有限域的基本结构与性质

特征与基域

回顾域论基础,对于有限域 FF:

  • 特征 (Characteristic):有限域的特征 char(F)=pchar(F) = p,其中 pp 为素数。
  • 基域:FF 必定包含一个同构于 Zp\mathbb{Z}_p 的素域,这里记为 FpF_{p}
    • 即 Fp<FF_{p}<F,有时候也可以简单的写为 Zp<F\mathbb{Z}_p < F
  • 乘法群:有限域的非零元乘法群 (F∗,⋅)(F^*, \cdot) 是循环群。

扩张与阶

设 FF 是有限域,其代数扩张 E/FE / F 具有以下性质:

  1. 可分性:有限域的代数扩张都是可分的(Separable)。
  2. 单代数扩张:对于某个 α∈E\alpha \in E,有 E=F(α)E = F(\alpha)
    • 这一点可以利用 (E∗,⋅)(E^{*}, \cdot ) 是循环群证明
  3. 维数与元素个数:
    • 假如 [E:F]=n[E:F] = n,取 EE 在 FF 上的一组基 α1,…αn\alpha_1, \ldots \alpha_n
    • EE 上任意元素可以表示为 ∑i=1naiαi\sum_{i=1}^{n}a_i \alpha_i,其中 ai∈Fa_i \in F
    • 因此有 ∣E∣=∣F∣n\left\vert E \right\vert = \left\vert F \right\vert^{n}
    • 考虑到上面的 char(F)=p⇒Zp<Fchar(F) = p \Rightarrow \mathbb{Z}_{p}<F,那么应当有 ∣F∣=pn\left\vert F \right\vert = p^{n}

记号约定:

  • 通常记 q=pnq = p^n。
  • 有限域记为 FqF_q 或 GF(q)GF(q),其中 ∣Fq∣=q|F_q| = q。

有限域都是分裂域

性质
有限域 FqF_q 可以被刻画为多项式 xq−xx^q - x 的在素域 Zp\mathbb{Z}_{p} 上的分裂域。

根的性质:

  • FqF_q 中的所有非零元素构成阶为 q−1q-1 的循环群,即 ∀α∈Fq∗,αq−1=1\forall \alpha \in F_q^*, \alpha^{q-1} = 1。
  • 加上零元素,则 ∀α∈Fq,αq=α\forall \alpha \in F_q, \alpha^q = \alpha。
  • 这意味着 FqF_q 的所有元素都是方程 xq−x=0x^q - x = 0 的根。

重根判定:
考虑多项式 f(x)=xq−xf(x) = x^q - x,其导数为:

f′(x)=qxq−1−1=−1≠0(在特征 p 的域中 q=pn=0)f'(x) = qx^{q-1} - 1 = -1 \neq 0 \quad (\text{在特征 } p \text{ 的域中 } q=p^n=0)

由于导数不为 0 且与 f(x)f(x) 互素,故 xq−xx^q - x 没有重根。其根的集合大小恰好为 qq,从而得到根的集合恰好为 FqF_q

利用多项式构造有限域:唯一性

前面我们知道假如 ∣F∣=q\left\vert F \right\vert = q,那么 ∃n,p\exists n, p 使得 q=pnq = p^{n}。接下来我们考虑:是否对于任意的 nn,得到的 q=pnq = p^{n} 都能是某个有限域的大小?事实上,可以通过构造法证明阶为 q=pnq = p^{n} 的有限域对于 ∀n\forall n 存在且是唯一的。

命题:
考虑 q=pn,n∈N∗q = p^{n}, n \in \mathbb{N}^{*},令 FF 为多项式 xq−x∈Zp[x]x^q - x \in \mathbb{Z}_{p}[x] 在其代数闭包中的所有根的集合,则 FF 构成一个域。

注:由于同一个多项式在不同的代数闭包下可能有不同的根(特征不同导致根不同),因此这里需要先承接 FqF_q 有一个子域 Zp\mathbb{Z}_p 的思路,先构造出 Zp\mathbb{Z}_p,然后再在其代数闭包上求根。

证明:

  1. 减法封闭性:
    对任意 α,β∈F\alpha, \beta \in F,考察 α−β\alpha - \beta:

    (α−β)q−(α−β)=(αq−βq)−(α−β)=(α−α)−(β−β)=0(\alpha - \beta)^q - (\alpha - \beta) = (\alpha^q - \beta^q) - (\alpha - \beta) = (\alpha - \alpha) - (\beta - \beta) = 0

    故 α−β∈F\alpha - \beta \in F。

  2. 除法封闭性:
    对任意 α∈F,β∈F∖{0}\alpha \in F, \beta \in F \setminus \{0\},考察 αβ−1\alpha \beta^{-1}:

    (αβ−1)q−αβ−1=αq(βq)−1−αβ−1=αβ−1−αβ−1=0(\alpha \beta^{-1})^q - \alpha \beta^{-1} = \alpha^q (\beta^q)^{-1} - \alpha \beta^{-1} = \alpha \beta^{-1} - \alpha \beta^{-1} = 0

    故 αβ−1∈F\alpha \beta^{-1} \in F。

得到 FF 是一个域,且 ∣F∣=q|F|=q。考虑到 xq−xx^{q} - x 的根在代数闭包中是唯一的,因此 FqF_{q} 是唯一的。

结论:

  • 结构链:Fp≅Zp<Fq=FpnF_p \cong \mathbb{Z}_p < F_q = F_{p^n}
  • Fq<FqnF_{q}<F_{q^{n}},且 FqnF_{q^{n}} 是 FqF_q 上的分裂域(从前面推导可以看出,基域的大小不重要)

有限域的子域结构

定义 (定义多项式):
考虑结构形如 xqd−xx^{q^{d}} - x 的多项式,记为 fqd(x)f_{q^{d}}(x),称为定义多项式。

包含关系判定

考虑扩张 Fq<FqnF_q < F_{q^n}。更一般地,对于 FqkF_{q^k} 和 FqnF_{q^n},何时满足 Fqk⊆FqnF_{q^k} \subseteq F_{q^n}?

结论
Fqk⊆Fqn  ⟺  fqk(x)∣fqn(x)  ⟺  k∣nF_{q^k} \subseteq F_{q^n} \iff f_{q^{k}}(x) \mid f_{q^{n}}(x) \iff k \mid n。

证明思路:
考察 xn−1x^n - 1 的整除性。设 n=mk+rn = mk + r,其中 0≤r<k0 \le r < k。

xn−1=xmk+r−1=xmk+r−x(m−1)k+r+x(m−1)k+r−1=x(m−1)k+r(xk−1)+x(m−1)k+r−1\begin{aligned} x^{n} - 1 &= x^{mk+r} - 1 \\ & = x^{mk+r} - x^{(m-1)k + r} + x^{(m-1)k + r} - 1 \\ & = x^{(m-1)k+r}(x^{k}-1) + x^{(m-1)k + r} - 1 \end{aligned}

根据上式,有 xk−1∣xn−1  ⟺  xk−1∣x(m−1)k+r−1x^{k} - 1 \mid x^{n} - 1 \iff x^{k} - 1 \mid x^{(m-1)k + r} - 1,相当于给被除数的 xx 降了 kk 的系数,因此:

xk−1∣xn−1  ⟺  xk−1∣x(m−1)k+r−1  ⟺  xk−1∣x(m−2)k+r−1  ⟺  ⋯  ⟺  xk−1∣xr−1\begin{aligned} x^{k} - 1 \mid x^{n} - 1 &\iff x^{k} - 1 \mid x^{(m-1)k + r} - 1 \\ &\iff x^{k} - 1 \mid x^{(m-2)k + r} - 1 \iff \cdots \\ &\iff x^{k} - 1 \mid x^{r} - 1 \end{aligned}

但是 0≤r<k0\le r<k,因此 r=0r = 0,即 k∣nk \mid n

利用上述结论,考察 Fqd,FqnF_{q^{d}}, F_{q^{n}}

d∣n  ⟺  xd−1∣xn−1  ⟺  qd−1∣qn−1  ⟺  xqd−1−1∣xqn−1−1  ⟺  xqd−x∣xqn−x  ⟺  Roots(fqd(x))⊆Roots(fqd(x))  ⟺  Fqd⊆Fqn\begin{aligned} d \mid n &\iff x^{d} - 1 \mid x^{n} -1 \iff q^{d} -1 \mid q^{n} - 1 \\ &\iff x^{q^{d}-1} -1 \mid x^{q^{n}-1} -1 \iff x^{q^{d}} -x \mid x^{q^{n}}-x \\ &\iff Roots(f_{q^{d}}(x)) \subseteq Roots(f_{q^{d}}(x)) \iff F_{q^{d}} \subseteq F_{q^{n}} \end{aligned}

令 fqk(x)=xqk−xf_{q^k}(x) = x^{q^k} - x,则上述整除关系意味着 FqkF_{q^k}(即 fqk(x)f_{q^k}(x) 的根集)包含在 FqnF_{q^n}(即 fqn(x)f_{q^n}(x) 的根集)中。

注:
注意到最大公因数与域无关,因此对于 fqd(x)∣fqn(x)f_{q^{d}}(x) \mid f_{q^{n}}(x) 这个整除关系,由于函数 ff 的系数非常简单,因此在最简单的 Zp\mathbb{Z}_p 域上,整除依然成立。

例子

例:考察 F1024F_{1024} 的所有子域

F1024=F210F_{1024} = F_{2^{10}}

首先子域的特征不会变,依然是 22,因此子域大小为 2n2^{n} 的形式。有前述判定方法可知,子域为 F2,F22,F25,F210F_{2}, F_{2^{2}}, F_{2^{5}}, F_{2^{10}}

有限域的 Galois 理论

Galois 群结构

考虑有限扩张 Fqn/FqF_{q^n} / F_q。这是一个 Galois 扩张,其 Galois 群记为 G=Gal(Fqn/Fq)G = Gal(F_{q^n}/F_q)。
已知扩张次数 [Fqn:Fq]=n[F_{q^n} : F_q] = n,故 Galois 群的大小 ∣G∣=n|G| = n。

Frobenius 自同构:
定义映射 σ:Fqn→Fqn\sigma: F_{q^n} \to F_{q^n},σ(α)=αq\sigma(\alpha) = \alpha^q。
考虑 ∀α∈Fq\forall \alpha \in F_q,发现 σ(α)=αq=α\sigma(\alpha) = \alpha ^{q} = \alpha,即 σ\sigma fixes FqF_q,可知 σ∈G\sigma \in G。

考察 σn\sigma^{n}
∀α∈Fqn\forall \alpha \in F_{q^{n}},有 σn(α)=αqn=α\sigma^{n}(\alpha) = \alpha^{q^{n}} = \alpha,即 σn\sigma^{n} 为恒等映射,σn=ι=σ0\sigma^{n} = \iota = \sigma^{0}

证明 GG 是循环群:
首先证明 σ\sigma 生成的子群形式为 ⟨σ⟩={σ0,σ1,…,σn−1}\langle \sigma \rangle = \{ \sigma^0, \sigma^1, \dots, \sigma^{n-1} \},即证集合中每一个元素都不同。利用反证法:

  • 若存在 k<nk < n 使得 σk=id\sigma^k = id,则 ∀α∈Fqn,αqk=α\forall \alpha \in F_{q^n}, \alpha^{q^k} = \alpha,即 αqk−α=0\alpha^{q^k} - \alpha = 0。
  • 方程 xqk−x=0x^{q^k} - x = 0 最多有 qkq^k 个根,但 FqnF_{q^n} 有 qnq^n 个元素。
  • 当 k<nk < n 时,qk<qnq^k < q^n,导致矛盾。

因此 ∣⟨σ⟩∣=n=∣G∣\left\vert \langle \sigma \rangle \right\vert = n = \left\vert G \right\vert,同时 σ∈G⇒⟨σ⟩⊆G\sigma \in G \Rightarrow \langle \sigma \rangle\subseteq G,得到 G=⟨σ⟩G = \langle \sigma \rangle

结论:Gal(Fqn/Fq)=⟨σ⟩≅ZnGal(F_{q^n}/F_q) = \langle \sigma \rangle \cong \mathbb{Z}_n。

不可约多项式与元素的阶

不可约多项式的存在性

对于任意 d>0d > 0,在 FqF_q 上是否存在次数为 dd 的不可约多项式?答案是肯定的。
构造方法:

  1. 考虑扩张 FqdF_{q^d}。
  2. FqdF_{q^d} 是 FqF_q 上的 dd 次扩张,即 [Fqd:Fq]=d[F_{q^d} : F_q] = d。
  3. 存在本原元(Simple extension generator)α\alpha 使得 Fqd=Fq(α)F_{q^d} = F_q(\alpha)。
  4. 令 p(x)p(x) 为 α\alpha 在 FqF_q 上的极小多项式,则 deg⁡(p(x))=d\deg(p(x)) = d 且 p(x)p(x) 不可约。

阶 (Order) 的性质

对于 α∈Fqn∗\alpha \in F_{q^n}^*,定义其阶 ord(α)ord(\alpha) 为使得 αv=1\alpha^v = 1 的最小正整数 vv。

共轭根的阶相同:

  • 设 p(x)p(x) 是 FqF_q 上的不可约多项式,记分裂域为 FqdF_{q^{d}}
  • 考虑 p(x)p(x) 的两个根 α,β\alpha, \beta,有:Fqd=Fq(α)=Fq(β)F_{q^{d}} = F_q(\alpha) = F_q(\beta)(可以利用有限域的唯一性理解)
  • 假设 ord(α)=vord(\alpha) = v,即 αv=1\alpha ^{v} = 1
  • 根据代数扩张的嵌入延展定理,存在嵌入 σ:F(α)↪Fˉ\sigma: F(\alpha) \hookrightarrow \bar{F} 的 FF-嵌入,使得 σ(α)=β\sigma(\alpha) = \beta。
  • 可以发现 σ(F(α))=F(σ(α))=F(β)=F(α)\sigma(F(\alpha)) = F(\sigma(\alpha)) = F(\beta) = F(\alpha),这里其实就是正规扩张的性质,同时也说明 σ\sigma 是 F(α)F(\alpha) 的 FF-自同构
  • 因此 βv=σ(α)v=σ(αv)=1\beta ^{v} = \sigma(\alpha)^{v} = \sigma(\alpha ^{v}) = 1
  • 反之,如果 βv=1⇒αv=1\beta ^{v} = 1 \Rightarrow \alpha ^{v}=1,得到 ord(β)=ord(α)ord(\beta) = ord(\alpha)
  • 即不可约多项式的所有根具有相同的阶。

定义 (多项式的阶)
由于不可约多项式 p(x)p(x) 定义为其任一根 α\alpha 的阶。

不可约多项式度与阶的关系

考虑 FqF_q 上的极小多项式 p(x)p(x) 次数为 dd,阶为 vv,那么任一根 α\alpha 的阶也为 vv
我们已知 α∈Fqd\alpha \in F_{q^d},这意味着:

αqd=α  ⟺  αqd−1=1\alpha^{q^d} = \alpha \iff \alpha^{q^d - 1} = 1

结合 αv=1\alpha ^{v} = 1,必有:

v∣qd−1  ⟹  qd≡1(modv)v \mid q^d - 1 \implies q^d \equiv 1 \pmod v

实际上,dd 是使得上述同余式成立的最小正整数。即 dd 是 qq 模 vv 的乘法阶 (Multiplicative order of qq modulo vv)。
证明 (dd 是最小的)

  • 同样使用反证法,假设 k<dk<d 且 v∣pk−1v \mid p^{k} - 1
  • 那么 αv=1⇒αqk−1=1⇒αqk−α=0\alpha ^{v} = 1 \Rightarrow \alpha ^{q^{k}-1} = 1\Rightarrow \alpha ^{q^{k}} - \alpha = 0
  • α\alpha 是 xqk−xx^{q^{k}}-x 的根,α∈Fqk\alpha \in F_{q^{k}}
  • 从而 Fq(α)⊆FqkF_q(\alpha) \subseteq F_{q^{k}},与 Fq(α)=FqdF_q(\alpha) = F_{q^{d}} 矛盾

本原多项式

定义 (本原多项式)
如果 α\alpha 是 Fqn∗F_{q^n}^* 的生成元(本原元),则 ord(α)=qn−1ord(\alpha) = q^n - 1。此时 α\alpha 在 FqF_q 上的极小多项式称为本原多项式 (Primitive Polynomial)。本原多项式的阶为 qn−1q^n - 1。

上述极小多项式在代数编码理论中很有用。

算法与应用:计算多项式的阶

在找到本原多项式之前,先考虑一个问题:给定 FqF_q 上的 dd 次不可约多项式 p(x)p(x),如何计算其阶(即 p(x)p(x) 的根的阶 vv)?

已知条件:

  1. v∣qd−1v \mid q^d - 1。
  2. αv=1⇒p(x)∣xv−1\alpha ^{v} = 1 \Rightarrow p(x) \mid x^{v} - 1

计算策略:
我们需要找到最小的 vv 使得 p(x)∣xv−1p(x) \mid x^v - 1(等价于 xv≡1(modp(x))x^v \equiv 1 \pmod{p(x)})。
这可以通过检查 qd−1q^d - 1 的因子来实现。

算法步骤:

  1. 计算最大可能的周期 N=qd−1N = q^d - 1。
  2. 对 NN 进行素因子分解:N=p1e1p2e2…pmemN = p_1^{e_1} p_2^{e_2} \dots p_m^{e_m}。
  3. 对于每个素因子 pip_i,检查 xN/pi(modp(x))x^{N/p_i} \pmod{p(x)} 是否为 1:
    • 如果对于某个 pip_i,有 xN/pi≡1(modp(x))x^{N/p_i} \equiv 1 \pmod{p(x)},说明真正的阶 vv 是 N/piN/p_i 的因子。
    • 此时令 N←N/piN \leftarrow N/p_i,重复检查。
    • 如果对于所有的 pip_i,都有 xN/pi≢1(modp(x))x^{N/p_i} \not\equiv 1 \pmod{p(x)},则当前的 NN 即为所求的阶 vv。

实例分析

例:考察 F2F_2 上的多项式 p(x)=x6+x+1p(x) = x^6 + x + 1。
这里 q=2,d=6q=2, d=6。

  1. 计算最大周期:N=26−1=63N = 2^6 - 1 = 63。
  2. 分解 NN:63=32⋅763 = 3^2 \cdot 7。素因子为 3,73, 7。
  3. 我们需要检查 N/3=21N/3 = 21 和 N/7=9N/7 = 9:
    • 计算 x21(modx6+x+1)x^{21} \pmod{x^6+x+1}。
    • 计算 x9(modx6+x+1)x^9 \pmod{x^6+x+1}。
  4. 若以上结果均不为 1,则 p(x)p(x) 的阶为 63,即它是一个本原多项式。

(注:此例对应教材 Example 9.6.1)