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搭建更大的數系:體擴張

你早已會把 √2 添加到有理數裡。我們把這件事說精確:體擴張就是一個大體蓋在小體之上,而它的行為就像一個能被實際度量的向量空間。

從一個體到更大的體

是一種數系,你可以在其中做加、減、乘、除(除數不為 0),而且通常的運算律都成立。有理數 Q 構成一個體;實數 R 也是。體擴張 不過是一個包含較小體 F 作為子系統的體 K。我們記作 K/F(讀作 “K 在 F 之上”),F 稱為 基體

最小的有趣例子:從 Q 出發,加進 √2。為了在 +、−、×、÷ 下封閉,你不得不把所有形如 a + b√2(a、b 為有理數)的數都包含進來。這個集合記作 Q(√2),它確實是一個體——你甚至能做除法。

Dividing inside Q(√2) — rationalize the denominator:

  1 / (1 + √2)
= (1 − √2) / ((1 + √2)(1 − √2))     multiply by the conjugate
= (1 − √2) / (1 − 2)
= (1 − √2) / (−1)
= −1 + √2

Result is again of the form a + b√2  (a = −1, b = 1). Closed!
連 1/(1+√2) 都回落到 Q(√2) 之內——這正是它成為體的原因。

擴張就是一個向量空間

這裡有一個關鍵的視角轉換。把大體 K 看作 在小體 F 上的向量空間:向量是 K 的元素,純量取自 F。在 Q(√2) 中,每個元素 a + b√2 都是兩個 “向量” 1 和 √2 的 F-線性組合。所以 {1, √2} 是一組基,維數 是 2。

這個維數有個名字:擴張的 次數,記作 [K : F]。於是 [Q(√2) : Q] = 2。次數是一個數,刻畫了擴張 “大了多少”——而它最終會成為整套理論中最深刻的量尺。

代數的與超越的

為什麼 Q(√2) 只是 2 維而非無窮維?因為 √2 滿足一個係數為有理數的 多項式 方程:x² − 2 = 0。凡是某個這種多項式的根的數,就稱為在 F 上 代數的。添加一個代數數,總能得到有限次擴張。

有些數根本不是任何有理多項式的根——這些是 超越數,比如 π 和 e。添加這樣一個數會得到無窮維擴張。在伽羅瓦理論中,我們幾乎完全停留在友好、有限、代數的世界裡。