可分扩张

可分扩张是抽象代数之域扩张理论中的概念。如果一个代数扩张满足:任何一个中元素在基域上的极小多项式都是可分多项式,那么这个扩张就称作可分扩张。由于特征为0的域(包括常见的有理数域\mathbb{Q})以及有限域都是完美域,任何这些域上的代数扩张都是可分扩张,因此可分扩张在域论研究中十分重要。可分扩张还是伽罗瓦扩张的条件之一,因此它在伽罗瓦理论中也扮演了重要的角色。

简介
域扩张理论和多项式有紧密的关系。给定一个基域并固定其某个代数闭包,所有多项式(即以中元素为系数的多项式)都在中有根,即存在,使得0。考虑集合Z_f = \{ r\in K^{\mathrm{alg}}; \; f(r) = 0\}。包含了所有的相异的根,它的元素个数不会超过多项式的次数,但也不总等于多项式的次数。例如有理数系数的三次多项式X^3 - X有三个不同的根:1、0和-1,相异根的个数等于多项式次数。但同样是三次多项式X(X - 1)^2就只有两个根:0和1。

尽管随着代数闭包变化,多项式的根的形式可以不一样,但多项式相异根的个数是它的内禀属性。这个属性对应着域扩张理论中的可分扩张与不可分扩张。

多项式的重根与可分多项式
给定域扩张以及多项式。如果某个中元素是的根,那么可以分解为两个多项式的乘积:
::f = (X - \alpha) g.
其中是一个次数比少1的多项式。如果也是的根,那么就被称作是多项式的重根。有重根的多项式,相异根的个数必然严格小于它的次数。这样的多项式称为不可分多项式。反之称为可分多项式

在的分裂域中,可以更清楚的看到重根。给定的分裂域後,由于在中可以完全分解为一次因式的乘积:
::f = \kappa (X - \alpha_1)(X - \alpha_2)\cdots (X - \alpha_k), \; \kappa \in K, \; \alpha_1, \alpha_2, \cdots ,\alpha_k \in F.
因此可以看出是否有两个根相同。

尽管的根常常在扩域中,但“是否有重根”的判断可以直接在中进行。考虑的形式导数多项式。如果和互素,则没有重根。否则,和的公因子就是由的重根组成的多项式。互素的具体判别方式为:
:如果存在多项式和,使得1,则和互素。

定义
一个代数扩张是可分扩张,当且仅当对中任一给定元素,在上的极小多项式没有重根。

可分元素与可分次数
给定一个域扩张,如果中某个元素在上的极小多项式没有重根,就称它为上的可分元素。显然所有中元素都是上的可分元素。所有可分元素构成一个域,记作是域扩张的中间域。子扩张的次数称为的可分次数,记作。如果,则是可分扩张。

当是有限扩张时,可以定义不可分次数。是可分扩张等价于说不可分次数等于1。

性质

  • 如果、都是代数扩张,那是可分扩张当且仅当和都是可分扩张。
  • 假设是可分扩张,是任意扩张,并且存在,那么也是可分扩张。
  • 由以上两个性质可以推出,对于任何域,在它的代数闭包里,所有在上可分的元素可以构成一个域。称这个域为的可分闭包,记作。
  • 如果是有限可分扩张,那之间只存在有限多个中间域,由本原元定理得出,存在本原元,即存在\alpha\in L使得L=K(\alpha)。

参见

  • 完美域
  • 本原元定理

参考文献
*

Körpererweiterung#Separable Erweiterungen

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