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第 11 章:分圆域的自同构与模 n 可逆元群 ​

本章对象:\sigma_a:K\to K 固定 \mathbb{Q},把 \zeta_n 送到 \zeta_n^a;\Psi 的输入是剩余类,输出是域自同构。

11.1 自同构必须把生成元送到另一个本原单位根 ​

我们现在正式进入分圆域的 Galois 群。

设

K=\mathbb{Q}(\zeta_n),

其中 \zeta_n 是一个固定的本原 n 次单位根。

我们要研究:

\operatorname{Gal}(K/\mathbb{Q}),

也就是所有固定 \mathbb{Q} 的域自同构

\sigma:K\to K.

关键问题是:

\boxed{\sigma(\zeta_n)\text{ 可以是什么?}}

先从一个最基本的事实开始。因为

\zeta_n^n=1,

对两边作用 \sigma:

\sigma(\zeta_n^n)=\sigma(1).

自同构保持乘法,而且固定 1,所以:

\sigma(\zeta_n)^n=1.

因此:

\boxed{\sigma(\zeta_n)\text{ 一定还是一个 }n\text{ 次单位根}}

但这还不够。我们还要证明它其实是本原 n 次单位根。

假设

\sigma(\zeta_n)

的阶是 d<n。

那就有:

\sigma(\zeta_n)^d=1.

于是:

\sigma(\zeta_n^d)=1.

也就是:

\sigma(\zeta_n^d)=\sigma(1).

因为 \sigma 是单射,所以:

\zeta_n^d=1.

但 \zeta_n 的阶是 n,这与 d<n 矛盾。

因此:

\boxed{\operatorname{ord}(\sigma(\zeta_n))=n}.

也就是说:

\boxed{\sigma(\zeta_n)\text{ 必须是另一个本原 }n\text{ 次单位根}}

而所有本原 n 次单位根都长成:

\zeta_n^a,
\qquad
\gcd(a,n)=1.

所以:

\boxed{
\sigma(\zeta_n)=\zeta_n^a
\quad\text{其中 }\gcd(a,n)=1
}

这就是第一步。

而且因为

K=\mathbb{Q}(\zeta_n),

整个域里的元素都是由 \mathbb{Q} 和 \zeta_n 生成的,所以一个自同构一旦知道

\sigma(\zeta_n)

是什么,就完全确定了。

例如:

\sigma\left(
a_0+a_1\zeta_n+\cdots+a_m\zeta_n^m
\right)
=
a_0+a_1\sigma(\zeta_n)+\cdots+a_m\sigma(\zeta_n)^m,

因为所有 a_i\in\mathbb{Q} 都被固定。

所以:

\boxed{
\text{一个 Galois 自同构完全由 }\zeta_n\text{ 的像决定}
}

现在自然出现一个映射:

\sigma
\longmapsto
a\pmod n,

其中

\sigma(\zeta_n)=\zeta_n^a.

而 a 必须满足:

\gcd(a,n)=1.

所以这些 a 正好构成:

(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times.

下一步就要证明两件事:

\boxed{
\text{每个 }\gcd(a,n)=1
\text{ 的 }a
\text{ 都真的对应一个自同构}
}

以及:

\boxed{
\sigma_a\circ\sigma_b=\sigma_{ab}
}

这样才能真正得到:

\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})
\cong
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times.

这一步也正好能解释你之前问过的“Galois 自同构到底要不要固定单位根”:它固定的是基础域 \mathbb{Q},并不固定 \zeta_n;相反,它可以在所有本原 n 次单位根之间置换。

11.2 追问:在哪里证明了自同构保持本原性 ​

原问题:什么时候证明了

就是在你刚才说“那就继续吧”之后那一步证明的。核心分成两段。

先设

K=\mathbb{Q}(\zeta_n),
\qquad
\sigma\in \operatorname{Gal}(K/\mathbb{Q}).

因为

\zeta_n^n=1,

对两边作用 \sigma:

\sigma(\zeta_n^n)=\sigma(1).

由于 \sigma 保持乘法且 \sigma(1)=1,得到

\sigma(\zeta_n)^n=1.

所以

\boxed{\sigma(\zeta_n)\text{ 是一个 }n\text{ 次单位根}.}

然后还证明了它不能只是普通的 n 次单位根,而必须仍然是本原的。

假设

\operatorname{ord}(\sigma(\zeta_n))=d<n.

那么

\sigma(\zeta_n)^d=1.

于是

\sigma(\zeta_n^d)=\sigma(1).

因为 \sigma 是自同构,所以特别是单射,因此

\zeta_n^d=1.

但 \zeta_n 本身的阶是 n,不可能存在 d<n 使

\zeta_n^d=1.

矛盾。

所以:

\boxed{
\operatorname{ord}(\sigma(\zeta_n))=n.
}

也就是说,

\sigma(\zeta_n)

一定是一个本原 n 次单位根。

而我们前面已经证明所有本原 n 次单位根恰好是:

\zeta_n^a,
\qquad
\gcd(a,n)=1.

所以自然得到:

\boxed{
\sigma(\zeta_n)=\zeta_n^a
\quad\text{for some }a\text{ with }\gcd(a,n)=1.
}

所以这里的逻辑是:

\sigma\text{ 保持方程}
\Rightarrow
\sigma(\zeta_n)\text{ 仍是 }n\text{ 次单位根}

再加上

\sigma\text{ 是单射}
\Rightarrow
\text{阶不会下降}

因此

\sigma(\zeta_n)\text{ 仍然是本原 }n\text{ 次单位根},

最后才写成

\zeta_n^a,\qquad (a,n)=1.

而我们现在正在证明的是反方向:每一个这样的 \zeta_n^a,是否真的都能作为某个自同构下 \zeta_n 的像。

11.3 模 n 剩余类环中的可逆元乘法群 ​

原问题:这个是模n同余的乘法群是吧

对,准确地说是:

\boxed{
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times
}

表示 模 n 的剩余类环 \mathbb{Z}/n\mathbb{Z} 里所有可逆元组成的乘法群。

也可以通俗地说成:

\boxed{\text{模 }n\text{ 意义下“能做乘法逆元”的那些数构成的群}}

1. 先说 ℤ/nℤ 是什么 ​

它是所有模 n 的同余类:

[0],[1],[2],\dots,[n-1].

其中

[a]=[b]
\iff
a\equiv b\pmod n.

这里面可以做加法和乘法:

[a]+[b]=[a+b],
\qquad
[a][b]=[ab].

所以它是一个环。


2. 为什么上面有个 ×? ​

这个 \times 表示“取可逆元”。

也就是说,只保留那些存在乘法逆元的元素。

一个类

[a]\in\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}

可逆,当且仅当存在

[b]

使得

[a][b]=[1].

也就是:

ab\equiv1\pmod n.

而这又等价于:

\boxed{\gcd(a,n)=1.}

所以:

\boxed{
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times
=
\{[a]\in\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}:\gcd(a,n)=1\}
}

3. 例子 ​
例 1:n=5 ​
\mathbb{Z}/5\mathbb{Z}=\{[0],[1],[2],[3],[4]\}.

因为 5 是素数,所以除了 [0] 以外全都可逆。

因此:

(\mathbb{Z}/5\mathbb{Z})^\times
=
\{[1],[2],[3],[4]\}.

这是一个 4 元乘法群。

例如:

[2][3]=[6]=[1].

所以 [2] 的逆元是 [3]。


例 2:n=6 ​
\mathbb{Z}/6\mathbb{Z}=\{[0],[1],[2],[3],[4],[5]\}.

与 6 互素的只有:

1,5.

所以:

(\mathbb{Z}/6\mathbb{Z})^\times
=
\{[1],[5]\}.

这里:

[5][5]=[25]=[1].

所以 [5] 是自己的逆元。


例 3:n=8 ​

与 8 互素的是:

1,3,5,7.

所以:

(\mathbb{Z}/8\mathbb{Z})^\times
=
\{[1],[3],[5],[7]\}.

4. 它为什么和分圆域的 Galois 群对应? ​

因为我们已经证明:

每个自同构都由

\zeta_n\mapsto\zeta_n^a

决定,而要保持“本原 n 次单位根”不变,就必须:

\gcd(a,n)=1.

所以允许的指数恰好就是:

[a]\in(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times.

而且复合满足:

\sigma_a\circ\sigma_b=\sigma_{ab}.

这正对应于

[a]\cdot[b]=[ab]

的乘法。

所以:

\boxed{
\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})
\cong
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times.
}

所以你那句“模 n 同余的乘法群”大体是对的,但更准确是:

\boxed{
\text{模 }n\text{ 剩余类环的可逆元乘法群}
}

因为不是所有模 n 的同余类都能进这个群,只有可逆的那些才行。

11.4 Bézout 等式证明可逆当且仅当互素 ​

原问题:所以上面是怎么证明是乘法可逆元的

对,这一步就是证明:

\boxed{
[a]\in \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}
\text{ 可逆}
\iff
\gcd(a,n)=1
}

这是一个很重要的基本结论。

先证明“如果互素,那么可逆”。

假设

\gcd(a,n)=1.

根据 Bézout 等式,存在整数 x,y,使得

ax+ny=1.

两边对 n 取模:

ax+ny\equiv 1\pmod n.

因为

ny\equiv0\pmod n,

所以:

ax\equiv1\pmod n.

这就说明在 \mathbb{Z}/n\mathbb{Z} 里:

[a][x]=[1].

因此 [x] 就是 [a] 的乘法逆元。

所以:

\boxed{
\gcd(a,n)=1
\Longrightarrow
[a]\text{ 可逆}.
}

例如模 7:

\gcd(3,7)=1.

Bézout 可以写成:

3\cdot5+7\cdot(-2)=1.

所以:

3\cdot5\equiv1\pmod7.

于是:

[3]^{-1}=[5].

再证明反方向。

假设 [a] 在 \mathbb{Z}/n\mathbb{Z} 中可逆。

那么存在某个整数 b,使得:

ab\equiv1\pmod n.

这意味着:

n\mid(ab-1).

所以存在整数 k,使:

ab-1=kn.

也就是:

ab-kn=1.

现在设

d=\gcd(a,n).

因为 d\mid a,所以:

d\mid ab.

又因为 d\mid n,所以:

d\mid kn.

因此 d 也整除它们的差:

d\mid(ab-kn).

但:

ab-kn=1.

所以:

d\mid1.

正的最大公因数只能是:

d=1.

所以:

\boxed{
[a]\text{ 可逆}
\Longrightarrow
\gcd(a,n)=1.
}

两边合起来:

\boxed{
[a]\in(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times
\iff
\gcd(a,n)=1.
}

你也可以把它记成一句非常有用的话:

\boxed{
\text{模 }n\text{ 下,能“约掉”的数,恰好就是和 }n\text{ 互素的数。}
}

这也是为什么前面 \zeta_n\mapsto\zeta_n^a 中要求 \gcd(a,n)=1:这些指数恰好就是模 n 下的乘法可逆元。

11.5 构造每个自同构:良定义、保持运算与逆映射 ​

下一步就是证明:每一个与 n 互素的 a,真的都能产生一个 \mathbb{Q}-自同构。

前面我们只证明了:

\sigma\in\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})

如果存在,那么一定满足

\sigma(\zeta_n)=\zeta_n^a,\qquad \gcd(a,n)=1.

现在要证明反方向:

\boxed{
\gcd(a,n)=1
\Longrightarrow
\text{确实存在一个 }\sigma_a
\text{ 使 }\sigma_a(\zeta_n)=\zeta_n^a
}

因为

K=\mathbb{Q}(\zeta_n),

我们很自然地想定义:

\boxed{
\sigma_a\bigl(f(\zeta_n)\bigr)
=
f(\zeta_n^a)
}

其中

f(x)\in\mathbb{Q}[x].

例如:

3+2\zeta_n-\zeta_n^2

就送到

3+2\zeta_n^a-\zeta_n^{2a}.

看起来非常自然。

但这里马上有一个需要证明的问题:

同一个域元素可能有不同的多项式表达式,这个定义会不会产生矛盾?

比如如果

f(\zeta_n)=g(\zeta_n),

我们必须保证:

f(\zeta_n^a)=g(\zeta_n^a).

否则这个映射就没有良定义。

这正是刚才证明“所有本原 n 次单位根都有同一个最小多项式”发挥作用的地方。

因为:

f(\zeta_n)=g(\zeta_n)

意味着

(f-g)(\zeta_n)=0.

而 \zeta_n 在 \mathbb{Q} 上的最小多项式是:

\Phi_n(x).

所以:

\boxed{
\Phi_n(x)\mid f(x)-g(x)
}

于是可以写:

f(x)-g(x)=\Phi_n(x)h(x).

现在因为

\gcd(a,n)=1,

所以

\zeta_n^a

也是本原 n 次单位根,因此:

\Phi_n(\zeta_n^a)=0.

把 x=\zeta_n^a 代进去:

f(\zeta_n^a)-g(\zeta_n^a)
=
\Phi_n(\zeta_n^a)h(\zeta_n^a)
=0.

所以:

f(\zeta_n^a)=g(\zeta_n^a).

因此这个定义没有歧义:

\boxed{
\sigma_a(f(\zeta_n))=f(\zeta_n^a)
}

是良定义的。

这一步其实非常重要:因为 \zeta_n 和 \zeta_n^a 满足同一个最小多项式,所以可以把一个替换成另一个,而不会破坏原有的代数关系。


接下来,加法和乘法也自动保持。

例如:

\sigma_a(f(\zeta_n)+g(\zeta_n))
=
(f+g)(\zeta_n^a)

等于:

f(\zeta_n^a)+g(\zeta_n^a).

所以:

\sigma_a(x+y)=\sigma_a(x)+\sigma_a(y).

乘法同理:

\sigma_a(xy)=\sigma_a(x)\sigma_a(y).

而且对任何

q\in\mathbb{Q},

有:

\sigma_a(q)=q.

所以它是一个固定 \mathbb{Q} 的域同态。


现在还剩一个问题:它真的是自同构吗?也就是它能不能反过来。

因为

\gcd(a,n)=1,

所以 a 在模 n 下有乘法逆元。

存在 b 使:

ab\equiv1\pmod n.

也就是:

ab=1+kn

某个 k\in\mathbb{Z}。

于是:

(\zeta_n^a)^b
=
\zeta_n^{ab}
=
\zeta_n^{1+kn}
=
\zeta_n(\zeta_n^n)^k
=
\zeta_n.

所以 \sigma_b 可以把 \zeta_n^a 再送回来:

\zeta_n^a
\overset{\sigma_b}{\longmapsto}
\zeta_n.

因此:

\sigma_b=\sigma_a^{-1}.

所以 \sigma_a 确实是一个自同构。

于是我们终于得到:

\boxed{
\forall\,a,\ \gcd(a,n)=1,
\quad
\sigma_a:\zeta_n\mapsto\zeta_n^a
}

都给出了一个元素

\sigma_a\in
\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q}).

下一步只差最后一件事:看两个这种自同构复合以后发生什么。你会发现:

\boxed{
\sigma_a\circ\sigma_b=\sigma_{ab}
}

于是 Galois 群的群运算就和“模 n 的可逆整数相乘”完全一致,这才最终得到

\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})
\cong
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times.

11.6 这一步到底要证明什么:集合对应还要保持运算 ​

原问题:没太看懂你这下一步到底在证明什么

你这里不是某个公式没看懂,而是我刚才没有先把“现在到底要证明什么”说清楚。

我们前面已经做到两件事。

第一件:

\sigma\in \operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})

时,一定有

\boxed{\sigma(\zeta_n)=\zeta_n^a}

而且

\gcd(a,n)=1.

也就是说,每个 Galois 自同构都会对应一个模 n 的可逆数 a。

第二件:

对每个满足

\gcd(a,n)=1

的 a,我们也确实可以构造一个自同构

\sigma_a

使

\boxed{\sigma_a(\zeta_n)=\zeta_n^a}.

所以现在其实已经知道:

\boxed{
\text{Galois 自同构}
\longleftrightarrow
\text{模 }n\text{ 的可逆数}
}

接下来还差最后一点:这个对应不仅是一一对应,而且还保持“群运算”。

为什么要证明这个?

因为我们不是只想说:

两边元素个数一样。

我们想证明的是更强的:

\boxed{
\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})
\cong
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times
}

这里的 \cong 是“群同构”,所以必须证明两边的运算也对应。

左边的群运算是什么?

是自同构的复合:

\sigma_a\circ\sigma_b.

右边的群运算是什么?

是模 n 的乘法:

[a][b]=[ab].

所以我们刚才真正要证明的是:

\boxed{
\sigma_a\circ\sigma_b=\sigma_{ab}
}

这句话就是在说:

左边“先做 \sigma_b,再做 \sigma_a”
对应右边“把 b 和 a 相乘”。

为什么成立?

因为从生成元 \zeta_n 看:

\zeta_n
\xrightarrow{\sigma_b}
\zeta_n^b
\xrightarrow{\sigma_a}
(\zeta_n^a)^b
=
\zeta_n^{ab}.

所以复合以后:

(\sigma_a\circ\sigma_b)(\zeta_n)
=
\zeta_n^{ab}.

而 \sigma_{ab} 本来就是定义成:

\sigma_{ab}(\zeta_n)=\zeta_n^{ab}.

所以:

\boxed{\sigma_a\circ\sigma_b=\sigma_{ab}}.

这一步的目的就是证明:

\boxed{
\text{“自同构复合”对应“指数相乘”}
}

因此这个对应不仅是集合上的一一对应,而真的是群结构完全一样。

你可以把前面整个分圆域部分压缩成三步:

\boxed{
\begin{aligned}
&1.\ \sigma(\zeta_n)\text{ 必须是 }\zeta_n^a,\ (a,n)=1;\\
&2.\ \text{每个这样的 }a\text{ 都真的给出一个 }\sigma_a;\\
&3.\ \sigma_a\circ\sigma_b=\sigma_{ab}.
\end{aligned}
}

第三步就是我刚才在证明的东西。

11.7 复合对应指数相乘,逐项验证群同构 ​

那就把最后这一步完整做完。

我们现在已经知道:对每个满足

\gcd(a,n)=1

的整数 a,都有一个自同构

\sigma_a\in\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})

满足

\boxed{\sigma_a(\zeta_n)=\zeta_n^a}.

现在要看这些自同构之间怎么复合。

取两个:

\sigma_a,\qquad \sigma_b.

先作用 \sigma_b:

\zeta_n
\overset{\sigma_b}{\longmapsto}
\zeta_n^b.

再作用 \sigma_a:

\sigma_a(\zeta_n^b).

因为自同构保持乘法,

\sigma_a(\zeta_n^b)
=
\sigma_a(\zeta_n)^b.

而

\sigma_a(\zeta_n)=\zeta_n^a,

所以:

\sigma_a(\zeta_n^b)
=
(\zeta_n^a)^b
=
\zeta_n^{ab}.

因此:

(\sigma_a\circ\sigma_b)(\zeta_n)
=
\zeta_n^{ab}.

而 \sigma_{ab} 的定义就是:

\sigma_{ab}(\zeta_n)=\zeta_n^{ab}.

因为一个自同构完全由 \zeta_n 的像决定,所以:

\boxed{
\sigma_a\circ\sigma_b=\sigma_{ab}.
}

注意这里 ab 实际上只需要看模 n。

因为:

a\equiv a'\pmod n

就有

\zeta_n^a=\zeta_n^{a'}.

所以:

\sigma_a=\sigma_{a'}

当且仅当

a\equiv a'\pmod n.

因此真正对应的不是整数 a,而是模 n 的剩余类:

[a]\in\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}.

而且必须满足:

\gcd(a,n)=1,

也就是 [a] 在模 n 下可逆。

这些元素组成群:

\boxed{
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times.
}

现在定义映射:

\Psi:
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times
\longrightarrow
\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})

为:

\boxed{
[a]\longmapsto\sigma_a.
}

刚才已经证明:

\sigma_a\circ\sigma_b=\sigma_{ab},

所以:

\Psi([a][b])
=
\Psi([ab])
=
\sigma_{ab}
=
\sigma_a\circ\sigma_b.

因此 \Psi 是群同态。

接下来检查它是一一对应。

如果:

\sigma_a=\sigma_b,

那么特别地:

\sigma_a(\zeta_n)=\sigma_b(\zeta_n).

所以:

\zeta_n^a=\zeta_n^b.

前面已经证明:

\zeta_n^a=\zeta_n^b
\iff
a\equiv b\pmod n.

所以:

[a]=[b].

因此 \Psi 是单射。

另一方面,我们前面已经证明:任何

\sigma\in\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})

都必须满足:

\sigma(\zeta_n)=\zeta_n^a

其中

\gcd(a,n)=1.

所以这个 \sigma 就是:

\sigma_a.

因此 \Psi 又是满射。

最终:

\boxed{
\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})
\cong
(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times.
}

这就是分圆域最核心的 Galois 群结论。

它立刻给出两个重要推论。

第一:

\boxed{
|\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})|
=
\varphi(n).
}

这和我们之前得到的

[\mathbb{Q}(\zeta_n):\mathbb{Q}]=\varphi(n)

完全吻合。

第二:

(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^\times

是交换群,因为模 n 的乘法满足:

ab\equiv ba\pmod n.

所以:

\boxed{
\operatorname{Gal}(\mathbb{Q}(\zeta_n)/\mathbb{Q})
\text{ 是 Abel 群}.
}

这个结论以后在“根式可解”里特别重要,因为分圆扩张提供的是非常典型的 Abel 扩张。

11.8 边界检查:n=1,2 也成立 ​

\zeta_1=1、\zeta_2=-1 都在 \mathbb{Q} 中,所以两个分圆域都等于 \mathbb{Q},Galois 群为平凡群,次数均为 \varphi(n)=1。对于 n=1,模 1 只有一个剩余类,单位群按通常约定也是平凡群。

复共轭对应 [-1]。当 n\ge3 时它不是恒等映射;n=1,2 时它是恒等映射。因此后续学习最大实子域时,指数 2 的公式必须限定 n\ge3。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。