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第 2 章:通用五次方程,为什么仍是系数域到分裂域 ​

本章任务:证明“先造根,再造系数”仍然得到一个有限 Galois 分裂域,并完整证明它的群是 S_5。

2.1 “五个独立的根”是什么意思 ​

取不定元 x_1,\ldots,x_5。说它们在 \mathbb Q 上代数独立,是说不存在非零多元多项式 P\in\mathbb Q[X_1,\ldots,X_5] 使

P(x_1,\ldots,x_5)=0.

这不是概率上的独立。它意味着没有额外代数关系,可以自由重命名变量。

先构造有理函数域

E=\mathbb Q(x_1,\ldots,x_5).

其元素是多项式的分式 P(x_1,\ldots,x_5)/Q(x_1,\ldots,x_5),其中 Q\ne0。定义

e_j=\sum_{1\le i_1<\cdots<i_j\le5}x_{i_1}\cdots x_{i_j},
\qquad 1\le j\le5,

并令

F=\mathbb Q(e_1,e_2,e_3,e_4,e_5)\subseteq E.

每个 e_j 已经属于 E,所以 F\subseteq E 是由生成域的定义直接得到的。

2.2 同一个多项式,同时看见系数与根 ​

展开乘积得到

f(t)=\prod_{i=1}^{5}(t-x_i)
=t^5-e_1t^4+e_2t^3-e_3t^2+e_4t-e_5\in F[t].

所有 x_i 都是这个多项式的根,而且

F(x_1,\ldots,x_5)=\mathbb Q(x_1,\ldots,x_5)=E.

第一项包含 \mathbb Q 和全部 x_i,所以包含右边;反方向由 F\subseteq E 得到。因此 E 正是 f 在 F 上的分裂域。

补充证明:为什么这个扩张有限?虽然 x_i 对 \mathbb Q 是超越元,但它们对 F 都满足上面的五次多项式,因而对 F 代数。逐个加入它们,每步次数有限(至多 5),塔式定理给出 [E:F]<\infty。于是“E/\mathbb Q 超越”与“E/F 有限代数”完全兼容,因为基础域不同。

各 x_i 不相等,否则有非零关系 x_i-x_j=0。因此 f 没有重根。有限可分分裂域是 Galois 扩张;下面第 6、8 章还会直接证明所用的嵌入稳定与延拓事实。

2.3 为什么这些系数确实代表“一般系数” ​

仅说“根很独立”还不够:要证明 e_1,\ldots,e_5 也代数独立。

补充证明。在单项式上使用按 x_1>x_2>\cdots>x_5 的字典序。e_j 的最高单项式是 x_1\cdots x_j,系数为 1。因此

e_1^{a_1}\cdots e_5^{a_5}

的最高单项式是

x_1^{a_1+a_2+a_3+a_4+a_5}
x_2^{a_2+a_3+a_4+a_5}
x_3^{a_3+a_4+a_5}
x_4^{a_4+a_5}x_5^{a_5}.

字典序与乘法相容,所以最高单项式的乘积就是乘积的最高单项式。设上述五个指数为 b_1,\ldots,b_5,便可恢复

a_1=b_1-b_2,\quad a_2=b_2-b_3,\quad
a_3=b_3-b_4,\quad a_4=b_4-b_5,\quad a_5=b_5.

不同的 a 向量给出不同的最高单项式。在任意有限非零线性组合中,选择最高单项式最大的那一项;其最高项不可能被其他项抵消。因此任何非零 P\in\mathbb Q[Y_1,\ldots,Y_5] 都有 P(e_1,\ldots,e_5)\ne0。

这证明 e_j 代数独立。令一般首一五次式的系数 a_{5-j}=(-1)^je_j,就得到通常写法

t^5+a_4t^4+a_3t^3+a_2t^2+a_1t+a_0.

具体系数可能产生额外关系,因此不能把通用模型的 S_5 结论直接套给每一个具体五次方程。

2.4 每个置换都确实给出域自同构 ​

取 \pi\in S_5,定义变量替换

T_\pi(x_i)=x_{\pi(i)}.

它先给出多项式环的自同构:保持加法乘法,逆映射是 T_{\pi^{-1}}。因此非零多项式仍然非零。定义

T_\pi\left(\frac P Q\right)=\frac{T_\pi(P)}{T_\pi(Q)}.

良定义检查。若 P/Q=P'/Q',则 PQ'=P'Q。应用多项式自同构得到 T_\pi(P)T_\pi(Q')=T_\pi(P')T_\pi(Q),故结果不依赖分式表示。分母非零;运算保持;逆置换给出逆。因此这是 E 的域自同构。

置换只重排 e_j 求和中的项,所以固定全部 e_j,进而固定整个 F。这就构造了 5! 个不同的 F 自同构,而不是仅仅构造根的标签变化。

2.5 反方向:自同构没有其他自由度 ​

若 \sigma\in\operatorname{Gal}(E/F),因 \sigma 固定 f 的系数,

f(\sigma(x_i))=\sigma(f(x_i))=0.

所以每个 x_i 被送到某个 x_j。自同构单射,使不同根的像不同,因此得到五个根的置换。又因 E 由 F 和这些根生成,其作用被根的像完全确定。

于是根作用

\rho:\operatorname{Gal}(E/F)\longrightarrow S_5

是单射群同态;第 2.4 节构造了它的每一个可能输出,所以它也满射。故

\boxed{\operatorname{Gal}(E/F)\cong S_5.}

回到主线:至此只用了方程的通用模型。根式公式还没有进入证明。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。