67584

Расширения полей. Формальное присоединение элементов

Лекция

Математика и математический анализ

На прошлой лекции было показано что исходное поле k можно расширить добавляя элементы из некоторого большего поля. Оказывается что конструкцию присоединения можно провести изнутри не выходя в большее поле K. Пусть pk(x)неприводимый многочлен над k U его корень в некотором большем поле...

Русский

2014-09-12

288 KB

3 чел.

Лекция 13

Расширения полей.

Формальное присоединение элементов.

            На прошлой лекции было показано, что исходное поле k можно расширить добавляя элементы из некоторого большего поля. В случае простого алгебраического расширения добавляется единственный элемент U, являющийся корнем некоторого неприводимого многочлена над k степени n. Это приводит к полю k(U), которое будет расширением степени n исходного поля k.

            Оказывается, что конструкцию присоединения можно провести “изнутри”, не выходя в большее поле K. Идея этого построения раскрывается в следующей теореме.

Теорема.

Пусть pk[x] - неприводимый многочлен над k, U - его корень в некотором большем поле K, (p) =pk[x] k[x] - главный идеал с образующим элементом p. Тогда k(U)  k[x]/(p).

Доказательство.

Определим отображение :k[x]  k(U)  формулой (q)=q(U). Поскольку каждый элемент Vk(U) может быть записан в виде многочлена от U,  сюръективно. По теореме о гомоморфизме k(U)  k[x]/Ker. Остается доказать, что Ker = (p). Если q=pd, то q(U)=p(U)d(U) = 0 и таким образом (p)  Ker. Обратно, если q(U) = 0 то поскольку p неприводим и p(U) = 0 , p | q и значит Ker  (p).

Следствие.        

Если  и  корни одного неприводимого над k многочлена, то поля k() и k() изоморфны, причем при этом изоморфизме каждый элемент поля k отображается на себя.

Замечание.

Поле F = k[x]/(p), для своего построения не требует знания большего поля K, в котором лежит корень  неприводимого многочлена p. Поле F содержит k. Рассмотрим естественный гомоморфизм t: k[x]  F и определим элемент U поля F равенством U= t(x). Тогда, очевидно, p(U) =0 . Теперь только что доказанная теорема позволяет утверждать, что Fk(U). Такой способ присоединения новых элементов к полю  называется формальным. Отметим, что именно так было построено поле C комплексных чисел исходя из поля вещественных чисел R: мнимую единицу i мы присоединили, как корень (неприводимого над R) многочлена . Присоединение было формальным в вышеуказанном смысле, так как находясь в области вещественных чисел, мы не можем указать корень этого многочлена.

Примеры.

Пусть k = Q, U =. Тогда p= имеет корни U, U, U, где - кубический корень из 1. Согласно только что сформулированному следствию, поля k=k(U) и k=k(U) изоморфны, хотя они и состоят из элементов различной природы: все числа из поля k действительные, а для k это уже не так.

Рассмотрим k = GF(2) и неприводимый многочлен p= +x+1 над этим полем. Нам неизвестно никакое большее поле K, в котором следует искать корни этого многочлена. В соответствии с только что доказанной теоремой рассмотрим поле K=k[x]/(p). Всякий его элемент можно записать в виде a+bU, где a , bGF(2), причем +U+1 = 0 . Поле K поэтому содержит 4 элемента: 0 = 0+0U; 1=1+0U; U =0+1U; V = 1+1U. Поле K является расширением поля GF(2) и потому имеет характеристику 2. С учетом этого обстоятельства его элементы складываются очевидным образом. Что касается умножения, то (как и во всяком поле) (a+bU)(c+dU) = ac+(ad+bc)U+bdи остается воспользоваться равенством =U+1. Например, U(U+1) = +U =1 так что элементы U и U+1 взаимно обратны. Поле K обозначается GF(4). В нем многочлен p имеет корень U.  Другим корнем p в том же поле будет V = U+1. Значит в поле GF(4) многочлен p раскладывается на множители первой степени: p = (x+U)(x+U+1).

Поле разложения многочлена.

Пусть pk[x] произвольный многочлен степени n. Разложим его в произведение неприводимых многочленов: p =. Присоединяя к k корень многочлена p построим новое поле, в котором p = (x-a) , где многочлены неприводимы над. Теперь присоединим к корень многочлена и так далее. В результате не более чем через n шагов мы придем к полю K в котором многочлен p распадается, то есть раскладывается в произведение многочленов первой степени: p=

Определение.

Построенное таким образом поле K называется полем разложения многочлена p. Это - наименьшее поле, содержащее k и все корни многочлена p: K = k().

Примеры.

У нас уже появлялись поля разложения. Так мы видели,что Q() -поле разложения многочлена Q[x], Q() - поле разложения многочлена Q[x], GF(4) - поле разложенияGF(2)[x].

Построим поле разложения для p = Q[x]. Заметим, что поле=Q() таковым не является; в этом поле p = и второй множитель q  неприводим даже над R, поскольку его дискриминант меньше нуля. Поле разложения K получится, если мы присоединим к полю один из корней уравнения q(x) = 0, то есть величину, где - кубический корень из 1. Впрочем, поскольку, достаточно присоединить. Первое расширение имеет базис 1, ,. Второе - 1, . По теореме о строении составного расширения,  базис K над Q составляют элементы: 1, ,,,, и [K:Q] =6. Заметим, что  = K, хотя в отдельности ни i ни не входят в K.

Замечание.

Можно доказать ( мы этого делать не будем), что поле разложения данного многочлена определено однозначно с точностью до изоморфизма.

Строение конечных полей.

Теорема о количестве элементов конечного поля.      

Пусть K расширение конечного поля k степени n. Если k содержит q элементов, то K содержит  элементов.

Доказательство.

Пусть - базис расширения. Любой элемент поля K однозначно записывается в виде:, гдеk. Отсюда и вытекает наше утверждение.

Следствие.

Количество элементов конечного поля k  характеристики p равно. В самом деле, kGF(p).

Как нам известно, над полем GF(p) существуют неприводимые многочлены любой степени . Присоединяя ( формально) к GF(p) корень такого многочлена степени n, мы получим расширение KGF(p) степени n. Итак, имеем следующее утверждение.

Теорема существования для конечных полей   

Для всякого натурального n и простого p существует конечное поле из  элементов.

        Рассмотрим теперь многочлен t =, где q =  над полем GF(p). Пусть K какое либо поле, содержащее все корни этого многочлена, так что в K . Отметим, что среди элементов нет одинаковых. В самом деле,  , так что ОНД(t, ) = 1 и t не имеет кратных корней.

Теорема.   

Множество T = {}K является полем из q элементов.

Доказательство.                                                                                                                                                  Надо проверить, что и                                            1. , Но . Значит, 

2. .

Следствие.

Поле T   из элементов является полем разложения многочлена  над GF(p).

Поскольку поле разложения многочлена определено однозначно с точностью до изоморфизма, мы вправе ввести для него специальное обозначение. Это поле называется полем Галуа  в честь французского математика Эвариста Галуа и обозначается GF().

Пусть теперь K любое поле из  элементов. Как нам известно, группа K* - циклическая порядка q-1. Поэтому для любого, а потому  для всех без исключения элементов K. Таким образом всякий элемент xK удовлетворяет уравнению =0  и KGF(q). Поскольку они состоят из одинакового числа элементов, мы получаем:

Теорема.

Любое конечное поле изоморфно GF().

Следствие.

Всякий неприводимый над GF(p) многочлен s степени n является делителем многочлена d =.

В самом деле, присоединяя к GF(p) корень многочлена s, мы получаем поле из элементов. Следовательно, этот корень содержится в GF() и неприводимый многочлен s делит d.

Отметим, что после этого присоединения получается поле разложения многочлена s.

Следствие.

Поле разложения любого неприводимого многочлена s степени n над GF(p) получается в результате присоединения одного единственного корня этого многочлена и изоморфно GF().  Многочлен s не имеет корней в полях GF() при l<n.

Теорема о подполях конечных полей.

Если kGF(), то kGF(),  причем m | n. Обратно, для всякого делителя m числа n в поле GF() существует единственное подполе из  элементов.

Доказательство.

Поскольку k имеет характеристику p оно состоит из q =  элементов. Поле GF() можно рассматривать как расширение степени l поля  k и, следовательно оно состоит из элементов, так что n = ml. Обратно, поскольку kGF(), всякий его элемент удовлетворяет уравнению = x. Это уравнение имеет не более корней в поле GF(), и значит если такое  подполе существует, его элементы определяются однозначно. Остается доказать, что при n = ml уравнение  = x имеет ровно корней в GF(). Проверим, что. Обозначим и заметим, что число целое. Имеем: .Так как y =1 корень числителя, то деление выполняется нацело. Поскольку в поле GF() многочлен распадается, то же верно и для его делителя и потому этот многочлен имеет корней.

Теорема о действии автоморфизма Фробениуса.   

Автоморфизм Фробениуса Ф:  циклически переставляет корни любого неприводимого многочлена степени n над GF(p).

Доказательство.

Пусть s заданный многочлен и a один из его корней. Тогда Ф Достаточно проверить, что все элементы a, Ф(a), ...., Ф попарно различны. Допустим, что Ф(a)= Ф(a), то есть, где i<j<n. Обозначим v = i- j+n. Возводя обе части полученного равенства в степень, получаем: . Таким образом a содержится в поле разложения многочлена, то есть в GF(). Поскольку v<n это невозможно.   


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24462. Восприятие и его характеристики 45.5 KB
  В отличие от ощущений отражающих лишь отдельные свойства предметов в образе восприятия представлен весь предмет в совокупности его постоянных свойств. Образ восприятия выступает как результат синтеза ощущений. При этом особенно важную роль во всех видах восприятия играют двигательные или кинестетические ощущения которые регулируют по принципу обратной связи реальные взаимоотношения субъекта с предметом. В процессе слухового восприятия активную роль играют слабые движения артикуляционного аппарата.
24463. Сфера вторичных образов: эмпирические характеристика представления в сравнении с характеристиками восприятия 58.5 KB
  Сфера вторичных образов: эмпирические характеристика представления в сравнении с характеристиками восприятия. К вторичным образом относятся образы представления сновидения галлюцинации. При этом степень обобщенности того или иного представления может быть различной в связи с чем различают единичные и общие представления. Представления различаются по ведущему анализатору зрительные слуховые осязательные обонятельные по их содержанию математические технические музыкальные.
24464. Понятие о памяти, её видах и процессах. Способы повышения эффективности запоминания 72.5 KB
  Память форма психического отражения действительности заключающаяся в закреплении сохранении и последующем воспроизведении прошлого опыта делающая возможным его повторное использование в деятельности или возвращение в сферу сознания. Память является процессом обеспечивающим построение всестороннего образа мира связывающим разрозненные впечатления в целостную картину прошлое с настоящим и будущим. По длительности сохранения информации выделяют сенсорную кратковременную долговременную память. В соответствии с видом стимула сенсорная...
24465. Внимание: его характеристики и методы диагностики 69 KB
  Объектом внимания могут быть предметы явления отношения свойства предметов действия мысли чувства других людей и свой собственный внутренний мир. Внимание обладает следующими основными характеристиками: Устойчивость внимания проявляется в способности в течение длительного времени сохранять состояние внимания на какомлибо объекте предмете деятельности не отвлекаясь и не ослабляя внимание. Концентрация внимания противоположное качество рассеянность проявляется в различиях которые имеются в степени концентрированности...
24466. Понятие мышления, его виды. Фазы мыслительного процесса и мыслительные операции 70.5 KB
  Мышление это социально обусловленный неразрывно связанный с речью психический процесс поисков и открытия существенно нового процесс опосредованного и обобщенного отражения действительности в ходе ее анализа и синтеза. Мышление возникает на основе практической деятельности из чувственного познания и далеко выходит за его пределы. Мышление является базовым компонентом интеллекта. 1 Наиболее распространена среди них классификация рассматривающая такие разновидности мыслительной деятельности как нагляднодейственное нагляднообразное и...
24467. Речь и язык. Виды речи и ее функции 31 KB
  Речь и язык. Речь исторически сложившаяся форма общения людей посредством языковых конструкций создаваемых на основе определенных правил. Речь включает процессы порождения и восприятия сообщений для целей общения передачи информации или для целей регуляции и контроля собственной деятельности. Речь имеет полифункциональный характер.
24468. Эмоции и их функции. Психологические теории эмоций 32 KB
  Психологические теории эмоций. Эмоции выполняют следующие функции: Сигнальная функция эмоций выражается в том что переживания возникают и изменяются в связи с происходящими изменениями в окружающей среде или в организме человека. Регулирующая функция эмоций выражается в том что стойкие переживания направляют поведение человека поддерживают его заставляют преодолевать встречающиеся на пути преграды или мешают протеканию деятельности блокируют ее. Дифференцирующая и синтезирующая функция эмоций проявляется в таких феноменах как...
24469. Классификация эмоций. Эмоции и чувства 29.5 KB
  Эмоции и чувства. Виды эмоциональных явлений: эмоциональные реакции настроение аффект чувства эмоциональный стресс. Чувства еще более чем эмоции устойчивые психические состояния имеющие четко выраженный предметный характер: они выражают устойчивое отношение к какимлибо объектам реальным или воображаемым. Эмоции и чувства.
24470. Психические состояния их классификация 45 KB
  Психические состояния их классификация. Психическое состояние это целостная характеристика психической деятельности за определенный период времени показывающая своеобразие протекания психических процессов в зависимости от отражаемых предметов и явлений действительности предшествующего состояния и психических свойств личности. По параметру динамичности лабильности временной протяжённости состояния занимают промежуточное значение между процессами и свойствами. Функции психических состояний: Регулятивная состояния позволяют адаптироваться...