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第 15 章:完整搭桥:根式可解 ⇒ Galois 群可解
本章对象: 始终是原基础域;
是补大的域,
是最终的 Galois 大域,
是原方程的分裂域;返回原方程要用
,不能漏掉加入单位根的一层。
15.1 为什么要把限制映射用于根式塔
下一步就是把刚才这个 restriction map 用到根式塔上。
我们已经有:
并且每一步都是一种根式扩张,理想情况下写成:
同时相关的单位根已经放进基础层,使每一步都成为 Galois 且其 Galois 群是阿贝尔的。
然后我们取一个足够大的最终 Galois 扩张 ,把这些
都放在
里面。
接着定义:
由于域越大,固定它的自同构越少,所以得到反向链:
然后利用刚才得到的公式:
也就是:
右边因为这一层是根式扩张并且单位根已固定,所以是阿贝尔群。
于是:
也是阿贝尔群。
这样就得到一条正规子群链,每一层商群都阿贝尔,于是:
也就是:
所以下一步就是具体把这一条“域塔反向变成群链”的过程写出来并逐层解释。
15.2 条件充分时,把域塔反向翻译为群链
我们先在一个结构最干净的情形下把“域塔 群链”真正看懂;等这一步理解后,再处理一般根式塔里那个技术细节。
假设我们有一串域:
并且暂时假设:
是 Galois 扩张,而且每一层
也都是 Galois 扩张。
现在定义三个群:
注意这些群里的自同构,作用的对象始终都是同一个大域 。
区别只在于“要求固定多少东西”。
对于 ,只要求固定:
对于 ,要求固定更大的:
所以限制更严格,允许的自同构更少:
同理:
所以域链:
会反向变成:
这一步应该比较直观。
现在真正关键的是:
代表什么?
我们刚才已经证明过一般公式:
如果
并且条件合适,那么:
现在把:
代进去。
左边就是:
也就是:
所以:
这个式子的直觉是:
包含所有固定
的变化;
是其中那些连
都完全固定的变化。
把
这种“在
上看不见的变化”除掉以后,剩下来的正好就是
这一层能够发生的变化。
再看第二层。
同样:
所以:
因此:
而且相邻两层满足:
这就是整个桥。
现在把“根式”放进来。
假设第一层是:
其中
并且 已经含有相应的
次单位根。
我们前面已经知道,这时候:
是阿贝尔群。
于是根据:
立即得到:
同理,如果:
并且需要的单位根已经在 中,那么:
也是阿贝尔群。
于是:
继续下去就得到:
其中:
而这正是“可解群”所要求的结构。
所以现在已经能看到整个证明的骨架:
通过 Galois 对应变成:
于是总 Galois 群可解。
不过这里我刚才特意说了“结构最干净的情形”。因为一般的根式表达式产生的最顶层域,未必自动就是 上的 Galois 扩张,所以不能不加说明就直接把它叫作
。
下一步应该补这个技术缺口:为什么证明一般的“根式可解 Galois 群可解”时,要把根式塔适当扩大成一个 Galois 的大域。 这一步补完以后,这个方向的证明才真正严密。
补充完整构造:从原根式塔到对原基础域 Galois 的大域
这是证明中不能略过的部分。把原基础域始终记为 ,不因加入单位根而改名。原塔为
,其中
,
。取
为所有
的最小公倍数,在同一个代数闭包内取
。
是
ᴺ−1 在
上的分裂域,所以
是 Galois。任意
自同构把
送到某个同阶根
,其中
与
互素。自同构由
的像决定;复合对应指数相乘模
,所以
右端是模 的可逆剩余类在乘法下组成的群,乘法交换,故左端阿贝尔。
的情形
,群平凡。于是“加入单位根”这一层也被纳入对原基础域的可解性证明。
归纳假设 是有限 Galois 扩张,且
。令
,这是一个有限集合。定义
为在
上加入所有
(
)的全部根所得的域。恒等自同构给出
,因此原先的
也在其中,
。
由于
,对每个非零
只需选一个根
,其他根都是单位根倍数;
是这些多项式的分裂域,所以 Galois,且其群嵌入
的有限直积,因此阿贝尔。
还必须证明 整体正规。任取固定
的嵌入
。因
正规,
,且
|
是
的
自同构。它把集合
置换回自身;若
,则
,所以
也是已经加入的根。这使所有生成元都回到
,故
;有限维数给出等号。于是
正规,特征 0 保证可分,故 Galois。归纳完成。
最后得到 ,
Galois,
的群阿贝尔,且每层
的群阿贝尔。令
,
,则
限制映射与第一同构定理使每个相邻商群阿贝尔,所以 可解。这里始终固定原来的
,已经避免了原对话中“把底层扩大成
,然后直接返回原
的群”的缺口。
若 是原多项式的分裂域且
,则
Galois,限制映射
满射,核是
。所以
是可解群的商群,仍可解。即使只知道一个根在根式塔中,正规的大域
也包含该根的所有
共轭;对不可约原多项式,这就包含全部根。
15.4 根式可解推出群可解:主链合流
原问题:好吧,那继续吧
现在我们把前面已经建立的东西真正拼起来,证明这个方向:
先把原方程记成
假设它可以用根式求解。意思是:存在一座根式塔,最终能够容纳 的全部根。
经过我们前面讨论的“加入必要单位根、补齐共轭”的处理,可以把它整理成一座更大的塔:
其中 是 Galois,并且每一步仍然由根式产生。
现在对这座塔反向定义:
于是:
而最顶部因为
所以
因此得到群链:
注意方向反过来了:域越大,需要固定的东西越多,因此允许的自同构越少。
现在看相邻两层:
前面已经建立过:
在我们整理好的根式塔中,每一层都是由若干根式产生,而且相关单位根已经在 里面。
所以这一层的自同构只能对这些新加入的根式做类似
的变化。
因此:
是阿贝尔群。
于是通过上面的同构:
对每个 都成立。
所以我们得到了:
而且:
每一层都是阿贝尔群。
这恰好就是“可解群”的定义。
因此:
但这里还有最后一个小问题。
我们真正关心的并不一定是这个较大的
而是原方程 的 Galois 群。
设 是
的分裂域,那么:
原方程的 Galois 群是:
这里必须使用固定原基础域 的大群
。如果
已加入单位根,不能直接把原方程的群当作
的商群。上一节完整构造已证明
可解;限制到
后,原方程的群才是它的商群。
而:
所以原方程的 Galois 群也必须可解。
最终得到:
这就是我们真正需要的方向。
现在距离“五次方程为什么没有一般根式公式”已经很近了。
接下来最自然的是把这个结论应用到一般五次方程:
我们需要理解为什么它的“通用 Galois 群”是
然后利用我们之前已经证明的:
推出:
这一步会把前面学的所有东西真正合流。
15.5 追问证明在哪里建立:核查当时的两处缺口
原问题:这是哪里建立的
这段追问保留了我检查证明是否真正成立的过程。原讨论发现的缺口在本版前文已经补证,下面的检查用于辨认哪些步骤不能一句话带过。
我们是在刚才“根式塔 群链”那几步里建立的,不过严格说,我们已经把证明骨架搭出来了,但还有两个技术性小结论没有完全证明,所以我刚才说“已经建立”稍微快了一点。
完整逻辑是这样的:
首先被翻译成存在一座根式塔:
其中每一步
也就是每一步只增加一次“开根”。
然后我们讨论了为什么要加入必要的单位根,并把塔补大,使最终可以放进一个 Galois 的根式扩张:
对于整理好的每一层:
因为相应单位根已经固定,所以自同构只能类似于
于是这一层的 Galois 群是阿贝尔群:
然后我们定义:
域越大,固定它的自同构越少,所以得到反向链:
接着利用我们之前讲的 restriction map + 第一同构定理:
所以每一个商群
都是阿贝尔群。
因此:
就是一条“相邻商群全是阿贝尔群”的正规子群链。
而这正是:
的定义。
最后,原多项式的分裂域 包含在这个更大的
中,因此原多项式的 Galois 群
可以从这个较大的可解 Galois 群得到;于是它也可解。
所以整条链是:
原对话在这个阶段发现了两处尚缺的证明(本版已在第 7 章和第 15 章补齐):
以及
所以更严谨的说法应该是:
只理解骨架还不够,必须分别验证正规化根式塔的构造和商群的可解性。本版已经把这两个验证写在主结论之前。
我建议下一步就先补 ② 可解群的商群为什么仍然可解,因为非常短;然后再回头确认整个 Abel–Ruffini 证明链有没有遗漏。
15.6 原方程的群为什么是大群的商群
下一步最合适的是补上这条:
因为我们刚才得到的通常是一个较大的 Galois 扩张 ,并证明
可解;但原方程真正的分裂域可能只是
我们最终要从 推到原方程的
而这个群会是 的一个商群。因此必须知道:
这一步其实很短,而且正好把前面的证明链补完整。
证明时我们会从 的可解链
出发,然后看它经过商映射
以后,会变成怎样的一条子群链,并解释为什么每一层商群仍然是阿贝尔群。
把这一点补完之后,我们就可以比较严谨地宣布:
然后再回到 和一般五次方程。
15.7 可解群的商群仍可解
现在就可以把它放回我们的 Galois 问题。
我们之前构造了一个较大的 Galois 根式扩张:
并得到:
是可解群。
而原多项式的分裂域记作:
考虑限制映射:
它的核是:
因此第一同构定理给:
所以原方程的 Galois 群是较大的可解群的一个商群。
而我们刚刚证明:
因此:
到这里,这个方向的核心证明链已经真正接上了。
下一步最合适的是回到一般五次方程,仔细补上另一个关键点:为什么“一般五次方程”的 Galois 群确实是 ,而不仅仅是
的某个子群。
15.8 逐元素证明像链的相邻商群阿贝尔
现在这个结论终于可以放回 Galois 理论。
如果我们通过根式塔构造出了一个较大的 Galois 扩张
并证明:
是可解群。
而原方程的分裂域是:
那么限制映射给出:
其核是:
所以:
左边就是原方程真正的 Galois 群。
右边是一个可解群的商群,因此也是可解群。
于是我们现在可以比较完整地写出:
下一步就该回到五次方程,仔细解决我们此前略快的一点:
这一步完成后, 不可解和“五次无根式通解”就能真正接上。