67583

Расширения полей. Присоединение элементов большего поля

Лекция

Математика и математический анализ

Присоединение элементов большего поля. Если k подполе поля K то говорят также что K расширение поля k. Отметим что при расширении сохраняется характеристика поля. По определению расширения большее поле K содержит те же подполя и следовательно имеет ту же характеристику.

Русский

2014-09-12

212 KB

0 чел.

Лекция 12

Расширения полей.

Присоединение элементов большего поля.

            Если  k - подполе поля K, то говорят также, что K - расширение поля k. Отметим, что при расширении сохраняется характеристика поля. В самом деле, поле k характеристики 0 содержит подполе изоморфное Q - полю рациональных чисел, а поле k характеристики p>0 - подполе изоморфное полю GF(p) - вычетов по модулю p. По определению расширения большее поле K содержит те же подполя и, следовательно, имеет ту же характеристику.

            Напомним, что векторным пространством над полем k называется такое множество X (векторов), для которого определены операции сложения векторов и умножения вектора на элемент поля (скаляр) со следующими свойствами:

Относительно сложения векторы образуют абелеву группу.

a(U+V) = aU+aV

(a+b)U = aU+bU

a(bU) = (ab)U

1U =U.

Очевидно, что поле K можно рассматривать как векторное пространство над k: сложение векторов интепретируется как сложение элементов поля K, а умножение на скаляр как умножение в том же поле (ведь каждый скаляр из k в то же время является элементом K). Свойства 1 - 5 вытекают из определения поля. Таким образом, все известные нам результаты, относящиеся к векторным пространствам, применимы к случаю расширения полей. В частности, можно говорить о размерности K над k. Это число называется степенью расширения  и обозначается [K:k] . Если степень расширения конечна, то и само расширение называется конечным.

Примеры.

Поле С комплексных чисел является расширением поля R вещественных чисел. Так как каждое комплексное число однозначно записывается в виде a+bi, то числа 1 и i образуют базис С над R и значит [C:R] = 2.

Рассмотрим поле R как расширение поля рациональных чисел Q. Покажем, что степень расширения бесконечна. Для этого достаточно для всякого n указать линейно независимую над Q систему  вещественных чисел. Положим , , ,..., . Пусть для некоторых рациональных  выполнено равенство: =0. Тогда многочлен с рациональными коэффициентами q =  имеет корень x= .Однако тот же корень имеет неприводимый многочлен , который, следовательно, делит многочлен q. Это возможно только в том случае, когда многочлен q нулевой, чем и доказано наше утверждение.

Теорема о степени составного расширения.

Пусть поле F является расширением поля k, а K - расширение F. Тогда степень расширения [K:k] находится по формуле: [K:k] = [K:F] [F:k].

Доказательство.

Пусть  - базис K над F, а  - базис F над k.  Для всякого U K имеем: U = , где . Но, , где  . Значит, всякий элемент поля K записывается в виде линейной комбинации над k элементов в количестве nm штук. Остается проверить их линейную независимость. Если

=0, то поскольку линейно независимы над F, для всякого

i= 1,...,n имеем= 0. Но линейно независимы над k и потому все.

Расширение посредством присоединения элементов.   

Пусть дано поле k и элементы, принадлежащие некоторому большему полю K. Наименьшее (по включению) подполе  поля K, содержащее поле k и все элементы  обозначается k() и называется расширением k посредством присоединения элементов. Если n=1, то расширение называется простым , а соответствующий элемент U называется порождающим элементом простого расширения.

Примеры.

Если все, то k()=k.

Если k=R, U=a+biC, причем b0, то простое расширение R(U) совпадает с С. В самом деле, R(U) содержит U и все вещественные числа. Но тогда

   i = 1/b(U-a) R(U), а значит и любое комплексное число p+qiR(U).

3. Поле Q() содержит множество X всех вещественных чисел, которые можно записать  в виде a+b, где a,bQ.

Проверим, что X - поле и тем самым установим, что Q() =X. Напомним, что подмножество T поля k будет полем тогда и только тогда, когда

a) T содержит 0 и 1.

b) Вместе с любыми двумя элементами t и s T содержит их разность t-s.

c) Вместе с любыми двумя элементами t и s 0 T содержит их частное t/s.

Условия a) и b) для X очевидно выполнены. Чтобы проверить c) надо”уничтожить иррациональность” в знаменателе дроби (a+b)/(c+d). Из элементарной алгебры известно, что для этого достаточно числитель и знаменатель умножить на c-d. Итак, [Q():Q]=2 и базис составляют элементы 1 и.

4. Поле Q() содержит. Но тогда оно должно содержать также и, а значит и все числа вида a+b+c, где a,b,cQ. Отметим, что запись числа в такой форме однозначна поскольку мы уже убедились в линейной независимости чисел 1, , над Q. Чтобы доказать, что все элементы поля уже построены, надо как и в предыдущем примере уничтожить иррациональность в знаменателе дроби                    (a+b+c)/( d+e+f). Это можно проделать, используя тождество: -3xyz= (x+y+z)(  -xy-xz-yz)=(x+y+z)S. Достаточно вэять x=d, y=e, z=f и домножить числитель и знаменатель на S. Следовательно, [Q() :Q]=3 и базис составляют элементы1, , .

Анализируя приведенные примеры, мы видим, что строение простого расширения существенно зависит от алгебраической природы порождающего элемента.

В связи с этим дадим следующее определение. Пусть kK  и UK. Элемент U называется алгебраическим над k, если он является корнем полинома pk[x] положительной степени. В противном случае U называется трансцендентным элементом.  Если p(U)=0 и p=qr, то либо q(U)=0, либо r(U)=0, поэтому найдется такой неприводимый многочлен sk[x], что s(U)=0. Если еще потребовать, чтобы s был унитарным, то он будет определен однозначно. Это будет многочлен наимеьшей степени, имеющий U своим корнем (минимальный многочлен алгебраического элемента U ). Степень минимального многочлена называется степенью числа U над полем k.

Примеры.

Любое комплексное число z является корнем квадратного уравнения над R:  =0. Таким образом все комплексные числа алгебраичны над R и степень их не превосходит 2.

, - алгебраические элементы над Q.  Они являются корнями неприводимых уравнений -3=0 и -2=0 соответственно, так что их степени - 2 и 3.

Можно доказать(весьма непросто!), что числа и е трансцендентны над полем Q.

Строение простых алгебраических расширений.

Теорема.

Если U алгебраический над k элемент степени n, то [k(U):k]=n и в качестве базиса можно выбрать элементы 1, U, .

Доказательство.

Ясно, что U и все его степени входят в k(U). Пусть pk[x] - минимальный многочлен элемента U. Тогда =. Умножая обе части этого равенства на, получаем, что при mn выражается над k в виде линейной комбинации меньших степеней U. В то же время элементы 1, U,...,  линейно независимы над k, так как в противном случае U было бы корнем уравнения степени меньше n, что невозможно. Остается проверить что множество X={ } является полем, для чего достаточно установить, что элемент x=1/ Положим: q=. Так как степень этого многочлена меньше n, ОНД(p,q)=1. По основной теореме теории делимости для многочленов можно подобрать такие многочлены s и t над полем k, что sq+tp=1. Но тогда s(U)q(U)=1 и следовательно x=  s(U)  k.

Пример.

Пусть k=Q, U=. Тогда, откуда =24. Значит U алгебраическое число, являющееся корнем уравнения p= +1=0. Решая это биквадратное уравнение определим все его корни: x=. Если бы многочлен p был приводим, он имел бы над Q делитель вида (x-a) или (x-a)(x-b) , где a,b некоторые из указанных выше корней. Однако непосредственная проверка показывает, что ни один из этих многочленов не имеет рациональных коэффициентов. Поэтому степень числа U равна 4 и базис в расширении составляют числа : 1, U=, , . Вместо них в базис можно включить 1, ,, . Отсюда вытекает, что Q()=Q() и таким образом присоединение двух элементов и равносильно присоединению единственного элементa. Можно доказать, что всякое конечное расширение поля характеристики 0 является простым алгебраическим расширением и таким образом для его построения достаточно к исходному полю присоединить один единственный элемент.        

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78999. Позитивистская традиция философии науки: эволюция основных подходов и концепций. Критический рационализм и перспективы его развития 17.51 KB
  Позитивистская традиция философии науки: эволюция основных подходов и концепций. и был ориентирован на развитие науки. Позитивисты видели роль философии в развитии науки исследования закономерностей языка науки. Позитивизм наиболее широко распространенное течение западной философии второй половины XIXXX веков утверждающее что источником подлинного положительного позитивного знания могут быть лишь отдельные конкретные эмпирические науки и их синтетические объединения а философия как особая наука не может претендовать на...
79000. Философские аспекты обоснования научного знания. Проблемы формализации и математизации научных теорий: история и современность 39.5 KB
  Научное знание выраженное в рамках соответствующей теории позволяет человеку: предвидеть наступление соответствующих событий совершаемых в природе или обществе и тем самым предсказать ход их дальнейшего развития и изменить эту объективную действительность посредством человеческой деятельности в соответствии с полученными научными знаниями и тем самым подчинить эту действительность...
79001. Типология научных проблем, их философско-методологический анализ. Генезис научной проблемы и пути её разрешения 15.5 KB
  Проблема форма теоретического знания содержанием которой является то что еще не познано человеком но что нужно познать. Проблема это процесс включающий 2 момента постановку и решение. Однако этим процедурам всегда предшествует вопрос или проблема. Для успешного решения научной проблемы Поппер формулирует 2 основных условия: Ясное четкое формулирование Критическое исследование различных ее решений Тем самым научная проблема выражается в наличии противоречивой ситуации которая требует разрешения.
79002. Теоретический уровень науки. Генезис научной теории, её внутренняя организация. Математический аппарат и его интерпретация 58.5 KB
  Генезис научной теории её внутренняя организация. Выделяют следующие основные элементы структуры теории: 1 Исходные основания фундаментальные понятия принципы законы уравнения аксиомы и т. 3 Логика теории совокупность определенных правил и способов доказательства нацеленных на прояснение структуры и изменения знания. 5 Совокупность законов и утверждений выведенных в качестве следствий из основоположений данной теории в соответствии с конкретными принципами.
79004. Неклассическая модель научного знания. Философский и общенаучный смысл теории относительности. Парадоксы неклассической науки 36.5 KB
  Философский и общенаучный смысл теории относительности. Эти события привели к кризису ньютоновской парадигмы классической физической теории господствовавшей в XVII первой половине XIX в. Кризис разрешился революцией в физике породившей: теорию относительности частную или специальную СТО и общую ОТО; квантовую механику нерелятивистскую и релятивистскую квантовую теорию поля; Эти теории ознаменовали переход от классической к неклассической науке. Создание теории относительности.
79005. Постнеклассическая наука, её ценностно-целевые ориентиры. Парадигма нелинейного мира 35.5 KB
  Парадигма нелинейного мира. В контексте различных и даже противоречивых концепций можно говорить о новой научной картине мира создаваемой постнеклассической наукой Процесс ее построения еще не завершен но основные контуры уже очевидны. Исходные философские идеи новой науки: единство мира заключается в том что на всех уровнях организации действуют общие законы; системное видение в противовес механическому пониманию мира; синтез детерминизма многовариантности и случайности; отказ от концепции редукционизма: нахождение изоморфных законов в...
79007. Особенности научного знания. Наука и другие формы миропостижения (философия, искусство, религия) 48.5 KB
  Ответ на вопрос о том что исследуется раскрывает природу предмета науки а ответ на вопрос о том как осуществляется исследование раскрывает метод исследования. Философия же в отличие от науки выносит универсальные суждения и стремится открыть законы всего мирового целого. В отличие от науки ценностная компонента знания неустранима из философии. Это с одной стороны натурфилософия как попытка строить универсальные картины мира без опоры на данные науки а с другой позитивизм призывающий философию отказаться от обсуждения...