代數數論

分圓域

取複平面單位圓上均勻分佈的點——n 次單位根,正 n 邊形的頂點——把它們添入有理數。你所得到的這個「分圓」域,是已知最美的數域之一。它的對稱性完全透明,Q 的每個阿貝爾擴張都藏在某個這樣的域裡,而它是分圓與互反律的天然居所。

n 次分圓域是 K = Q(z_n),其中 z_n 是一個本原 n 次單位根。它在 Q 上的次數是 phi(n),即歐拉總和函數,其整數環恰好是 Z[z_n]——令人愉快的是,此處天真的猜測是對的。z_n 的極小多項式是 n 次分圓多項式,一個次數為 phi(n) 的不可約首一整多項式。

分圓域是 Q 的阿貝爾伽羅瓦擴張,其伽羅瓦群同構於 (Z/nZ)^*,即模 n 的單位群,同構經由把每個自同構映到它作用於 z_n 時所用的指數。克羅內克-韋伯定理說 Q 的每個阿貝爾擴張都落在某個分圓域之內。素數 p 分歧當且僅當 p 整除 n,而非分歧的素數按 p 模 n 的階分裂。

對 n = 5,域 Q(z_5) 在 Q 上的次數為 phi(5) = 4,整數環為 Z[z_5],伽羅瓦群 (Z/5Z)^* 同構於 Z/4Z。它包含實子域 Q(sqrt(5)) 作為其唯一的二次子域。

因為 (Z/5Z)^* 是 4 階循環群,Q(z_5) 對每個整除 4 的次數恰有一個子域,與其子群一一對應。