伽罗瓦理论基本定理

Template:NoteTA 伽罗瓦理论基本定理是抽象代数中的定理，通过群的概念来描述特定域扩张的细致结构。定理说明了，如果某个域扩张Template:Mvar是有限伽罗瓦扩张，则此扩张的伽罗瓦群的子群与其中间域（即子扩张Template:Mvar⊂Template:Mvar⊂Template:Mvar中的Template:Mvar）之间有一一对应关系。

简介

伽罗瓦理论最初研究的目标是域上多项式方程的根式通解问题。18世纪时，数学家已经知道，任意的二次方程、三次方程和四次方程可以通过配方法开方求解。但对五次以上的多项式方程，一直没有发现通用的根式求解方法。19世纪初，伽罗瓦和阿贝尔创造了群论，将多项式的不同根之间的关系用群来表示，从而揭示了多项式的根的根本性质Template:R。

从阿廷起，数学家开始使用域扩张的理论，更严谨地表述伽罗瓦的理论，先将多项式的性质转化为域扩张中的性质，然后通过研究域扩张对应的自同构群，利用群论的知识来解析域扩张的结构，从而对多项式及其根的性质进行更深刻的刻画Template:R。

给定域扩张Template:Mvar，Template:Mvar上的自同构里，在Template:Mvar上平凡（即为恒等映射）的环自同构称为Template:Mvar中的Template:Mvar自同构。所有Template:Mvar中的Template:Mvar自同构组成一个群，称为域扩张Template:Mvar的Template:Mvar自同构群，简记为Template:Math。Template:Mvar自同构在Template:Mvar上是恒等映射，因此不属于Template:Mvar的元素在Template:Mvar自同构的作用下仍被映射到不属于Template:Mvar的元素上Template:R。

如果存在Template:Mvar的子扩张Template:Mvar⊂Template:Mvar⊂Template:Mvar，则Template:Mvar的Template:Mvar自同构也构成一个群：Template:Math。它是Template:Math的子群，因为在Template:Mvar平凡的自同构必然也在其子域Template:Mvar上平凡Template:R。反过来，给定Template:Math的某个子群Template:Mvar，则可以定义群作用的不动点集合：

$L^H:=\{x\in L;\mathrm{\forall }\tau \in H,\tau (x)=x\}$

可以证明，这个集合是一个域，称为子群Template:Mvar的不变域。它是Template:Mvar的扩域，是Template:Mvar的子域，即是Template:Mvar的中间域Template:R。显然

$K\subset L^{\mathrm{A}\mathrm{u}\mathrm{t}(L/K)}.$

一个自然的猜想是：Template:Math，即所有不属于Template:Mvar的元素，都会在某个Template:Mvar自同构的作用下被映射到其他的元素上去。然而这个命题只对特定的域扩张成立Template:R。

如果某个不属于Template:Mvar的元素Template:Mvar是Template:Mvar上的代数元，设其为某个Template:Mvar多项式Template:Mvar的根，则Template:Mvar在Template:Mvar中任一个Template:Mvar自同构Template:Mvar的作用下的像仍是Template:Mvar的一个根Template:R。事实上，如果设：

$f={\lambda }_0+{\lambda }_{1}X+\cdots +{\lambda }_k{X}^k,{\lambda }_0,{\lambda }_1,\cdots ,{\lambda }_k\in K,f(a)=0,$

那么

$0=\tau (0)=\tau (f(a))=\tau ({\lambda }_0+{\lambda }_{1}a+\cdots +{\lambda }_k{a}^k)={\lambda }_0+{\lambda }_1\tau (a)+\cdots +{\lambda }_k\tau (a{)}^k=f(\tau (a)).$

这说明，Template:Mvar自同构将Template:Mvar多项式的根进行重新排列Template:R。因此，对Template:Mvar自同构的研究可以帮助了解Template:Mvar多项式的根。

为了讨论多项式的根，引入正规扩张的概念。给定一个域扩张Template:Mvar，任一Template:Mvar不可约多项式如果有一个根在Template:Mvar中，那么全部根都在Template:Mvar中。这样的扩张称为正规扩张Template:R。正规扩张中，Template:Mvar自同构可以将多项式的根映射到它的任意其他根上。因此，对Template:Mvar中任一个不属于Template:Mvar的元素，都有Template:Mvar自同构将其映射到它的极小多项式的任意其他根上Template:R。另外再假定任意元素的极小多项式都没有重根（这样的扩张称为可分扩张Template:R）。这时，一个Template:Mvar自同构或某些Template:Mvar自同构组成的群的不动点集合将和Template:Mvar多项式的根产生密切联系。这样的域扩张称为伽罗瓦扩张Template:R。若Template:Mvar是伽罗瓦扩张，它的Template:Mvar自同构群称为伽罗瓦群，记作Template:MathTemplate:R。当Template:Mvar是有限扩张时，伽罗瓦群是有限群，其元素个数等于域扩张的次数，并且有Template:MathTemplate:R。而伽罗瓦理论基本定理更进一步，给出了Template:Math的子群和Template:Mvar的中间域的对应关系。

对应关系

从前述中已经知道，给定Template:Math的某个子群Template:Mvar，其不变域：

$L^H:=\{x\in L;\mathrm{\forall }\tau \in H,\tau (x)=x\}$

是Template:Mvar的一个中间域。给定中间域Template:Mvar，则Template:Math是Template:Math的子群。如果Template:Mvar是有限的伽罗瓦扩张，那么伽罗瓦理论基本定理说明，Template:Mvar的伽罗瓦群Template:Math的子群与Template:Mvar的中间域之间有一一对应关系Template:R：

对伽罗瓦群Template:Math的每一个子群Template:Mvar，唯一对应一个中间域，即其不变域：$H⟶L^H$

对域扩张Template:Mvar的每一个中间域，唯一对应一个群：$F⟶\mathrm{G}\mathrm{a}\mathrm{l}(L/F),$ 它是Template:Mvar的伽罗瓦群Template:Math的子群。

这两种叙述是互洽的，也就是说Template:R，

$\mathrm{\forall }H\subset \mathrm{G}\mathrm{a}\mathrm{l}(L/K),\mathrm{G}\mathrm{a}\mathrm{l}(L/L^H)=H.$

$\mathrm{\forall }K\subset F\subset L,L^{\mathrm{G}\mathrm{a}\mathrm{l}(L/F)}=F.$

基本性质

中间域与伽罗瓦群的子群之间有一个反向的包含对应关系：如果伽罗瓦群的某个子群Template:Math是另一个子群Template:Math的子群，那么Template:Math对应的中间域Template:Math是Template:Math对应的中间域Template:Math的扩域Template:R。

伽罗瓦群的子群的元素个数，以及它在伽罗瓦群中的指数，和对应的中间域相关的扩域的次数相同。如果Template:Mvar是Template:Math的子群，那么Template:Math，Template:MathTemplate:R。

给定伽罗瓦扩张Template:Mvar的中间域Template:Mvar和Template:Mvar中的Template:Mvar自同构Template:Mvar，则Template:Mvar作用在Template:Mvar上得到的像集$\sigma (F):=\{\sigma (x);x\in F\}$也是一个中间域。设Template:Mvar对应的伽罗瓦群子群是Template:Mvar，则中间域Template:Mvar(Template:Mvar)对应的子群是Template:Mvar^-1。如果Template:Mvar是正规扩张，则对于任意的Template:Mvar自同构Template:Mvar，Template:Math。这也说明对于任意的Template:Mvar自同构Template:Mvar，Template:Mvar^-1 Template:Math。这样的子群Template:Mvar称为正规子群。域扩张Template:Mvar是正规扩张当且仅当其对应的子群Template:Math是正规子群。对于正规子群Template:Mvar，可以定义Template:Math对Template:Mvar的商群Template:Math。这个商群和Template:Math是同构的Template:R。

例子

克莱因四元群

子群与子域的关联结构图

从有理数域$K=\mathbb{Q}$出发。设扩域$L=\mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3})$。Template:Mvar是在有理数域中添加根号2与根号3得到的扩域，也可以看成是$L=\mathbb{Q}(\sqrt{2})(\sqrt{3})$，即先在有理数域中添加根号2，再在其中添加根号3得到的扩域。因此其中每个元素可以表达成如下的形式：

$(a+b\sqrt{2})+(c+d\sqrt{2})\sqrt{3},a,b,c,d\in \mathbb{Q}.$

可以证明域扩张Template:Mvar是可分正规扩张，即伽罗瓦扩张。它的Template:Mvar自同构群Template:Math为Template:Mvar中所有对有理数为恒等映射的同构。设有Template:Mvar自同构Template:Mvar，则Template:Mvar将任何有理数映射到它自身，将根号2映射到自身或负根号2上，将根号3映射到自身或负根号3上。这是因为：

$\begin{array}{c}{(\sigma (\sqrt{2}))}^2=\sigma (\sqrt{2})\cdot \sigma (\sqrt{2})=\sigma (\sqrt{2}\cdot \sqrt{2})=\sigma (2)=2,\\ {(\sigma (\sqrt{3}))}^2=\sigma (\sqrt{3})\cdot \sigma (\sqrt{3})=\sigma (\sqrt{3}\cdot \sqrt{3})=\sigma (3)=3.\end{array}$

这说明自同构群Template:Mvar中包含四个元素：Template:Mvar、Template:Mvar、Template:Mvar、Template:Mvar。具体为：

$\begin{array}{cc}e(\sqrt{2})=\sqrt{2},e(\sqrt{3})=\sqrt{3},& \sigma (\sqrt{2})=-\sqrt{2},\sigma (\sqrt{3})=\sqrt{3}\\ \tau (\sqrt{2})=\sqrt{2},\tau (\sqrt{3})=-\sqrt{3},& (\tau \sigma )(\sqrt{2})=-\sqrt{2},(\tau \sigma )(\sqrt{3})=-\sqrt{3}\end{array}$

Template:Math同构于克莱因四元群，它的子群包括Template:Math以及Template:Mvar自身。考虑在这些子群的作用下，保持不变的元素构成的集合：

• Template:Mvar中所有的元素都在Template:Mvar下不变，所以Template:Math，
• Template:Mvar将根号2变换到负根号2，而保持根号3不变，所以$L^{H_{\sigma }}=\mathbb{Q}(\sqrt{3})$，
• Template:Mvar将根号3变换到负根号3，而保持根号2不变，所以$L^{H_{\tau }}=\mathbb{Q}(\sqrt{2})$，
• Template:Mvar将根号2与根号3分别变换到负根号2与负根号3，因此只有根号6经历了两次变换而保持原号，所以$L^{H_{\tau \sigma }}=\mathbb{Q}(\sqrt{6})$，
• 由于根号2和根号6在Template:Mvar作用下变号，根号3在Template:Mvar作用下变号，所以只有有理数能够在所有的自同构下保持不变，即$L^G=\mathbb{Q}=K$。

以上的结论说明域扩张Template:Mvar真正的中间域有3个，分别是：$\mathbb{Q}(\sqrt{2})$、$\mathbb{Q}(\sqrt{3})$和$\mathbb{Q}(\sqrt{6})$。Template:R

非交换群的例子

子群与子域的关联结构图

以下给出一个伽罗瓦群不是交换群（阿贝尔群）的例子。设有多项式Template:Math，这是一个在$K=\mathbb{Q}$上不可约的有理系数多项式。他在$\mathbb{Q}$上对应的分裂域是$L=\mathbb{Q}(\theta ,\omega )$，其中的Template:Math是2的三次方根，Template:Mvar是三次单位根。域扩张Template:Mvar是可分正规扩张，因此是伽罗瓦扩张。考虑其伽罗瓦群Template:Math。与上一个例子类似地，它里面的Template:Mvar自同构必然也是只可能是对Template:Mvar和Template:Mvar产生变换。设有Template:Mvar自同构Template:Mvar，则它将Template:Mvar和Template:Mvar变换后的结果满足：

$\begin{array}{c}2=\sigma (2)=\sigma ({\theta }^3)={(\sigma (\theta ))}^3,\\ 1=\sigma (1)=\sigma ({\omega }^3)={(\sigma (\omega ))}^3.\end{array}$

所以Template:Mvar作用在Template:Mvar上的结果有三种：Template:Mvar、Template:Mvar或Template:Math，而Template:Mvar作用在Template:Mvar上的结果有两种：Template:Mvar或Template:Math。这是因为Template:Math的结果不可能是1，否则会与Template:Math矛盾。这表明Template:Mvar中元素有六个，可以表示为：Template:Math其中：

$f(\theta )=\omega \theta ,f(\omega )=\omega ,g(\theta )=\theta ,g(\omega )={\omega }^2.fg=g{f}^2.$

下面给出由伽罗瓦理论基本定理指出的子群与中间域的对应关系：

• 与上例一样，在平凡子群Template:Math作用下不变的是Template:Mvar中所有元素，在群Template:Mvar所有元素作用下不变的只有Template:Mvar中元素。所以平凡子群对应着Template:Mvar而Template:Mvar对应着Template:Mvar。
• Template:Mvar仅有一个三元子群Template:Math，在其作用下不变的是Template:Mvar，因此它对应的是中间域$\mathbb{Q}(\omega )$。$[\mathbb{Q}(\omega ):\mathbb{Q}]=2$，等于Template:Mvar在Template:Mvar中的指数。Template:Mvar是Template:Mvar的正规子群，所以$\mathbb{Q}(\omega )/\mathbb{Q}$是正规扩张。
• Template:Mvar有三个二元子群，分别是Template:Math它们对应的中间域分别是$\mathbb{Q}(\theta )$、$\mathbb{Q}(\omega \theta )$和$\mathbb{Q}({\omega }^2\theta )$。这些中间域都是有理数域的三次扩域，与对应子群在Template:Mvar中的指数相等。由于这三个二元子群都不是Template:Mvar的正规子群，所以相应的，这些中间域也不是有理数域的正规扩张。事实上，它们各自是在有理数域中添加多项式Template:Mvar的一个根得到的扩域，但另外两个根都不在其中。Template:R

应用

从上述例子可见，伽罗瓦理论基本定理的作用是将域扩张的中间域结构，转化为特定群的子群来描述。将难以用直接的方法刻画的中间域，和可以用群论中的成熟方法刻画的有限群子群对应起来Template:R。

伽罗瓦基本定理的最初应用是在使用伽罗瓦理论证明五次或以上的多项式方程没有代数解求根公式的问题上。其证明的主要思路是将“开Template:Mvar次方”的过程转化为“在基域中添加Template:Mvar次方根”生成的域扩张。将多项式有代数解的问题转化为某个分裂域是否可以通过有限次特定的域扩张得到的问题。而这些域扩张是否满足条件，则可以由伽罗瓦基本定理将其转化为判定“特定的伽罗瓦群是否有某种特殊的子群和商群（称为可解群）”的问题。阿贝尔-鲁菲尼定理说明了：一般的五次或以上的多项式方程，其对应的伽罗瓦群是[[置换群|Template:Mvar元置换群]]${𝔖}_n$（Template:Mvar大于等于5），而这个群唯一的非平凡正规子群：[[交错群|Template:Mvar元交替群]]${𝔄}_n$是不交换的单群，无法满足要求。因此，不存在使用根式求解一般的五次或以上的多项式方程的方法Template:R。

推广

对于无限的伽罗瓦扩张，伽罗瓦理论基本定理不再成立，因为这时伽罗瓦群的子群个数会比中间域的个数要多。然而，在给伽罗瓦群装备了一定的拓扑结构（Krull拓扑）后，可以证明域扩张的中间域和所有的闭子群之间有一一对应的关系。因此，在此拓扑下，有推广的伽罗瓦理论基本定理：

给定无限伽罗瓦扩张Template:Mvar，其伽罗瓦群Template:Math的所有闭子群与Template:Mvar之间存在一一对应关系：

$H⟶L^H,F⟶\mathrm{G}\mathrm{a}\mathrm{l}(L/F)$

子扩张Template:Mvar是伽罗瓦扩张，当且仅当中间域Template:Mvar对应的子群Template:Math是伽罗瓦群Template:Mvar的正规子群。扩张的次数Template:Math有限，当且仅当Template:Mvar在Template:Mvar中的指数有限，或当Template:Mvar是Template:Mvar的开子群。。

参见

• 伽罗瓦理论