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

14998. Ахмет Байтұрсынұлының шығармалары 55.5 KB
  Ахмет Байтұрсынұлының шығармалары Қалайда халықты ояту оның санасына жүрегіне сезіміне әсер ету жолдарын іздеген ақын айналып келгенде ұлы Абай тапқан соқпақ орыс әдебиеті үлгілерін пайдалану аударма жасау дәстүріне мойынсынады. Бұрынғы ескіертегі химия үлгіл...
14999. Абай жолы романындағы тарихи шындық эволюциясы 57.5 KB
  УДК 63.3 АБАЙ ЖОЛЫ РОМАНЫНДАҒЫ ТАРИХИ ШЫНДЫҚ ЭВОЛЮЦИЯСЫ Н.Қ.Сманова Б.Д.Тажикова Керімбай атындағы №12 орта мектептреусрстық орталығы Тараз қ. Абай эпопеясы творчестваның Тылсым сырына өмір мен өлеңнің өза...
15000. Абай Құнанбаевтың Евгений Онегиннен аудармасы 75 KB
  Абайдың романы Онегин мен Әбдірахман бейнелерінің ұқсастықтары екеуінің ұқсамайтын тұстарынан әлдеқайда басым. Тек Онегиннің ішінің қалтарысы көптеу. Эпистолярлық романда Татьянаның Шығыс әулетіне туыстас қасиеті басым. €œДосың ақпын €œтағдыр араз€ бәрін €
15001. Абай шығармаларындағы нәзирагөйлік дәстүрдің зерттелу жайы 71 KB
  УДК 828.215.121.22 АБАЙ ШЫҒАРМАЛАРЫНДАҒЫ НАЗИРАГӨЙЛІК ДӘСТҮРДІҢ ЗЕРТТЕЛУ ЖАЙЫ Зкирова Бағылан 10 бсынып оқушысы Ы.Алтынсарин атындағы дарынды балаларға арналған облыстық мамандандырылған қазақ гимназияинтернаты Павлодар қаласы Әлемдік әдебиеттердің ө
15002. Абайдың әдеби ортасы және ақындық мектебі 320.5 KB
  Әр қаламгерді оның әдеби ортасынан жеке-дара алып қарау, тану біржақты болмақ. Ақын, немесе жазушы өз ортасында өсіп, содан сусындап, шыңдалып қана қоймай
15003. Абайша сүйіп, Абайша күйіп жүрміз бе 135 KB
  АБАЙША СҮЙІП АБАЙША КҮЙІП ЖҮРМІЗ БЕ Атады таң батады күн толады ай. Ауысады күнде саба толағай. Бірі барда бірі болмай жоқты аңсап Неге пенде болды сонша қомағай Нәпсі сол ғой ныспы адам болғасын Тәркі өмір талқы тартыс додадай. Ақын ақын болмас еді а
15004. Азаттық жырының ақтаңгері (Дулат Бабатайұлы шығармашылығы) 50.5 KB
  Серікзат Дүйсенғазин Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің доценті филология ғылымдарының кандидаты АЗАТТЫҚ ЖЫРЫНЫҢ АҚТАҢГЕРІ Дулат Бабатайұлы шығармашылығындағы дәстүр мен жаңашылдық хақында Қазақтың ұлттық Ренессансының басы Аб...
15005. Айқап журналындағы оқу-тәрбие мәселелері 43 KB
  Айқап журналындағы оқутәрбие туралы ойларды зерделеу. XX ғасырдың бас кезінде яғни 1911 жылдың қаңтарынан бастап 1915 жылдың қыркүйек айына дейін Тройцкі қаласындағы Энергия баспахансында қазақ тілінде үзбей шығып тұрған Айқап журналы халқымыздың әлеуметтік с...
15006. Айналайын, Атажұртым 450 KB
  Қазақстан – ежелгі ел бірақ әлемнің қазіргі картасынан ол таяуда ғана яғни 1991 жылы орын алды. Біздің Отанымыз – егеменді тәуелсіз Қазақ мемлекеті. Жүз жиырмадан аса ұлт өкілдері тұратын осынау қасиетті мекенде асқақтаған Алатаулы өлкеде кеңшілігі керемет дархан даста...