高斯引理 (Gaussian Lemma)

本原多项式 (Primitive Polynomial)

定义 (Content 与本原多项式)

假定 RR 是一个唯一分解整环 (UFD)。对于 R[x]R[x] 上的一个多项式 f(x)=∑i=0naixif(x) = \sum_{i=0}^{n} a_i x^{i},其内容 (content) c(f)c(f) 定义为其所有系数的最大公约数,即 c(f)=defgcd⁡(a0,a1,…,an)c(f) \overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=} \operatorname{gcd}(a_0, a_1, \ldots ,a_n)。

如果 1∈c(f)1 \in c(f),我们称 ff 是本原的 (primitive)。

注: c(f)c(f) 是一个由 gcd⁡\operatorname{gcd} 及其所有相伴元构成的集合。1∈c(f)1 \in c(f) 意味着 c(f)c(f) 是 RR 中所有单位元的集合,即 ff 的所有系数没有共同的不可约因子。

本原多项式的乘积

性质: 设 RR 是 UFD。若 f,g∈R[x]f, g \in R[x] 都是本原多项式,则其乘积 fgfg 也是本原多项式。

证明

我们使用反证法。假设 fgfg 不是本原的。

  1. 如果 fgfg 不是本原的,那么 c(fg)c(fg) 不是 RR 中的单位元。因此,存在 RR 中的一个不可约元 pp 使得 p∣c(fg)p \mid c(fg)。这意味着 pp 整除 fgfg 的所有系数。
  2. 考虑环 RR 上的自然同态 ϕ:R→R/⟨p⟩\phi: R \to R/\langle p \rangle。由于 RR 是 UFD 且 pp 是不可约元, ⟨p⟩\langle p \rangle 是一个素理想,因此 R/⟨p⟩R/\langle p \rangle 是一个整环。
  3. 我们将此同态扩展到多项式环 ϕˉ:R[x]→(R/⟨p⟩)[x]\bar{\phi}: R[x] \to (R/\langle p \rangle)[x],其定义为 ϕˉ(∑aixi)=∑ϕ(ai)xi\bar{\phi}(\sum a_i x^i) = \sum \phi(a_i) x^i。
  4. 令 fˉ=ϕˉ(f)\bar{f} = \bar{\phi}(f),gˉ=ϕˉ(g)\bar{g} = \bar{\phi}(g)。
  5. 由于 ff 是本原的, pp 不能整除 ff 的所有系数,所以 fˉ≠0\bar{f} \neq 0。同理, gg 也是本原的,所以 gˉ≠0\bar{g} \neq 0。
  6. 由于 pp 整除 fgfg 的所有系数,我们有 ϕˉ(fg)=fˉgˉ=0\bar{\phi}(fg) = \bar{f}\bar{g} = 0。
  7. 然而,因为 R/⟨p⟩R/\langle p \rangle 是一个整环,多项式环 (R/⟨p⟩)[x](R/\langle p \rangle)[x] 也是一个整环。在整环中,fˉ≠0\bar{f} \neq 0 且 gˉ≠0\bar{g} \neq 0 蕴涵着 fˉgˉ≠0\bar{f}\bar{g} \neq 0。
  8. 这与第 6 步的 fˉgˉ=0\bar{f}\bar{g} = 0 产生矛盾。
  9. 因此,最初的假设(fgfg 不是本原的)是错误的。fgfg 必定是本原多项式。

分式域 (Field of Fractions)

定义 (分式域)

设 RR 是一个 UFD,FF 是 RR 的分式域,定义为:

F=def{ab∣a,b∈R,b≠0}F \overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=} \left\{ \frac{a}{b} \mid a,b \in R, b\neq 0 \right\}

在 FF 上定义加法和乘法:

ab+cd=ad+bcdbab⋅cd=acbd\frac{a}{b} + \frac{c}{d} = \frac{ad+bc}{db} \quad \frac{a}{b} \cdot \frac{c}{d} = \frac{ac}{bd}

可以验证 (F,+,⋅)(F, +, \cdot) 构成一个域。FF 是包含 RR 的最小域。

高斯引理 (Gaussian Lemma)

定理 (高斯引理):

设 RR 是一个 UFD,FF 是 RR 的分式域。对于一个本原多项式 f∈R[x]f \in R[x] 且 deg⁡(f)≥1\deg(f) \ge 1,则:

ff 在 R[x]R[x] 中可约   ⟺  f\iff f 在 F[x]F[x] 中可约。

例子

如果 f∈Z[x]f \in \mathbb{Z}[x],ff 在 Z[x]\mathbb{Z}[x] 中不可约   ⟺  f\iff f 在 Q[x]\mathbb{Q}[x] 中不可约。

爱森斯坦判别法 (Eisenstein’s Criterion)

高斯引理将域上的多项式的可约性缩小到环;而此判别法用于判断一个多项式在环上是否可约。

定理叙述

定理 (Eisenstein 判别法):

设 RR 是 UFD,f(x)=∑i=0naixi∈R[x]f(x) = \sum_{i=0}^{n} a_i x^i \in R[x] 是一个本原多项式,且 deg⁡(f)≥1\deg(f) \ge 1。

如果存在 RR 中的一个不可约元 pp 满足以下所有条件:

  1. p∤anp \nmid a_n (pp 不整除首项系数)
  2. p∣aip \mid a_i (对于所有 0≤i≤n−10 \le i \le n-1,pp 整除所有其他系数)
  3. p2∤a0p^2 \nmid a_0 (pp 的平方不整除常数项)

则 f(x)f(x) 是 R[x]R[x] 中的不可约元。

证明

我们使用反证法。假设 f(x)f(x) 在 R[x]R[x] 中可约,即 f(x)=g(x)h(x)f(x) = g(x) h(x),其中 g(x),h(x)∈R[x]g(x), h(x) \in R[x] 且 deg⁡(g)≥1,deg⁡(h)≥1\deg(g) \ge 1, \deg(h) \ge 1。

  1. 设 g(x)=∑i=0rbixig(x) = \sum_{i=0}^{r} b_i x^i 且 h(x)=∑j=0scjxjh(x) = \sum_{j=0}^{s} c_j x^j,其中 r≥1,s≥1,r+s=nr \ge 1, s \ge 1, r+s = n。
  2. 考察常数项:a0=b0c0a_0 = b_0 c_0。
    • 根据条件 (2) 和 (3),我们知道 p∣a0p \mid a_0 但 p2∤a0p^2 \nmid a_0。
    • 这意味着 pp 必须整除 b0b_0 和 c0c_0 中的恰好一个。
    • 不失一般性,我们假设 p∣b0p \mid b_0 且 p∤c0p \nmid c_0。
  3. 考察首项系数:an=brcsa_n = b_r c_s。
    • 根据条件 (1),p∤anp \nmid a_n。
    • 这意味着 p∤brp \nmid b_r 且 p∤csp \nmid c_s。
  4. 现在我们来分析 g(x)g(x) 的系数 b0,b1,…,brb_0, b_1, \ldots, b_r。
    • 我们知道 p∣b0p \mid b_0 (来自第 2 步) 且 p∤brp \nmid b_r (来自第 3 步)。
    • 因此,必然存在一个最小的下标 kk ( 1≤k≤r1 \le k \le r ) 使得 p∤bkp \nmid b_k 但 pp 整除 kk 之前的所有 bib_i (即 p∣b0,p∣b1,…,p∣bk−1p \mid b_0, p \mid b_1, \ldots, p \mid b_{k-1})。
  5. 考察 f(x)f(x) 的第 kk 项系数 aka_k:

    ak=bkc0+bk−1c1+⋯+b1ck−1+b0cka_k = b_k c_0 + b_{k-1} c_1 + \cdots + b_1 c_{k-1} + b_0 c_k

  6. 分析 aka_k:
    • 由于 k≤r<r+s=nk \le r < r+s = n,根据定理条件 (2),我们有 p∣akp \mid a_k。
    • 根据 kk 的选取(第 4 步), b0,b1,…,bk−1b_0, b_1, \ldots, b_{k-1} 均可被 pp 整除。因此,和式中的 bk−1c1+⋯+b0ckb_{k-1} c_1 + \cdots + b_0 c_k 这一部分可以被 pp 整除。
  7. 推导矛盾:
    • pp 整除了 aka_k 和 bk−1c1+⋯+b0ckb_{k-1} c_1 + \cdots + b_0 c_k,因此 pp 必须整除它们的差:

      p∣(ak−(bk−1c1+⋯+b0ck))  ⟹  p∣(bkc0)p \mid (a_k - (b_{k-1} c_1 + \cdots + b_0 c_k)) \implies p \mid (b_k c_0)

    • 然而,根据我们的假设:p∤bkp \nmid b_k (来自第 4 步 kk 的最小性) 且 p∤c0p \nmid c_0 (来自第 2 步对 a0a_0 的分析)。
    • 由于 pp 是不可约元,p∤bkc0p \nmid b_k c_0。
  8. 这导致了矛盾 (p∣bkc0p \mid b_k c_0 且 p∤bkc0p \nmid b_k c_0)。
  9. 因此,最初的假设(f(x)f(x) 在 R[x]R[x] 中可约)是错误的。f(x)f(x) 必定在 R[x]R[x] 中不可约。

例子 (Examples)

例 1

考察 f(x)=2x5−6x4+9x2−15∈Z[x]f(x) = 2x^{5} - 6x^{4} + 9x^{2} - 15 \in \mathbb{Z}[x]。
f(x)=2x5−6x4+0x3+9x2+0x−15f(x) = 2x^{5} - 6x^{4} + 0x^{3} + 9x^{2} + 0x - 15。
f(x)f(x) 是本原的 ( gcd⁡(2,−6,0,9,0,−15)=1\operatorname{gcd}(2, -6, 0, 9, 0, -15) = 1 )。
我们选取不可约元 p=3∈Zp=3 \in \mathbb{Z}。

  1. p=3∤a5=2p=3 \nmid a_5=2
  2. p=3∣−6p=3 \mid -6, 3∣03 \mid 0, 3∣93 \mid 9, 3∣03 \mid 0, 3∣−153 \mid -15
  3. p2=9∤a0=−15p^2=9 \nmid a_0=-15
    所有条件均满足。因此 f(x)f(x) 在 Z[x]\mathbb{Z}[x] 中不可约。

例 2 (平移技巧)

有时 f(x)f(x) 本身不满足 Eisenstein 判别法,但 f(x+c)f(x+c) 可能满足。如果 f(x+c)f(x+c) 不可约,那么 f(x)f(x) 也必定不可约(否则若 f(x)=g(x)h(x)f(x) = g(x)h(x),则 f(x+c)=g(x+c)h(x+c)f(x+c) = g(x+c)h(x+c) 也可约)。

例 3 (分圆多项式)

考察 pp 次分圆多项式 Φp(x)=xp−1+xp−2+⋯+1\Phi_p(x) = x^{p-1} + x^{p-2} + \cdots + 1,其中 pp 为素数。
我们知道 xp−1=(x−1)Φp(x)x^p - 1 = (x-1)\Phi_p(x)。
直接看 Φp(x)\Phi_p(x) 无法套用判别法。
我们考察 g(x)=Φp(x+1)g(x) = \Phi_p(x+1):

g(x)=(x+1)p−1(x+1)−1=(x+1)p−1x=(∑i=0p(pi)xi)−1x=(xp+(pp−1)xp−1+⋯+(p1)x+1)−1x=xp+(pp−1)xp−1+⋯+(p1)xx=xp−1+(pp−1)xp−2+⋯+(p2)x+(p1)\begin{aligned} g(x) &= \frac{(x+1)^p - 1}{(x+1) - 1} = \frac{(x+1)^p - 1}{x} \\ &= \frac{\left( \sum_{i=0}^{p} \binom{p}{i} x^i \right) - 1}{x} \\ &= \frac{\left( x^p + \binom{p}{p-1}x^{p-1} + \cdots + \binom{p}{1}x + 1 \right) - 1}{x} \\ &= \frac{x^p + \binom{p}{p-1}x^{p-1} + \cdots + \binom{p}{1}x}{x} \\ &= x^{p-1} + \binom{p}{p-1} x^{p-2} + \cdots + \binom{p}{2} x + \binom{p}{1} \end{aligned}

现在对 g(x)g(x) 使用 Eisenstein 判别法,并选取不可约元 pp:

  1. 首项系数为 11。p∤1p \nmid 1。
  2. 常数项为 (p1)=p\binom{p}{1} = p。p2∤pp^2 \nmid p。
  3. 其他各项系数为 (pi)\binom{p}{i} ( 2≤i≤p−12 \le i \le p-1 )。
    • 由于 pp 是素数,(pi)=p!i!(p−i)!\binom{p}{i} = \frac{p!}{i!(p-i)!}。分母中的 i!i! 和 (p−i)!(p-i)! 的因子都小于 pp,因此不能消去分子中的 pp。
    • 所以 p∣(pi)p \mid \binom{p}{i} 对于 1≤i≤p−11 \le i \le p-1。
      所有条件均满足。因此 g(x)=Φp(x+1)g(x) = \Phi_p(x+1) 在 Z[x]\mathbb{Z}[x] 中不可约。
      根据例 2 的平移技巧,Φp(x)\Phi_p(x) 在 Z[x]\mathbb{Z}[x] 中也不可约。

域的扩张 (Field Extensions)

基本定义

回顾 (线性空间)

域 FF 上的线性空间 (向量空间) VV 是一个非空集合,连同两个运算:

  • 加法 +:V×V→V+: V \times V \to V
  • 标量乘法 (点乘) ⋅:F×V→V\cdot : F \times V \to V

使得:

  1. (V,+)(V, +) 是一个阿贝尔群。
  2. ∀u,v∈V,∀r,s∈F\forall u,v \in V, \forall r,s \in F,满足:
    • r(u+v)=ru+rvr(u+v) = ru + rv
    • (r+s)u=ru+su(r+s)u = ru + su
    • (rs)u=r(su)(rs)u = r(su)
    • 1⋅u=u1 \cdot u = u (其中 1∈F1 \in F)

定义 (域扩张)

考虑 F<EF<E(FF 是 EE 的子域, EE 是 FF 的扩域)。

  • (E,+)(E, +) 显然是一个阿贝尔群。
  • 我们将 EE 上的乘法 ⋅\cdot 限制在 F×E→EF \times E \to E 上,这可以看作是标量乘法。

根据上述定义,EE 可以看作是 FF 上的一个线性空间。

定义 (扩度)

EE 作为 FF 上线性空间的维度 (dim) 称为 EE 在 FF 上的扩度 (degree of extension),记为 [E:F][E:F]。维度就是构成这个线性空间所需要的最少独立向量的个数。

扩度塔 (Tower Law)

性质 (塔公式)

考虑 F<E<KF<E<K 这个扩张序列,有:

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

证明概要

  1. 设 [K:E]=n[K:E] = n, KK 在 EE 上的一组基为 {β1,…,βn}\{ \beta_1, \ldots, \beta_n \}。
  2. 设 [E:F]=m[E:F] = m,EE 在 FF 上的一组基为 {α1,…,αm}\{ \alpha_1, \ldots, \alpha_m \}。
  3. 我们可以证明集合 B={αiβj∣1≤i≤m,1≤j≤n}B = \{ \alpha_i \beta_j \mid 1 \le i \le m, 1 \le j \le n \} 是 KK 在 FF 上的一组基。
  4. 张成 (Spans): ∀γ∈K\forall \gamma \in K,γ=∑j=1nejβj\gamma = \sum_{j=1}^n e_j \beta_j (其中 ej∈Ee_j \in E)。
    • 对于每个 eje_j, ej=∑i=1mfijαie_j = \sum_{i=1}^m f_{ij} \alpha_i (其中 fij∈Ff_{ij} \in F)。
    • 代入得 γ=∑j=1n(∑i=1mfijαi)βj=∑i=1m∑j=1nfij(αiβj)\gamma = \sum_{j=1}^n \left( \sum_{i=1}^m f_{ij} \alpha_i \right) \beta_j = \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n f_{ij} (\alpha_i \beta_j)。
    • 因此 BB 张成了 KK。
  5. 线性无关 (Linearly Independent): 设 ∑i,jfij(αiβj)=0\sum_{i,j} f_{ij} (\alpha_i \beta_j) = 0 (fij∈Ff_{ij} \in F)。
    • ∑j=1n(∑i=1mfijαi)βj=0\sum_{j=1}^n \left( \sum_{i=1}^m f_{ij} \alpha_i \right) \beta_j = 0。
    • 由于 {βj}\{ \beta_j \} 在 EE 上线性无关,且括号内的 (∑i=1mfijαi)∈E\left( \sum_{i=1}^m f_{ij} \alpha_i \right) \in E,则对于 ∀j\forall j, ∑i=1mfijαi=0\sum_{i=1}^m f_{ij} \alpha_i = 0。
    • 由于 {αi}\{ \alpha_i \} 在 FF 上线性无关,且 fij∈Ff_{ij} \in F,则 ∀i,j,fij=0\forall i,j, f_{ij} = 0。
  6. BB 线性无关。
  7. 综上,BB 是 K/FK/F 的一组基,其元素个数为 m⋅nm \cdot n。故 [K:F]=mn=[K:E]⋅[E:F][K:F] = mn = [K:E] \cdot [E:F]。

推广:

对于 F1<F2<⋯<FnF_1 < F_2 < \cdots <F_n,有 [Fn:F1]=[Fn:Fn−1]⋯[F2:F1][F_n: F_1] = [F_n: F_{n-1}] \cdots [F_2:F_1]。

有限域 (Finite Fields)

性质:

F<EF<E,如果 [E:F]=n[E:F] = n,那么 EE 中的每个元素都可以唯一地表示为 FF 中 nn 个元素的线性组合。

如果 FF 是有限域,则 ∣E∣=∣F∣n|E| = |F|^n。

推论:

设 FF 是一个有限域。

  1. FF 的特征 char(F)char(F) 必定为素数 pp。
  2. FF 包含一个同构于 Zp\mathbb{Z}_p 的子域(素域)。
  3. FF 可以看作是 Zp\mathbb{Z}_p 的扩张。设 [F:Zp]=n[F: \mathbb{Z}_p] = n。
  4. 则 ∣F∣=∣Zp∣n=pn|F| = |\mathbb{Z}_p|^n = p^n。

问题: ∀n>0\forall n>0,是否都存在一个 pnp^n 元域?(答案:是的,这种域称为伽罗瓦域 GF(pn)GF(p^n),且在同构意义下是唯一的。)

域的生成元 (Generators of a Field)

考虑 F<E,X⊆EF<E, X \subseteq E。

定义

定义 (生成的环)

EE 中所有包含 FF 和 XX 的环的交集(即包含 FF 和 XX 的最小环)称为 XX 在 FF 上生成的环,记为 F[X]F[X]。

  • 如果 X={α}X = \{ \alpha \},记为 F[α]F[\alpha]。
  • 如果 X={α1,…,αn}X = \{ \alpha_1, \ldots ,\alpha_n \},记为 F[α1,…αn]F[\alpha_1, \ldots \alpha_n]。

定义 (生成的域)

EE 中所有包含 FF 和 XX 的域的交集(即包含 FF 和 XX 的最小域)称为 XX 在 FF 上生成的域,记为 F(X)F(X)。

  • 如果 X={α}X = \{ \alpha \},记为 F(α)F(\alpha)。
  • 如果 X={α1,…,αn}X = \{ \alpha_1, \ldots ,\alpha_n \},记为 F(α1,…αn)F(\alpha_1, \ldots \alpha_n)。

元素表示

单元素生成

  • F[α]={f(α)∣f∈F[x]}F[\alpha] = \{ f(\alpha) \mid f \in F[x] \}
    • 说明: 集合 {f(α)∣f∈F[x]}\{ f(\alpha) \mid f \in F[x] \} 是一个包含 FF 和 α\alpha 的环,而 F[α]F[\alpha] 是包含 FF 和 α\alpha 的最小环,所以 F[α]⊆{f(α)∣…}F[\alpha] \subseteq \{ f(\alpha) \mid \ldots \}。反之, F[α]F[\alpha] 必须包含 FF 和 α\alpha 及其所有乘积和加和,即必须包含所有 f(α)f(\alpha),故两者相等。
  • F(α)={f(α)g(α)∣f,g∈F[x],g(α)≠0}F(\alpha) = \left\{ \frac{f(\alpha)}{g(\alpha)} \mid f, g \in F[x], g(\alpha)\neq 0 \right\}

多元素生成

  • F[α1,…αn]={f(α1,…αn)∣f∈F[x1,x2,…xn]}F[\alpha_1, \ldots \alpha_n] = \{ f(\alpha_1, \ldots \alpha_n) \mid f \in F[x_1, x_2, \ldots x_n] \}
  • F(α1,…αn)={f(α1,…αn)g(α1,…αn)∣f,g∈F[x1,x2,…xn],g(α1,…αn)≠0}F(\alpha_1, \ldots \alpha_n) = \left\{ \frac{f(\alpha_1, \ldots \alpha_n)}{g(\alpha_1, \ldots \alpha_n)} \mid f, g \in F[x_1, x_2, \ldots x_n], g(\alpha_1, \ldots \alpha_n) \neq 0 \right\}

代数扩张 (Algebraic Extensions)

代数元与超越元

定义 (代数/超越扩张)

F<EF < E 称为是代数的 (algebraic),如果 ∀α∈E\forall \alpha \in E, α\alpha 在 FF 上是代数元(即 α\alpha 是 F[x]F[x] 中某个非零多项式的根)。

否则,如果 EE 中存在 FF 上的超越元, F<EF<E 称为是超越的 (transcendental)。

注: 我们后续基本都讨论代数扩张。

单代数扩张 (Simple Algebraic Extension)

定义 (单代数扩张)

设 F<EF < E 是代数扩张,α∈E\alpha \in E。F<F(α)F < F(\alpha) 称为单代数扩张。

重要性质: 如果 α\alpha 是 FF 上的代数元,则 F(α)=F[α]F(\alpha) = F[\alpha]。

证明

  1. F[α]⊆F(α)F[\alpha] \subseteq F(\alpha) 是显然的(域总是环)。
  2. 我们只需证明 F(α)⊆F[α]F(\alpha) \subseteq F[\alpha]。
  3. 取 F(α)F(\alpha) 中的任意元素 f(α)g(α)\frac{f(\alpha)}{g(\alpha)},其中 g(α)≠0g(\alpha) \neq 0。
  4. 由于 α\alpha 是代数元,存在 FF 上唯一的首一不可约多项式 Pα(x)P_{\alpha}(x)(称为 α\alpha 的极小多项式),使得 Pα(α)=0P_{\alpha}(\alpha)=0。
  5. 因为 g(α)≠0g(\alpha) \neq 0, Pα(x)P_{\alpha}(x) 不整除 g(x)g(x)。
  6. 由于 Pα(x)P_{\alpha}(x) 在 F[x]F[x] 中不可约, Pα(x)P_{\alpha}(x) 和 g(x)g(x) 互素, gcd⁡(Pα,g)=1\operatorname{gcd}(P_{\alpha}, g) = 1。
  7. 根据贝祖定理(在 F[x]F[x] 这个主理想整环上成立),存在 a(x),b(x)∈F[x]a(x), b(x) \in F[x] 使得 Pα(x)a(x)+g(x)b(x)=1P_{\alpha}(x) a(x) + g(x) b(x) = 1。
  8. 将 α\alpha 代入上式: Pα(α)a(α)+g(α)b(α)=1P_{\alpha}(\alpha) a(\alpha) + g(\alpha) b(\alpha) = 1。
  9. 由于 Pα(α)=0P_{\alpha}(\alpha) = 0,上式变为 g(α)b(α)=1g(\alpha) b(\alpha) = 1,即 b(α)=1g(α)b(\alpha) = \frac{1}{g(\alpha)}。
  10. 因此, f(α)g(α)=f(α)b(α)\frac{f(\alpha)}{g(\alpha)} = f(\alpha) b(\alpha)。由于 f(x)b(x)f(x)b(x) 仍然是 F[x]F[x] 中的多项式, f(α)b(α)∈F[α]f(\alpha) b(\alpha) \in F[\alpha]。
  11. 故 F(α)⊆F[α]F(\alpha) \subseteq F[\alpha]。
  12. 综上所述,F(α)=F[α]F(\alpha) = F[\alpha]。

单代数扩张的结构

性质:

设 α\alpha 在 FF 上代数,其极小多项式为 Pα(x)P_{\alpha}(x)。则:

F(α)=F[α]={f(α)∣f∈F[x] 且 deg⁡(f)<deg⁡(Pα)}F(\alpha) = F[\alpha] = \{ f(\alpha) \mid f \in F[x] \text{ 且 } \deg(f) < \deg(P_{\alpha}) \}

证明

  1. 取 F[α]F[\alpha] 中任意元素 h(α)h(\alpha) (其中 h∈F[x]h \in F[x])。
  2. 对 h(x)h(x) 和 Pα(x)P_{\alpha}(x) 使用多项式除法(带余除法):
    h(x)=q(x)Pα(x)+r(x)h(x) = q(x) P_{\alpha}(x) + r(x),其中 r(x)=0r(x) = 0 或 deg⁡(r)<deg⁡(Pα)\deg(r) < \deg(P_{\alpha})。
  3. 将 α\alpha 代入: h(α)=q(α)Pα(α)+r(α)h(\alpha) = q(\alpha) P_{\alpha}(\alpha) + r(\alpha)。
  4. 由于 Pα(α)=0P_{\alpha}(\alpha) = 0, h(α)=r(α)h(\alpha) = r(\alpha)。
  5. 这表明 F[α]F[\alpha] 中的任何元素都可以用一个次数小于 deg⁡(Pα)\deg(P_{\alpha}) 的多项式在 α\alpha 处的值来表示。
  6. 并且,如果 r1(α)=r2(α)r_1(\alpha) = r_2(\alpha) 且 deg⁡(r1),deg⁡(r2)<deg⁡(Pα)\deg(r_1), \deg(r_2) < \deg(P_{\alpha}),则 (r1−r2)(α)=0(r_1-r_2)(\alpha) = 0。这要求 Pα(x)∣(r1(x)−r2(x))P_{\alpha}(x) \mid (r_1(x) - r_2(x))。但 Pα(x)P_{\alpha}(x) 的次数更高,这只可能在 r1(x)−r2(x)=0r_1(x) - r_2(x) = 0 时成立,即 r1(x)=r2(x)r_1(x) = r_2(x)。
  7. 因此,这种表示是唯一的。

推论 (扩度与基)

设 d=deg⁡(Pα)d = \deg(P_{\alpha})。

  1. F(α)F(\alpha) 作为 FF 上线性空间的一组基为 {1,α,…,αd−1}\{ 1, \alpha, \ldots, \alpha^{d-1} \}。
  2. [F(α):F]=d[F(\alpha): F] = d。
  3. (若 FF 为有限域) ∣F(α)∣=∣F∣d|F(\alpha)| = |F|^d。

同构关系

定理: F[x]/⟨Pα(x)⟩≅F(α)F[x] / \langle P_{\alpha}(x) \rangle \cong F(\alpha)

证明概要

  1. 定义一个映射 φ:F[x]→F(α)\varphi: F[x] \to F(\alpha), f(x)↦f(α)f(x) \mapsto f(\alpha)。
  2. 可以验证 φ\varphi 是一个环同态。
  3. 根据 F[α]={f(α)∣…}F[\alpha] = \{ f(\alpha) \mid \ldots \} 的定义, φ\varphi 是满同态。
  4. 考察其核 ker(φ)ker(\varphi):
    ker(φ)={f(x)∈F[x]∣f(α)=0}ker(\varphi) = \{ f(x) \in F[x] \mid f(\alpha) = 0 \}。
  5. 根据极小多项式的定义, f(α)=0  ⟺  Pα(x)∣f(x)f(\alpha)=0 \iff P_{\alpha}(x) \mid f(x)。
  6. 因此 ker(φ)={f(x)∈F[x]∣Pα(x)∣f(x)}=⟨Pα(x)⟩ker(\varphi) = \{ f(x) \in F[x] \mid P_{\alpha}(x) \mid f(x) \} = \langle P_{\alpha}(x) \rangle(由 Pα(x)P_{\alpha}(x) 生成的主理想)。
  7. 根据环同构基本定理,F[x]/ker(φ)≅Im⁡(φ)F[x] / ker(\varphi) \cong \operatorname{Im}(\varphi)。
  8. 即 F[x]/⟨Pα(x)⟩≅F(α)F[x] / \langle P_{\alpha}(x) \rangle \cong F(\alpha)。

性质:

如果 α,β∈E\alpha, \beta \in E 在 FF 上是共轭的(即它们有相同的极小多项式 P(x)P(x)),则 F(α)≅F(β)F(\alpha) \cong F(\beta)。

简要说明

  • 根据上述定理, F(α)≅F[x]/⟨P(x)⟩F(\alpha) \cong F[x] / \langle P(x) \rangle。
  • 同理, F(β)≅F[x]/⟨P(x)⟩F(\beta) \cong F[x] / \langle P(x) \rangle。
  • 因此, F(α)≅F(β)F(\alpha) \cong F(\beta)。

例子

考察 Q(2)\mathbb{Q}(\sqrt{2})。

  • α=2\alpha = \sqrt{2} 在 Q\mathbb{Q} 上的极小多项式是 P(x)=x2−2P(x) = x^2 - 2。
  • d=deg⁡(P)=2d = \deg(P) = 2。
  • 因此 [Q(2):Q]=2[\mathbb{Q}(\sqrt{2}): \mathbb{Q}] = 2。
  • Q(2)/Q\mathbb{Q}(\sqrt{2}) / \mathbb{Q} 的一组基为 {1,2}\{ 1, \sqrt{2} \}。
  • Q(2)={a⋅1+b⋅2∣a,b∈Q}={a+b2∣a,b∈Q}\mathbb{Q}(\sqrt{2}) = \{ a \cdot 1 + b \cdot \sqrt{2} \mid a, b \in \mathbb{Q} \} = \{ a + b\sqrt{2} \mid a, b \in \mathbb{Q} \}。