切换深浅主题
第 14 章:根式塔:单位根、共轭与正规闭包
本章对象:,
的
次幂等于
;各层指数、元素均可不同。
是本原
次单位根,
是全部
次单位根组成的群。
14.1 进入根式塔前回顾两条主线
进入根式塔前,已有的两条主线是:
然后进一步讨论了“根式解”如何翻译成一层一层的域扩张:
最后停在一个很关键的技术点:
如果这一层的基础域
已经包含相应的
次单位根
,那么自同构只能把
送到
原讨论确认了以下需要的条件:
这样 就被固定,不会再被 Galois 自同构移动。
现在下一步就应该证明:
我们继续慢慢来。
假设:
并且
同时假设:
那么固定 的任何自同构
都只能满足:
另一个自同构 则可能满足:
现在比较:
和
先算:
因为:
所以:
由于 ,而
固定整个
,所以:
因此:
又因为:
所以:
反过来:
因此:
而整个 是由
和
生成的。
两者都固定 ,而且在
上作用相同,所以它们在整个
上作用都相同。
因此:
所以:
更直观地说,这些自同构本质上只是:
做一次 ,再做一次
,结果就是:
而:
所以自然交换。
这就是我们现在终于得到的关键结论:
接下来真正重要的一步,就是解释:
如果我们有一整座根式塔
为什么这些“一层一层的阿贝尔群”会对应到总 Galois 群中的一条正规子群链?
这里就会第一次正式进入 Galois 基本定理:中间域和子群之间的反向对应。这一步是把“根式塔”真正变成“可解群”的桥。
14.2 把一个根式表达式拆成逐次开根
原问题:太快了没太理解为什么就加入了一个根式
对,刚才这里跳太快了。关键不是“为什么突然只加入一个根式”,而是:
所谓“能用根式解”,本来就可以拆成很多个“每次加入一个根式”的步骤。
我们先把“根式表达式”看成一个实际公式。
比如:
这个数看起来是一次写出来的,但它其实可以分两步构造。
先从
开始。
第一步加入:
得到:
现在注意:
然后第二步再加入:
记
那么:
于是得到:
也就是:
所以一个嵌套根式:
实际上就是连续两次“加入一个根式”。
再看复杂一点的:
也一样。
第一步:
加入:
得到:
然后:
再加入一个新元素 ,满足:
于是:
所以:
因此,“每一步加入一个根式”的一般形式是:
已有一个域:
然后选择一个:
再加入某个 ,使:
于是:
这一步就叫一次根式扩张。
为什么这样就足够描述一般的“根式公式”?
因为根式公式只允许有限次:
而四则运算本来就已经被“域”自动包含了。
例如,如果你现在已经在 里,那么:
仍然都在 里。
所以四则运算根本不需要新扩张。
真正会把你带出当前域的,只有:
比如:
可能不在当前域中。
这时候才需要扩张:
所以从域的角度看,一个根式公式的构造过程,就是:
其中每一步都是:
这不是人为规定出来的,而是把“有限次四则运算和开根”逐步翻译成域语言以后自然得到的。
比如一个更复杂的表达式:
可以按顺序构造:
先加入
得到 ;
再加入
得到 ;
再加入
得到 。
最后那个除法
不需要再扩张,因为 已经是域,自动允许除法。
所以最终这个数就在 中。
因此,“方程可以用根式解”的精确含义,最终就是:
刚才我说“一次根式扩张的 Galois 结构比较简单”,讲的是这座塔里的某一层,不是说整个方程只需要开一次根。
下一步应该继续只研究一层:
看看为什么这一层的自同构只能把
送成
这样会更顺。
14.3 根式公式与根式塔的逐步对应
原问题:为什么能用根式解就推出了根式塔
因为“能用根式解”本身,严格翻译成域语言后,几乎就是“存在一座根式塔”。
关键在于:一个根式公式只允许有限次做
而域已经自动对前四种运算封闭,所以真正会让你离开当前域的,只有“开根”。
假设基础域是
,比如一般多项式系数所在的域。
如果公式第一步需要
我们就把这个新数记成
于是
并扩张成
现在因为 是域,所以任何由
和
做四则运算得到的东西都已经自动在
里,不需要再扩张。
假如下一步公式出现
因为
记
那么
再定义
继续这样做。
所以任何有限的根式表达式都可以逐步翻译成:
其中每一步都是
这就是根式塔。
例如一个很丑的表达式:
可以拆成:
先加入
得到
再加入
得到
再加入
得到
那么最终
已经自动属于 ,因为
是域,允许四则运算。
所以核心就是:
于是:
反过来也一样:如果有一座这样的根式塔,那么塔顶里的元素就是由有限次四则运算和开根逐步构造出来的。
因此在 Galois 理论里,“solvable radicals”的严格定义本来就是:
存在一个根式扩张塔,使多项式的分裂域包含在塔顶域中。
所以这一步不是一个额外深奥定理,更多是在把“根式公式”精确地翻译成“域扩张语言”。
14.4 各层用的是同一个模板,而非同一个多项式
原问题:为什么每一步都要用相同的这个多项式来扩张域
不是每一步都用“同一个多项式”。你看到的
只是我在描述任意一层根式扩张的通用模板,这里把下标省略了,所以容易看成每一步都一样。
真正的根式塔应该写成:
其中第 步是
这里:
每一步都可以不同。
比如:
第一步加入平方根:
所以
第二步可能加入三次根:
那么:
所以:
第三步还可以加入五次根:
所以整个过程可能是:
对应的多项式分别可能是:
完全不是同一个多项式。
还有一个更细的点值得现在就区分:
我们知道
所以 一定是
的一个根。
但:
它的最小多项式只需要整除 。
例如如果已经在某个域里有 ,然后你说加入
那么
所以它满足
但实际上
早就在域里了,而且最小多项式只有
所以以后看到
你应该把它理解为:
“第
层新加入的元素是某个当前域元素的
次根。”
而不是:
“每一层都用同一个
来扩张。”
接下来我们再看“对这一层做共轭/嵌入以后,为什么 仍然是一个根式”,就会清楚很多。
14.5 单层根式的生成元可能被送到哪里
好,我们就只研究一层:
先暂时不谈整座根式塔,也不谈五次方程,只问:
如果
是一个固定
的自同构,那么它可以把
送到哪里?
因为
对两边作用 :
由于 保持乘法,
而因为 固定
,且
,所以
因此:
也就是说:
这一步最核心。
例如平方根:
那么 也必须满足:
所以只能是:
或者
于是:
或
没有第三种可能。
再看三次根:
那么 必须满足:
在复数中三个根是:
其中
所以:
换句话说,它只能把 乘上一个三次单位根。
一般地, 的根如果取其中一个为
,那么其余根都是:
其中
所以:
对某个 。
但这里有一个很重要的细节。
如果我们只有:
那么这些别的根未必都在这个域里面。
例如:
全部是实数,但
不是实数。
所以:
因此在这个域内部,根本不存在把
的自同构,因为目标元素都不在域里。
这也是为什么前面我们后来需要考虑更大的分裂域:
所以“加入一个根式之后,自同构就是乘单位根”这句话要理解得稍微精确一点:
只要我们处在一个包含这些相关根的合适域里,那么固定基础域的自同构对
的作用,只能是
而这种变化很特殊,因为它不像任意置换那样乱来。
它只有:
这些可能。
这就是为什么根式扩张最终会和“阿贝尔结构”联系起来。下一步可以继续解释:为什么这些“乘单位根”的操作彼此可交换。
14.6 方程的全部根与最小多项式的共轭不相同
原问题:问题是不一定每一个解都满足这种形式吧
对,你这个质疑是对的。我刚才那句话说得太强了。
如果已知
那么 是多项式
的一个根。假设 ,并且
是原始
次单位根,那么这个多项式的所有根确实都是
因为如果 ,那么
所以
一定是某个 次单位根:
于是
所以对于方程
这句话没问题。
但问题在于:
因为 的真正共轭,是它的最小多项式的其他根。
而最小多项式只满足:
所以共轭根只是上述
中的一部分。
例如取:
你完全可以说:
所以 满足:
如果基础域里有 ,那么
的四个根是:
但是 的最小多项式(例如在
上)仍然是:
所以它真正的共轭只有:
而:
虽然是 的根,却不是
的共轭。
因此刚才那句话应该改成:
这已经足够支持后面的论证,因为一个固定基础域的自同构如果把 移动了,它只能把它送到它的某个共轭,因此必然仍是:
只是允许的 可能只有一部分,而不是
全部都能出现。
而“一部分”也没有问题:它仍然落在由单位根乘法形成的阿贝尔结构里面。
14.7 单位根倍数形式仅适用于 xⁿ-a
原问题:我是指一个方程的根不一定是这种单位根的形式吧
对,你说得对。一般多项式方程的根当然不一定是“某个根乘单位根”的形式。
这种形式只对我们当前这一类特殊方程成立:
因为如果 ,另一个根
也满足
那么
所以
一定是某个 次单位根,于是:
因此:
但比如一般三次方程
的三个根,就没有理由满足
一般完全不是这样。
这里之所以一直出现
是因为我们现在不是在讨论“原始待解多项式的根长什么样”,而是在讨论根式公式构造过程中的某一步。
根式塔的一步是:
并且特意满足
所以这一层对应的特殊多项式就是:
因此这一层才有:
这和最终原方程
的根没有直接说成同一种形式。
整个思路其实是:
如果“能用根式表示”,那么这些根可以通过很多层:
逐步构造出来。
而我们把每一次“开根”单独拿出来:
于是每一个单独的开根步骤都有单位根结构。
然后这些简单的阿贝尔结构一层层叠起来,最终限制原多项式的 Galois 群。
所以非常关键的区分是:
而 Galois 理论最巧妙的地方就在这里:原方程可以很一般,但如果它能由一系列这种特殊的“开根步骤”造出来,那么它的 Galois 群就必须继承一种可逐层拆成阿贝尔群的结构。
14.8 分裂域与阿贝尔性是两个不同条件
原问题:换言之得是分裂域是吧
对,基本可以这么理解,但再精确一点:
最自然的做法就是取相关多项式的分裂域。
比如
只看
时,另外两个根
根本不在这个域里,所以不可能存在域自同构
而进入分裂域
以后,三个根全都在 中,于是自同构才有可能在它们之间进行置换。
不过还有一个非常关键的细节:“是分裂域”本身还不足以保证 Galois 群是阿贝尔的。
例如
确实是 的分裂域,但:
它反而不是阿贝尔群。
为什么?因为自同构不仅可以改变
还可以改变
所以真正让“一次根式扩张”对应阿贝尔结构的关键是:基础域里已经包含相应的单位根。
例如改成基础域
再加入
得到:
这时 已经在
中完全分裂:
而且所有固定 的自同构都必须固定
。
因此只能有:
这三个操作组成:
是阿贝尔群。
所以后面真正要用的是这种结构:
于是自同构只能:
从而这一层的 Galois 群是循环群的子群,因此是阿贝尔的。
这也是为什么严格证明“根式可解 Galois 群可解”时,会特意先把需要的单位根加入进来。
14.9 单位根必须进入该层的基础域
原问题:所以要把单位根加进去
对,准确说是:要把相应的 次单位根加到基础域里。
如果我们这一层加入的是
那么方程
的所有根都是
其中 是一个原始
次单位根:
所以如果基础域 已经包含
,那么一旦加入
,所有根就自动都进来了:
于是
就是 的分裂域。
例如三次根时,先把
加入基础域:
再加入
那么
里自动有三个根:
更重要的是,因为 ,固定
的自同构不能再动
。
因此它只能:
这就比从 出发简单很多。
所以这里的关键操作确实是:
而且不需要把每个单位根分别加进去;加入一个原始 次单位根
,它的幂
就已经给出了全部 次单位根。
下一步就可以非常具体地证明:在这种情况下,为什么这一层的自同构群一定是阿贝尔群。
补充证明:单个根式层的群是循环群的子群
设特征为 0,基础域 已含全部
次单位根
,
。若
,则
、
,是平凡扩张。下面设
。多项式
的全部根是
(
),都在
,且无重根;因此
是 Galois。
对 ,定义 χ
。
的像确定整个自同构,所以 χ 单射。由于
固定
,
所以 χ 是群同态,Galois 群同构于 的一个子群。
由本原单位根
生成,是
阶循环群;循环群的子群仍循环:若子群非平凡,取生成元幂中最小正指数
,用带余除法可知子群所有幂指数都是
的倍数。故该层群循环,特别地阿贝尔。χ 不一定满射,不能认定
种根像都能出现。
多个根式 的情形类似:令
,零生成元删去。映射
给出
的单射群同态,所以群阿贝尔。各坐标可能受生成元间的代数关系约束,因此不一定等于整个直积,也不能把“每个根式各自的全部倍数根”都叫作其最小多项式的全部共轭。
14.11 固定 ℚ 与固定 ℚ(ω ) 为什么得到不同的群
原问题:对解释为什么不固定omiga就不是固定就是
对,核心就在“固定基础域”这几个字。
假设
如果我们研究
定义只要求自同构 对所有
满足
但是
所以定义没有要求
那它能把 送到哪里?
因为
作用 后:
所以 必须仍然是
的根,也就是:
也就是说,如果基础域只有 ,自同构可以交换:
但如果我们把基础域改成
再研究
那么定义要求:
而:
所以立即得到:
这就是为什么“把 加进基础域”以后,它就被固定住了。
更重要的是,不固定 为什么会让群变得不交换。
设
其中
再设
看看先 后
:
而先 后
:
所以:
因此:
这正是非交换性出现的来源:一个操作在转动
另一个操作却还可以把用于“转动”的 本身变成
。
如果把 放进基础域,第二种自由度就被禁止了,只剩:
这些操作就是指数相加,因此彼此交换。
所以可以把关键区别记成:
而
这就是“先加入单位根”在后面证明中的真正作用。
14.12 固定单位根后,单个根式层为什么阿贝尔
现在我们进入整个证明里最关键、也最容易被一句话糊弄过去的地方:
这一步不能直接说“因为开方很简单”,我们从一个最简单的根式扩张开始。
假设基础域是 ,并且我们加入一个元素
,满足
于是得到
这就是一次典型的根式扩张。
先问:如果 是一个固定
的自同构,那么
可以被送到哪里?
因为
所以
因此
也必须是方程
的一个根。
现在假设 是其中一个根。那么其他根是什么?
就是
其中
是一个 次单位根,满足
所以任何自同构只能把
送成
其中某个
这已经非常受限制了。
先看平方根。
假设
那么二次单位根只有
所以:
或者
因此这种自同构最多就像:
一样运作。
它当然是阿贝尔的。
再看三次根。
假设
三个根:
如果基础域中已经包含 ,那么固定基础域的自同构必须固定
。
于是自同构只能是:
假设定义:
那么两个这种自同构复合:
因为 在基础域里,所以被固定:
于是:
而加法满足:
所以:
因此这个自同构群是阿贝尔的。
更准确地说,它是循环群的一个子群:
前提是这里的扩张确实是 Galois,并且 已经包含所需的
次单位根。
这里你可能已经看到最重要的直觉了:
加入一个
次根式以后,自同构没有办法随意乱排很多根;它基本只能给这个根式乘上一个
次单位根。
即:
而这些变化之间本质上就是“指数相加”:
因此它们自然形成一个阿贝尔结构。
所以:
但这里有一个非常重要的技术细节:
否则事情会复杂一点。
例如我们刚才研究
时,仅有
是不够的。
我们还必须加入
所以严格证明“根式可解 Galois 群可解”时,会先把必要的单位根也加入进来。
加入单位根本身不会破坏“可解性”,因为单位根对应的 Galois 群也是阿贝尔群。
所以最终会得到一座域塔:
每一步都是:
并且把必要的单位根也准备好。
于是每一层对应的 Galois 群商:
都是阿贝尔群。
于是整个 Galois 群就存在一条:
使得:
全部阿贝尔。
这正好就是:
的定义。
所以现在我们终于得到核心桥梁的一半:
下一步最适合做的,不是马上跳到五次方程,而是把这里的域塔为什么会反过来产生一条 Galois 群的正规子群链讲清楚。那一步就是 Galois 理论里真正的“域和群反向对应”。
14.13 对整个塔的嵌入使根式关系怎样变化
现在就看这一层:
假设我们有一个固定最底层 的域嵌入
我们先只问: 被
送到哪里?
因为
对两边作用 :
由于 保持乘法:
所以:
也就是说:
这里的“”只是表示它是某一个
次根,不是在指定唯一的主值。
关键是:
因此 属于:
于是我们得到:
这说明什么?
说明原来这一层:
是通过“加入一个根式”构造的。
做完 以后,对应的共轭版本:
仍然是通过加入一个根式构造的:
而且:
所以共轭后的这一层仍然是根式扩张。
这就是前面那句话的真正含义:
例如原来:
满足:
如果某个嵌入把:
那么共轭后的生成元满足:
仍然是平方根式。
再比如:
如果某个嵌入把:
那么:
所以共轭版本仍然只是:
这样一个根式。
因此,把原来的根式塔所有共轭版本都一起加入,并不会突然引入某种“超出根式”的神秘元素;每个新生成元仍然满足某个:
其中 已经在前面的域里。
这就是为什么我们可以把根式塔补成一个更大的、对共轭稳定的 Galois 扩张,同时仍然保持“由根式逐层生成”的性质。
14.14 用 √ 2 与 √ (1+√ 2) 跟踪整座塔的像
原问题:这一整套还是不好理解
可以,这里不要再从一般的 开始。我们先用一个完整的具体例子,把“为什么要对整座根式塔做嵌入”看明白。
假设我们有这座根式塔:
先给它们起名字:
其中
所以
现在暂时不要想什么“正规闭包”。只问一个问题:
如果把第一层里的
换成它的另一个共轭根
,第二层会发生什么?
在第一层,
有一个熟悉的映射:
同时所有有理数保持不动。
所以:
就会被送成:
现在关键来了。
原来的 满足:
如果我们想把整个代数关系一起搬过去,那么新来的 必须满足什么?
因为映射必须保持乘法,所以:
而原来:
所以:
因此:
比如我们可以把其中一个写成:
所以原来的塔:
会产生一个“共轭版本”:
当然:
但第二层新出现的三次根可能不在原来的 中。
这就是我们为什么会说:
为了把最终大域做成 Galois 的,我们可能需要把这些“共轭版本”里的根也一起补进来。
而最关键的一点是:
原来第二层是通过开三次根得到的:
共轭以后仍然只是开三次根:
所以:
它仍然是根式。
现在再回头看刚才那个抽象公式就容易很多了。
原来:
这句话只是抽象版的:
对整个关系做 :
因为 保持乘法:
这只是抽象版的:
所以那一大串符号真正想表达的其实只有一句话:
这就是这一整套论证真正的核心。
14.15 代数共轭与群共轭的区别
原问题:这里的共轭和群元素的共轭到底是不是一个东西
不是一个东西,但它们有很深的联系。这里确实要分清楚“代数共轭”和“群共轭”。
你刚选中的“共轭版本”,这里说的是域论/代数数里的共轭(conjugates)。
比如
在 上的最小多项式是
它的三个根
叫做 在
上的共轭元。
所以这里的“共轭版本”大致是:
例如:
的一个共轭域会是
而你前面群论里学的“共轭”是:
其中 是群元素。
这是群元素之间的一种操作。
例如在置换群里:
相当于重新给 贴标签。
所以这两个“共轭”形式上完全不同:
.
但为什么都叫 conjugate?
因为在 Galois 理论里,它们会被自同构联系起来。
如果
而 ,那么
就是 的一个
-共轭。
也就是说,Galois 群通过自己的群元素 ,把一个代数元送到它的代数共轭:
所以:
而群共轭
则是 Galois 群内部不同自同构之间的关系。
所以最好这样记:
一个是“域里的元素之间”,一个是“群里的元素之间”。
但 Galois 理论把两者桥接起来了。
14.16 共轭补在上层,原基础域保持固定
原问题:换言之有了一列之后,要保证最底层的域加入了所有的各种共轭的根
差一点,但关键不是“把所有共轭根都加入最底层域”,而是:
比如原来有根式塔
假设
做共轭以后可能还需要加入
我们不是把它塞进最底层:
里。
否则基础域就变了。
而是把顶部扩大,例如变成某个更大的域 :
目的就是让最终的 对所有这些共轭操作都“封闭”,最终能够成为:
所以更准确的图是:
然后:
直到最上面的域对 的所有共轭都稳定。
只有一个东西我们前面确实有时会“先加到底层附近”,就是单位根。比如要处理三次根,我们可能先把
加入基础域,得到:
但这和“把所有代数共轭根都放进最底层”是两回事。
所以可以记成:
你现在这一步如果理解了,下一步就可以解释:为什么“补齐所有共轭根”以后,最上面的域就会对 成为正规/Galois 扩张。
14.17 每层 Galois,顶层仍可能不正规
这里要补的技术缺口是:
根式塔的每一层可以很简单,但最顶层对最底层未必是 Galois。
先看一个很具体的例子。
设
第一步加入
得到
第二步再加入
因为
所以
于是我们有根式塔:
而且每一步都是二次扩张。
但是现在看最顶层:
的最小多项式是
它的四个根是
可
完全由实数构成,所以:
因此 没有在
中完全分裂。
所以:
这说明:
那为什么这会影响我们前面的证明?
因为我们之前希望统一选一个大域 ,然后定义:
最好最终得到:
如果直接取:
那确实最后
但问题是:
未必 Galois。
那么前面我们使用的 Galois 对应、restriction map 等工具就不能这么干净地全部使用。
所以一个自然办法是:
把
再扩大一点,让它变成
上的 Galois 扩张。
例如刚才:
缺的是 。
加入 :
那么四个根:
就全在 中。
所以 是
的分裂域,从而:
是 Galois。
这种“把一个扩张补全到包含所有共轭根”的操作叫做取:
可以先把它理解为:
原来的域缺哪些共轭根,就把它们都补进来,直到整个域对基础域的共轭操作稳定。
但这里还有第二个问题。
假设原来的根式塔顶层是 ,我们把它扩大到一个 Galois 域
。
那么:
此时群链是:
其中
可是现在一般:
因为:
所以仅仅说“取正规闭包”还不够,我们还没把群链真正降到单位群。
这就是严格证明里真正需要再处理的一步。
解决办法不是随便取一个正规闭包,而是:
并同时加入必要的单位根。
最后得到一个更大的域 ,满足两件事:
第一:
本身是 Galois。
第二, 仍然可以通过一层层根式扩张构造出来。
也就是说我们可以安排成:
每一步:
并且相应单位根已经在下面的域里。
这样最顶层真的就是:
于是定义:
最后:
现在才真正得到完整链:
而每一层:
都是阿贝尔群。
因此:
可解。
所以目前你只需要抓住两个层次:
原始的“根式解”给我们:
但这座塔的顶层未必对底层 Galois。
于是严格证明会把它补大:
得到一座更大的:
这样我们才能从顶到底完整地反向得到:
从而证明 Galois 群可解。
这里“把所有共轭根加入后,为什么仍然能够保持为根式扩张”还有一些技术内容。下一步最好就专门解释这个,而不是直接宣布证明完成。
14.18 所有共轭加入后,为什么得到正规扩张
现在就解释:
先用最熟悉的例子。
假设最底层是:
原来只有:
这里:
的最小多项式是:
它的三个共轭根是:
可是 只有第一个,所以
不正规。
现在把另外两个共轭根也补进来:
实际上这和
是同一个域。
此时 的三个根全部都在
里面:
所以至少对这个多项式来说,任何把一个根换成另一个共轭根的操作,都不会把我们带出 。
现在把这个想法推广。
假设最终的大域 是由一些代数元生成的:
我们把每一个 在
上的所有共轭都加入
。
也就是说,如果
是 的最小多项式,那么我们要求:
对每个 都成立。
现在取一个固定 的嵌入:
因为 固定
,所以:
必须仍然是 的最小多项式
的某个根。
但我们已经把 的所有根都加入了
。
所以:
对每个生成元都成立。
而整个 是由:
生成的。
所以只要这些生成元都被送回 ,整个域都会被送回
:
再利用有限扩张下嵌入是单射且维数不变,就得到:
这正是正规扩张的核心性质:
所有固定基础域
的嵌入,都把
映回
自己。
因此:
你也可以从“多项式分裂”的角度理解。
正规扩张的一个等价表述是:
如果一个在
中不可约的多项式,在
里有一个根,那么它的所有根都在
里。
而我们刚才做的事情正是:
所以自然就满足了这个条件。
然后为什么我们敢进一步说 “Galois”?
因为在我们现在最终关心的情形里,基础域通常是:
或者特征 的域。
特征 的域上的有限代数扩张自动是可分的。
所以:
得到:
因此在我们这条五次方程的主线上,可以简单理解为:
下一步就该把这一整套重新接回根式塔,看看:为什么补齐这些共轭根以后,每一层仍然可以安排成根式扩张,而且最终对应的群链每个商群都是阿贝尔群。
14.19 再次任取嵌入是检验稳定性
原问题:不是很理解为什么要专门又做一个嵌入
这里“再取一个嵌入”不是为了额外构造什么东西,而是为了检验 是否正规。
正规扩张的一个很重要的判别方式就是:
所以我们必须“随便拿一个这样的 ”来检查。
你可以把逻辑理解成:
我们想证明“无论怎么做,都不会跑出
”;
那就必须先任取一种允许的做法
,然后证明它确实不会跑出去。
这和证明一个集合对某个操作封闭很像。比如要证明:
你会写:
然后证明:
这里完全一样。
我们要证明:
于是就:
然后证明:
所以这个 是一个“测试者”。
不是说原来没有映射,现在人为又加一个映射进去;而是:
为什么这种嵌入能检测“共轭根是否都补齐”?
因为如果
那么任何固定 的嵌入都会把
送到它的某个
-共轭:
所以如果 漏掉了某个共轭根,就可能有一个嵌入把:
送到那个漏掉的根,于是:
例如:
有嵌入:
但是:
所以立刻看出:
不正规。
反过来,如果我们已经把所有共轭根都补进去了,那么无论你取哪个 :
都还在 里。
于是整个 都被送回
。
所以这一段的核心可以压成:
如果不会, 就具有正规性。
14.20 需要证明补齐共轭后仍保持根式结构
下一步就该把刚才留下的技术缺口补上:
这一步很重要,因为我们前面只是说“把原来的根式塔补成一个 Galois 的大域”,但还没证明这个补大的过程不会把“根式可解”这件事破坏掉。
具体来说,假设原来某一层是
如果我们对整个结构做一个 -嵌入
,那么这一关系会变成
因此新的代数共轭 仍然是某个元素
的
次根。
也就是说,共轭后的生成元仍然是通过开根得到的。
于是把所有这些共轭生成元逐个加入,仍然可以写成一连串根式扩张。
这一步讲清楚后,我们就能得到一个真正严密的结论:
然后再把这个 Galois 根式塔反向变成群链,最终推出:
所以接下来最合适的就是从
出发,具体看为什么做域嵌入以后会自动得到
以及这为什么保证“共轭版本仍然是根式”。
14.21 同时加入多个根式时,群仍然阿贝尔
下一步就要把刚才“补齐共轭根”这件事,重新接回根式塔 阿贝尔商群。而且这里要比前面更精确一点:补齐共轭以后,一层里可能不再只加入一个根式,而是同时加入若干个同次数根式。
先看原来某一层:
如果为了让整个大域对最底层正规,我们把 的各种共轭版本也补进来,那么可能需要同时加入:
它们分别满足:
其中这些
都已经在前一层的大域中。
于是补大后的这一层更像:
而不是简单的
现在假设相关的 次单位根
已经在 里。
那么对每个 ,方程
的所有根都有下面的形式;实际的代数共轭可能只占其中一部分:
所以一个固定 的自同构
,对每一个
都只能做:
这里不同的 可以对应不同的指数
。
因此一个自同构大致可以用这一串指数描述:
如果再有另一个自同构对应:
那么两者复合,对每个生成元都是:
所以整体上就是:
按坐标相加。
而坐标相加满足:
因此这些自同构彼此交换。
所以即使补齐共轭以后,一层需要同时加入很多根式,这一层的 Galois 群仍然是:
更准确地说,它可以嵌入到若干循环群的直积中,例如:
这一步非常关键,因为它解决了你刚才可能隐约担心的问题:
“原来一个根式的 Galois 群是阿贝尔的,但为了补成正规扩张加入了一堆共轭根以后,会不会又变复杂?”
答案是:不会变成非阿贝尔的那种复杂性。只要单位根已经固定,每个根式仍然只能独立地“乘一个单位根”,这些操作仍然交换。
所以现在我们可以把补大的根式塔写成:
其中:
是 Galois;
- 每一层
也是 Galois;
- 并且每一层的 Galois 群都是阿贝尔群。
下一步就可以非常干净地定义:
得到反向群链
然后逐层证明:
所以每个商群都是阿贝尔群。到那一步,“为什么根式可解会推出 Galois 群可解”就真正闭环了。