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親手做一遍基本定理

Gal(L/K) 的子群與中間域之間的對應——逆序且保次數,正規子群對應正規子擴張。我們藉助阿廷定理證明關鍵的一半,然後從一個具體例子上讀出完整的格。

互相抵消的兩個映射

固定一個伽羅瓦擴張 L/K,群為 G = Gal(L/K)。有兩個自然映射。向上:子群 H ⊆ G 對應其不動域 L^H = { x ∈ L : 對所有 σ ∈ H 有 σx = x },這是一個中間域 K ⊆ L^H ⊆ L。向下:中間域 F 對應 Gal(L/F),即逐點固定 F 的自同構,這是 G 的一個子群。基本定理斷言這兩個映射互為逆的雙射。

兩個映射都逆轉包含關係——更大的子群固定更少的元素,故更大的 H 給出更小的 L^H。這使得該對應成為兩個之間的逆序雙射,是一個恰好構成完美對偶的伽羅瓦連接的實例。一個格的底(平凡子群,固定一切:L^{1}=L)對應另一個格的頂,反之亦然。

為何是雙射:阿廷

困難的方向是:傳到不動域時絕不丟失資訊。阿廷定理承擔了重活:若 H 是 L 的自同構構成的有限群,則 L 在其不動域 L^H 上是伽羅瓦的,Gal(L/L^H) = H,且關鍵地 [L : L^H] = |H|。於是子群 H 恰好被重構為 Gal(L/L^H)。反方向,因 L/F 也是伽羅瓦的,故 |Gal(L/F)| = [L:F],且 L^{Gal(L/F)} = F。兩次往返都閉合。

正規對應正規

最後一條款最為漂亮。中間域 F 在 K 上正規恰當其子群 H = Gal(L/F) 是 G 的正規子群,此時限制給出 Gal(F/K) = G/H。‘正規’一詞在兩種意義上的吻合並非巧合:對每個 σ ∈ G 有 σ(F)=F 是域論的表述,而 σHσ⁻¹ = H 是它在群裡的翻譯。商群 G/H 正是作為底層那段的伽羅瓦群而誕生的。

L = Q(sqrt 2, sqrt 3),  G = Gal(L/Q) = {e, a, b, ab} = Z/2Z x Z/2Z.
  a: sqrt2 -> -sqrt2, sqrt3 -> +sqrt3
  b: sqrt2 -> +sqrt2, sqrt3 -> -sqrt3

Subgroups of G (all normal, since G is abelian) and their fixed fields:

  {e}            <->  L = Q(sqrt2, sqrt3)      [L:F] = 4
  {e, a}         <->  Q(sqrt3)                  fixed by a
  {e, b}         <->  Q(sqrt2)                  fixed by b
  {e, ab}        <->  Q(sqrt6)                  ab fixes sqrt2*sqrt3
  G             <->  Q                          [F:Q] = 1

Check the index/degree mirror for F = Q(sqrt2), H = {e, b}:
  [L:F] = |H| = 2       [F:Q] = [G:H] = 4/2 = 2.   OK.

Every subgroup is normal in G, so every one of the three
quadratic subfields is normal over Q, with Gal(F/Q) = G/H = Z/2Z.
克萊因四元群例子的完整「子群—域」字典。