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細緻地度量伽羅瓦群

把伽羅瓦群重新定義為固定基域的自同構,透過數嵌入來數它的大小,並精確確定何時 |Aut(L/K)| 能達到次數 [L:K]。這條不等式是後面一切的支點。

固定地板的自同構

從具體處入手。給定域擴張 L/K,寬鬆意義下的伽羅瓦群是 Aut(L/K),即固定 K 中每個元素的 L 的域自同構構成的群。每個這樣的 σ 都置換任何係數在 K 中的多項式的根,因為對 p(α)=0 作用 σ 得到 p(σα)=0。於是自同構不能把根送到非根:伽羅瓦群完全活在根集的對稱性之內。這一個觀察就是整個學科的引擎。

但 Aut(L/K) 可能小得令人尷尬。取 K=Q,L=Q(∛2)。任何 σ 必須把 ∛2 送到 x³−2 的某個根,而另外兩個根是複數,L 卻嵌在 R 內。於是 σ 除了把 ∛2 送回自身之外無處可送:儘管 [L:K]=3,Aut(L/K) 仍是平凡群。群之所以太小,是因為 L 不正規——它沒有包含它起步用的極小多項式的所有根。

用嵌入來計數

數自同構有一種乾淨的方法。固定 K 的一個代數閉包,去數 L 到其中的 K-嵌入。對單擴張 K(α) 而言,一個嵌入由它把 α 送到何處決定,而 α 可以送到其極小多項式 m 的任意根。於是嵌入的個數等於 m 的不同根的個數。若 m 次數為 n 且無重根,則恰得 n 個嵌入。

沿塔逐個添加生成元,嵌入個數相乘——它本身沿塔具有乘性,與次數的塔定律相呼應。這個計數稱為可分次數 [L:K]_s,它總是不超過 [L:K]。兩者恰好相等當且僅當途中每個極小多項式都有不同的根,即當擴張是可分的時。

Count Aut(L/Q) for L = Q(sqrt 2, sqrt 3).

Degrees:  [L:Q] = [L:Q(sqrt 2)] * [Q(sqrt 2):Q] = 2 * 2 = 4.

Embeddings of L into C, by choosing images of the generators:
  sqrt 2 -> +sqrt 2  or  -sqrt 2     (roots of x^2 - 2)
  sqrt 3 -> +sqrt 3  or  -sqrt 3     (roots of x^2 - 3)
All 2 * 2 = 4 combinations land inside L itself (L is normal),
so every embedding is an automorphism.

  => |Aut(L/Q)| = 4 = [L:Q].  L/Q is Galois.

The four maps, by sign pattern (s2, s3):
  e   = (+, +)   identity
  a   = (-, +)   flips sqrt 2
  b   = (+, -)   flips sqrt 3
  ab  = (-, -)   flips both
Each has order 2, and the group is  Z/2Z x Z/2Z  (Klein four).
透過為每個生成元各選一個根而構造出的 4 元伽羅瓦群。

並置的兩個條件

正規修補第一種失敗:L/K 正規當且僅當 L 是 K 上的分裂域,於是到閉包的每個嵌入像都是 L——每個嵌入*就是*一個自同構。可分修補第二種失敗:它迫使 [L:K]_s = [L:K]。兩者合起來便有 |Aut(L/K)| = [L:K]_s = [L:K]。這條等式 |Gal(L/K)| = [L:K],就是我們在本軌道餘下部分將依賴的伽羅瓦的可操作定義。