* 的有限子群,根据引理,UnU_n 必定是循环群。

本原单位根 (Primitive Roots)

由于 UnU_n 是循环群,我们可以选取它的生成元。

定义:本原单位根
UnU_n 的生成元称为 11 的本原 nn 次根。记 ωn\omega_n 为 11 的某一个本原 nn 次根,则有:

Un=⟨ωn⟩={1,ωn,ωn2,…,ωnn−1}U_n = \langle \omega_n \rangle = \{ 1, \omega_n, \omega_n^2, \dots, \omega_n^{n-1} \}

元素的阶 (Order):
对于任意 ωnk∈Un\omega_n^k \in U_n:

ord(ωnk)=n  ⟺  gcd⁡(n,k)=1\text{ord}(\omega_n^k) = n \iff \gcd(n, k) = 1

记 Ωn\Omega_n 为所有本原 nn 次根的集合:

Ωn={ωnk∣1≤k≤n,gcd⁡(n,k)=1}\Omega_n = \{ \omega_n^k \mid 1 \le k \le n, \gcd(n, k) = 1 \}

其元素个数为欧拉函数 ∣Ωn∣=ϕ(n)|\Omega_n| = \phi(n)。

同时可以发现 Ωn\Omega_n 与 Zn∗\mathbb{Z}_n^{*} 的元素存在一一对应关系:ωnk↔k\omega_n^{k} \leftrightarrow k

分圆扩张与伽罗瓦群

定义:分圆扩张 (Cyclotomic Extension)
域 FF 上 xn−1x^n - 1 的分裂域 SS 称为 FF 上的 nn 阶分圆扩张。

我们可以将其写为单扩张形式:

S=F(Un)=F(ωn)S = F(U_n) = F(\omega_n)

其中 ωn\omega_n 是任意一个本原 nn 次根。

注:关于生成元的选取
虽然 SS 一定可以由本原根生成,但可能存在 ωn′\omega_n' 不是本原 nn 次根,却依然满足 S=F(ωn′)S = F(\omega_n')。

实例分析 (n=15n=15):
考虑 x15−1x^{15}-1 在 F=F2F = \mathbb{F}_2 上的分裂域。

  1. 多项式 x4+x+1x^4+x+1 在 F2\mathbb{F}_2 上不可约。设其根为 α\alpha。
    经计算 ord(α)=15\text{ord}(\alpha) = 15,即 α\alpha 为本原根。
    此时 S=F2(α)=F16S = \mathbb{F}_2(\alpha) = \mathbb{F}_{16}。(α\alpha 也是域 F16\mathbb{F}_{16} 的本原元)。
  2. 考虑另一个多项式 m3(x)=x4+x3+x2+x+1m_3(x) = x^4+x^3+x^2+x+1。
    它有一个根为 α3\alpha^3。因为 ord(α3)=15(15,3)=5≠15\text{ord}(\alpha^3) = \frac{15}{(15, 3)} = 5 \neq 15,所以 α3\alpha^3 不是 1515 次本原根。
  3. 但是,依然有 S=F2(α3)=F16S = \mathbb{F}_2(\alpha^3) = \mathbb{F}_{16}。
    (这说明即便元素不是本原 nn 次根,它生成的域也可能等于整个分圆扩张域)。

由于 char(F)∤n\text{char}(F) \nmid n,该扩张是可分的,且是分裂域,因此 S/FS/F 是 伽罗瓦扩张 (Galois Extension)。

伽罗瓦群的结构映射

我们要研究伽罗瓦群 G=Gal(S/F)G = \text{Gal}(S/F) 的结构。
对于任意 σ∈Gal(S/F)\sigma \in \text{Gal}(S/F),σ\sigma 由它在生成元 ωn\omega_n 上的作用,即 σ(ωn)\sigma(\omega_n) 唯一确定。
由于 σ(ωn)\sigma(\omega_n) 必须仍是 xn−1x^n - 1 的根,且必须保持元素的阶不变(即仍为本原根),故:

σ(ωn)=ωnk,其中 gcd⁡(n,k)=1\sigma(\omega_n) = \omega_n^k, \quad \text{其中 } \gcd(n, k) = 1

定理:伽罗瓦群的嵌入
存在一个单射群同态 kk:

Gal(S/F)↪Zn∗\text{Gal}(S/F) \hookrightarrow \mathbb{Z}_n^*

这意味着分圆扩张的伽罗瓦群同构于模 nn 乘法群 Zn∗\mathbb{Z}_n^* 的一个子群。因此,分圆扩张的伽罗瓦群总是阿贝尔群 (Abelian)。

证明思路:
引入映射 k:σ↦k(σ)k: \sigma \mapsto k(\sigma),使得 k(σ)=log⁡ωnσ(ωn)k(\sigma) = \log_{\omega_n}\sigma(\omega_n),即满足 σ(ωn)=ωnk(σ)\sigma(\omega_n) = \omega_n^{k(\sigma)}。

  1. 同态性:σ(τ(ωn))=σ(ωnk(τ))=(ωnk(σ))k(τ)=ωnk(σ)k(τ)\sigma(\tau(\omega_n)) = \sigma(\omega_n^{k(\tau)}) = (\omega_n^{k(\sigma)})^{k(\tau)} = \omega_n^{k(\sigma)k(\tau)},对应于群乘法。
  2. 单射性:若 k(σ)=1k(\sigma) = 1,则 σ(ωn)=ωn\sigma(\omega_n) = \omega_n,即 σ\sigma 固定生成元,故 σ=id\sigma = \text{id}。

注意:kk 不一定是满射。

  • 在 F=QF = \mathbb{Q} 时,kk 是同构,即 ∣Gal(S/F)∣=ϕ(n)|\text{Gal}(S/F)| = \phi(n)。
  • 在有限域 FqF_q 上,往往只是真子群。
  • 例子:考虑 F=F2F = \mathbb{F}_2,扩张 F16=F2(ω15)F_{16} = \mathbb{F}_2(\omega_{15})。∣Gal∣=4|\text{Gal}| = 4,但 ∣Z15∗∣=ϕ(15)=8|\mathbb{Z}_{15}^*| = \phi(15) = 8。

分圆多项式 (Cyclotomic Polynomials)

根的分类与定义推导

记 UnU_n 为 xn−1x^n - 1 的根集。对于任意 ω∈Un\omega \in U_n,ord(ω)\text{ord}(\omega) 必整除 nn。
我们可以按照元素的阶(Order)对根进行分类:
对于 nn 的任意因子 dd (d∣nd \mid n),记 ωd\omega_d 为本原 dd 次根,即 ord(ωd)=d\text{ord}(\omega_d) = d。
考虑所有本原 dd 次根的集合,形式为 ωdk\omega_d^k,其中 (k,d)=1,1≤k<d(k, d) = 1, 1 \le k < d。这个集合的大小为 ϕ(d)\phi(d)。

定义:分圆多项式
令 Qd(x)Q_d(x) 为以所有本原 dd 次根为根的多项式:

Qd(x)=∏ord(α)=dα∈Un(x−α)=∏1≤k≤dgcd⁡(k,d)=1(x−ωdk)Q_d(x) = \prod_{\substack{\text{ord}(\alpha) = d \\ \alpha \in U_n}} (x - \alpha) = \prod_{\substack{1 \le k \le d \\ \gcd(k, d) = 1}} (x - \omega_d^k)

由根的分解关系,我们有:

xn−1=∏α∈Un(x−α)=∏d∣n(∏ord(α)=d(x−α))=∏d∣nQd(x)x^n - 1 = \prod_{\alpha \in U_n} (x - \alpha) = \prod_{d | n} \left( \prod_{\text{ord}(\alpha)=d} (x - \alpha) \right) = \prod_{d | n} Q_d(x)

基本性质

性质:分圆多项式的属性

  1. 次数:deg⁡(Qd)=ϕ(d)\deg(Q_d) = \phi(d)。
  2. 分解公式:xn−1=∏d∣nQd(x)x^n - 1 = \prod_{d | n} Q_d(x)。
  3. 系数性质:Qn(x)Q_n(x) 的系数属于 FF 的素子域(若 char(F)=p\text{char}(F)=p,则为 Zp\mathbb{Z}_p;若 char(F)=0\text{char}(F)=0,则为 Q\mathbb{Q} 且实际在 Z\mathbb{Z} 中)。

系数性质的证明 (归纳法)

  • 基础步骤:当 n=1n=1 时,Q1(x)=x−1Q_1(x) = x - 1,系数显然在素子域中,成立。

  • 归纳假设:假设对于任意 d∣nd \mid n 且 d<nd < n,(Qd(x))(Q_d(x)) 的系数都属于 FF 的素子域。

  • 归纳步骤:由分解公式 xn−1=∏d∣nQd(x)x^n - 1 = \prod_{d|n} Q_d(x),可变形为:

    xn−1=Qn(x)⋅∏d∣n,d<nQd(x)⏟g(x)x^n - 1 = Q_n(x) \cdot \underbrace{\prod_{d|n, d<n} Q_d(x)}_{g(x)}

    其中 g(x)g(x) 根据归纳假设,其系数属于素子域。
    因为 xn−1x^n - 1 的系数在素子域中,且 g(x)g(x) 是首一多项式(Monic),通过多项式除法可知,Qn(x)=xn−1g(x)Q_n(x) = \frac{x^n - 1}{g(x)} 的系数也必然属于素子域。

  • 特别地:当 F=QF=\mathbb{Q} 时,结合高斯引理 (Gauss Lemma) 和归纳法,可知 Qn(x)∈Z[x]Q_n(x) \in \mathbb{Z}[x](整系数多项式)。

Qn(x)Q_n(x) 的具体计算实例

方法一:利用分解公式

  1. n=1n=1:

    Q1(x)=x−1Q_1(x) = x - 1

  2. n=2n=2:

    x2−1=Q1(x)Q2(x)  ⟹  Q2(x)=x2−1x−1=x+1x^2 - 1 = Q_1(x)Q_2(x) \implies Q_2(x) = \frac{x^2-1}{x-1} = x + 1

  3. n=pn=p (素数):

    xp−1=Q1(x)Qp(x)  ⟹  Qp(x)=xp−1x−1=∑i=0p−1xix^p - 1 = Q_1(x)Q_p(x) \implies Q_p(x) = \frac{x^p-1}{x-1} = \sum_{i=0}^{p-1} x^i

  4. n=4n=4:

    Q4(x)=x4−1Q1(x)Q2(x)=x4−1(x−1)(x+1)=x4−1x2−1=x2+1Q_4(x) = \frac{x^4 - 1}{Q_1(x)Q_2(x)} = \frac{x^4 - 1}{(x-1)(x+1)} = \frac{x^4 - 1}{x^2 - 1} = x^2 + 1

  5. n=15n=15 (较复杂的例子):

    Q15(x)=x15−1Q1(x)Q3(x)Q5(x)Q_{15}(x) = \frac{x^{15} - 1}{Q_1(x) Q_3(x) Q_5(x)}

    经过多项式除法计算,结果为:

    Q15(x)=x8−x7+x5−x4+x3−x+1Q_{15}(x) = x^8 - x^7 + x^5 - x^4 + x^3 - x + 1

    注:在某些域(如 F2\mathbb{F}_2)下,Q15(x)Q_{15}(x) 可以分解为 2 个 4 次多项式。这说明分圆多项式不一定不可约(依赖于基域)。

方法二:Mobius 反演公式 (Mobius Inversion)

这是通用的显式计算公式。

公式:Mobius 反演

Qn(x)=∏d∣n(xd−1)μ(n/d)Q_n(x) = \prod_{d | n} (x^d - 1)^{\mu(n/d)}

其中 μ\mu 是 Mobius 函数:

  • μ(1)=1\mu(1) = 1
  • μ(n)=(−1)k\mu(n) = (-1)^k,若 nn 是 kk 个不同素数的乘积
  • μ(n)=0\mu(n) = 0,若 nn 含平方因子

例:计算 Q6(x)Q_6(x)
因子 d∈{1,2,3,6}d \in \{1, 2, 3, 6\}。
μ(6/1)=1,μ(3)=−1,μ(2)=−1,μ(1)=1\mu(6/1) = 1, \mu(3) = -1, \mu(2) = -1, \mu(1) = 1。

Q6(x)=(x−1)(x6−1)(x2−1)(x3−1)=x2−x+1Q_6(x) = \frac{(x-1)(x^6-1)}{(x^2-1)(x^3-1)} = x^2 - x + 1

可约性讨论:有理域 vs 有限域

分圆多项式 Qn(x)Q_n(x) 的可约性严重依赖于基域 FF。我们需要先建立伽罗瓦群大小与多项式可约性之间的逻辑联系。

伽罗瓦群与可约性的逻辑推导

回顾之前建立的单射同态 k:Gal(S/F)→Zn∗k: \text{Gal}(S/F) \to \mathbb{Z}_n^*。
我们已知 ∣Zn∗∣=ϕ(n)|\mathbb{Z}_n^*| = \phi(n)。

推导过程:

  1. 假设同构:如果 ∣Gal(S/F)∣=ϕ(n)|\text{Gal}(S/F)| = \phi(n),由于 kk 是单射且两边阶数相等,则 kk 必为满射,即 Gal(S/F)≅Zn∗\text{Gal}(S/F) \cong \mathbb{Z}_n^*。
  2. 扩张次数关联:由伽罗瓦理论基本定理,扩张次数等于群的阶:

    [S:F]=∣Gal(S/F)∣[S:F] = |\text{Gal}(S/F)|

  3. 极小多项式:因为 S=F(ωn)S = F(\omega_n),扩张次数 [S:F][S:F] 等于生成元 ωn\omega_n 的极小多项式 min⁡(ωn,F)\min(\omega_n, F) 的次数。

    [S:F]=deg⁡(min⁡(ωn,F))[S:F] = \deg(\min(\omega_n, F))

  4. 整除关系:另一方面,我们知道 Qn(ωn)=0Q_n(\omega_n) = 0(ωn\omega_n 是分圆多项式的根),且 deg⁡(Qn)=ϕ(n)\deg(Q_n) = \phi(n)。这说明极小多项式 min⁡(ωn,F)\min(\omega_n, F) 一定整除 Qn(x)Q_n(x)。
  5. 结论:
    如果 ∣Gal(S/F)∣=ϕ(n)|\text{Gal}(S/F)| = \phi(n),则 deg⁡(min⁡(ωn,F))=ϕ(n)=deg⁡(Qn)\deg(\min(\omega_n, F)) = \phi(n) = \deg(Q_n)。
    由于 Qn(x)Q_n(x) 是首一多项式,次数相等且存在整除关系意味着它们相等:

    min⁡(ωn,F)=Qn(x)  ⟺  Qn(x) 在 F 上不可约\min(\omega_n, F) = Q_n(x) \iff Q_n(x) \text{ 在 } F \text{ 上不可约}

综上所述,我们得到如下判定准则:

判定准则

∣Gal(S/F)∣=ϕ(n)  ⟺  Gal(S/F)≅Zn∗  ⟺  Qn(x) 在 F 上不可约|\text{Gal}(S/F)| = \phi(n) \iff \text{Gal}(S/F) \cong \mathbb{Z}_n^* \iff Q_n(x) \text{ 在 } F \text{ 上不可约}

不同情形下的可约性

情形 1:F=QF = \mathbb{Q}

定理:有理域上的不可约性
Qn(x)Q_n(x) 在 Q[x]\mathbb{Q}[x] 上是不可约的。

  • 扩张次数:[S:Q]=deg⁡(Qn)=ϕ(n)[S : \mathbb{Q}] = \deg(Q_n) = \phi(n)。
  • 伽罗瓦群:Gal(S/Q)≅Zn∗\text{Gal}(S/\mathbb{Q}) \cong \mathbb{Z}_n^*(满射同构)。

情形 2:F=FqF = \mathbb{F}_q (有限域)

结论:有限域上的可约性
Qn(x)Q_n(x) 在有限域上通常是可约的,除非 Gal(S/F)\text{Gal}(S/F) 生成了整个 Zn∗\mathbb{Z}_n^*。

[S:F][S : F] 等于 ωn\omega_n 在 FF 上的极小多项式次数,这通常小于 ϕ(n)\phi(n)。

实例分析

例 1:F2\mathbb{F}_2 上的 x7−1x^7 - 1

计算 n=7n=7 的分圆多项式 Q7(x)Q_7(x):
在 Q\mathbb{Q} 上,Q7(x)=x6+x5+x4+x3+x2+x+1Q_7(x) = x^6 + x^5 + x^4 + x^3 + x^2 + x + 1(不可约)。
但在 F2\mathbb{F}_2 上,我们发现 Q7(x)Q_7(x) 可以分解:

Q7(x)=(x3+x+1)(x3+x2+1)Q_7(x) = (x^3 + x + 1)(x^3 + x^2 + 1)

这两个因子在 F2\mathbb{F}_2 上都不可约。
因此,扩张次数 [S:F2]=3[S : \mathbb{F}_2] = 3(而不是 ϕ(7)=6\phi(7)=6)。

例 2:Q(ω7)\mathbb{Q}(\omega_7) 的伽罗瓦对应 (Galois Correspondence)

1. 设定与群结构
设 F=QF = \mathbb{Q},ω\omega 为本原 77 次单位根,E=Q(ω)E = \mathbb{Q}(\omega)。
已知扩张次数 [E:Q]=ϕ(7)=6[E:\mathbb{Q}] = \phi(7) = 6。
伽罗瓦群结构如下:

Gal(E/Q)≅Z7∗={1,2,3,4,5,6}=⟨3⟩\text{Gal}(E/\mathbb{Q}) \cong \mathbb{Z}_7^* = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\} = \langle 3 \rangle

这是一个 6 阶循环群。记 σk\sigma_k 为满足 σk(ω)=ωk\sigma_k(\omega) = \omega^k 的自同构。
生成元为 σ3\sigma_3,即 Gal(E/Q)=⟨σ3⟩\text{Gal}(E/\mathbb{Q}) = \langle \sigma_3 \rangle。

2. 子群格 (Lattice of Subgroups)
⟨σ3⟩\langle \sigma_3 \rangle 的子群由其阶数的因子唯一确定。66 的因子有 1,2,3,61, 2, 3, 6。
共有 4 个子群:

  • Order 1: {id}\{ \text{id} \}
  • Order 6: ⟨σ3⟩\langle \sigma_3 \rangle (全群)
  • Order 3: ⟨σ32⟩=⟨σ2⟩={1,2,4}\langle \sigma_3^2 \rangle = \langle \sigma_2 \rangle = \{1, 2, 4\}
  • Order 2: ⟨σ33⟩=⟨σ6⟩={1,6}\langle \sigma_3^3 \rangle = \langle \sigma_6 \rangle = \{1, 6\}

3. 寻找中间域:以 ⟨σ33⟩\langle \sigma_3^3 \rangle 为例
我们考察阶为 2 的子群 H=⟨σ33⟩H = \langle \sigma_3^3 \rangle。
由于 σ33≡σ27≡σ6(mod7)\sigma_3^3 \equiv \sigma_{27} \equiv \sigma_6 \pmod 7,故 H=⟨σ6⟩H = \langle \sigma_6 \rangle。
计算其固定域 Fix(H)\text{Fix}(H)。

  • 构造固定元素:
    考察 σ6\sigma_6 的作用:

    σ6(ω)=ω6\sigma_6(\omega) = \omega^6

    σ6(ω6)=(ω6)6=ω36=ω1\sigma_6(\omega^6) = (\omega^6)^6 = \omega^{36} = \omega^1

    显见 σ6\sigma_6 交换 ω\omega 和 ω6\omega^6。因此,元素 α=ω+ω6\alpha = \omega + \omega^6 在 σ6\sigma_6 作用下不变:

    σ6(ω+ω6)=ω6+ω\sigma_6(\omega + \omega^6) = \omega^6 + \omega

    于是 Q(ω+ω6)⊆Fix(H)\mathbb{Q}(\omega + \omega^6) \subseteq \text{Fix}(H)。

  • 确定扩张次数:
    根据伽罗瓦理论基本定理:

    [E:Fix(H)]=∣H∣=2[E : \text{Fix}(H)] = |H| = 2

    [Fix(H):Q]=[E:Q]/2=6/2=3[\text{Fix}(H) : \mathbb{Q}] = [E : \mathbb{Q}] / 2 = 6 / 2 = 3

    对于我们构造的域 K=Q(ω+ω6)K = \mathbb{Q}(\omega + \omega^6),有 K⊆Fix(H)K \subseteq \text{Fix}(H)。
    这意味着 [K:Q][K : \mathbb{Q}] 必须整除 [Fix(H):Q]=3[\text{Fix}(H) : \mathbb{Q}] = 3。
    所以 [K:Q][K : \mathbb{Q}] 只能是 11 或 33。

  • 排除 [K:Q]=1[K : \mathbb{Q}] = 1 (反证法):
    如果 [K:Q]=1[K : \mathbb{Q}] = 1,则 ω+ω6∈Q\omega + \omega^6 \in \mathbb{Q}。
    这意味着该元素被伽罗瓦群中的所有元素固定。
    我们任取 σ∈Gal(E/Q)\sigma \in \text{Gal}(E/\mathbb{Q}),例如取 σ2\sigma_2(注意 σ2(ω)=ω2\sigma_2(\omega)=\omega^2):
    若 ω+ω6∈Q\omega + \omega^6 \in \mathbb{Q},则应有 σ2(ω+ω6)=ω+ω6\sigma_2(\omega + \omega^6) = \omega + \omega^6。

    计算左边:

    σ2(ω+ω6)=ω2+ω12=ω2+ω5\sigma_2(\omega + \omega^6) = \omega^2 + \omega^{12} = \omega^2 + \omega^5

    令其相等:

    ω2+ω5=ω+ω6  ⟹  ω6−ω5−ω2+ω=0\omega^2 + \omega^5 = \omega + \omega^6 \implies \omega^6 - \omega^5 - \omega^2 + \omega = 0

    这表明 ω\omega 是多项式 f(x)=x6−x5−x2+xf(x) = x^6 - x^5 - x^2 + x 的根。

    矛盾:ω\omega 在 Q\mathbb{Q} 上的极小多项式是分圆多项式 Q7(x)=x6+x5+x4+x3+x2+x+1Q_7(x) = x^6 + x^5 + x^4 + x^3 + x^2 + x + 1。
    由于 deg⁡(f(x))<deg⁡(Q7(x))\deg(f(x)) < \deg(Q_7(x)) 且 f(x)≠0f(x) \neq 0,这与极小多项式的定义矛盾。

    ∴ω+ω6∉Q\therefore \omega + \omega^6 \notin \mathbb{Q},即 [K:Q]≠1[K : \mathbb{Q}] \neq 1。

  • 结论:
    必须有 [Q(ω+ω6):Q]=3[\mathbb{Q}(\omega + \omega^6) : \mathbb{Q}] = 3。
    因此,中间域正是:

    Fix(⟨σ6⟩)=Q(ω+ω6)=Q(ω+ω−1)\text{Fix}(\langle \sigma_6 \rangle) = \mathbb{Q}(\omega + \omega^6) = \mathbb{Q}(\omega + \omega^{-1})

4. 另一个中间域 (简述)
对于阶为 3 的子群 ⟨σ32⟩=⟨σ2⟩={σ1,σ2,σ4}\langle \sigma_3^2 \rangle = \langle \sigma_2 \rangle = \{ \sigma_1, \sigma_2, \sigma_4 \}。
考察元素 β=ω+ω2+ω4\beta = \omega + \omega^2 + \omega^4。
验证 σ2(β)\sigma_2(\beta):

σ2(ω+ω2+ω4)=ω2+ω4+ω8=ω2+ω4+ω=β\sigma_2(\omega + \omega^2 + \omega^4) = \omega^2 + \omega^4 + \omega^8 = \omega^2 + \omega^4 + \omega = \beta

同理可证 Q(β)\mathbb{Q}(\beta) 即为对应的 2 次中间域。