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分圓、庫默爾與有限域

三類伽羅瓦群完全可算的家族:分圓擴張給出 (Z/nZ)^×,庫默爾擴張給出由 n 次根搭建的循環群,而每個有限域擴張都是循環的,由弗羅貝尼烏斯生成。它們是一切交換情形背後的基本構件。

分圓:群是 (Z/nZ)^×

設 ζ 為本原 n 次單位根,考慮分圓擴張 Q(ζ)/Q。任何自同構 σ 把 ζ 送到另一個本原 n 次根,故 σ(ζ)=ζ^a,其中 a 與 n 互素。映射 σ ↦ a (mod n) 是到單位群 (Z/nZ)^× 的單同態,且因 n 次分圓多項式 Φ_n 在 Q 上不可約而是滿的。於是 Gal(Q(ζ)/Q) ≅ (Z/nZ)^×,是一個 φ(n) 階的交換群。

n = 7:  Phi_7(x) = x^6 + x^5 + x^4 + x^3 + x^2 + x + 1, irreducible.
  [Q(zeta_7):Q] = phi(7) = 6.
  Gal = (Z/7Z)^x = {1,2,3,4,5,6} under multiplication mod 7.
  This group is cyclic of order 6, generated by 3:
    3^1=3, 3^2=2, 3^3=6, 3^4=4, 3^5=5, 3^6=1 (mod 7).

Subgroup lattice => intermediate field lattice (FTGT):
  unique subgroup of order 2 = {1,6}  <->  the unique deg-3 subfield
  unique subgroup of order 3 = {1,2,4} <-> the unique deg-2 subfield
The degree-2 subfield is Q(sqrt(-7))  (a Gauss-sum fact).
This is how one PROVES quadratic subfields of cyclotomic fields
exist: read them off the cyclic group (Z/7Z)^x.
Q(ζ₇)/Q:群 (Z/7Z)^× 是 6 階循環群,及其兩個真子域。

庫默爾:由 n 次根得到的循環擴張

現在固定一個已含 n 次單位根的基域 K(於是我們工作在分圓步驟的「下游」)。添加一個 n 次根:L = K(α),α^n = a ∈ K。這是一個庫默爾擴張,且為次數整除 n 的循環擴張。理由直接:任何 σ ∈ Gal(L/K) 把 α 送到 a 的另一個 n 次根,它必為某個 ζ^k α,ζ 是 K 中的單位根。指派 σ ↦ ζ^{k} 是到 n 次單位根群 μ_n(循環群)的單射,故 Gal(L/K) 循環。

這正是第 3 篇所用的逆命題:當基域有足夠多的單位根時,*n 次循環就等同於添加一個 n 次根*。根式塔的每個循環層都是一個庫默爾擴張。於是分圓與庫默爾合起來恰好製造出根式所能到達的「分段交換」擴張——這就是可解群與根式可解性重合的結構性原因。

有限域:弗羅貝尼烏斯包辦一切

有限域給出所有情形中最乾淨的伽羅瓦理論。對每個質數冪 q=p^n 恰有一個 q 元域 F_q,且 F_{p^n}/F_p 是伽羅瓦的。其群由弗羅貝尼烏斯映射 φ: x ↦ x^p 生成,它固定 F_p(費馬:a^p=a)且階恰為 n。於是有限域的伽羅瓦群循環的,Gal(F_{p^n}/F_p) ≅ Z/nZ,由 φ 生成。

F_{2^6} / F_2,  Frobenius phi(x) = x^2,  ord(phi) = 6.
Gal = <phi> = Z/6Z.

FTGT for a cyclic group Z/6Z: subgroups <-> divisors of 6.
  subgroup            order   fixed field         degree over F_2
  <phi>   = whole      6       F_2                 1
  <phi^2>             3       F_4 = F_{2^2}        2
  <phi^3>             2       F_8 = F_{2^3}        3
  <phi^6> = {1}        1       F_{2^6}             6

So F_{2^d} sits inside F_{2^6}  iff  d | 6.
  d in {1,2,3,6}: yes.   d = 4: NO, since 4 does not divide 6.

The subfield lattice of finite fields is literally the
divisibility lattice of the exponents -- a one-line consequence
of the Galois group being cyclic.
F_{2^6} 的子域恰為 d | 6 的 F_{2^d}——約數格。