代数数论

分圆域

取复平面单位圆上均匀分布的点——n 次单位根,正 n 边形的顶点——把它们添入有理数。你所得到的这个“分圆”域,是已知最美的数域之一。它的对称性完全透明,Q 的每个阿贝尔扩张都藏在某个这样的域里,而它是分圆与互反律的天然居所。

n 次分圆域是 K = Q(z_n),其中 z_n 是一个本原 n 次单位根。它在 Q 上的次数是 phi(n),即欧拉总和函数,其整数环恰好是 Z[z_n]——令人愉快的是,此处天真的猜测是对的。z_n 的极小多项式是 n 次分圆多项式,一个次数为 phi(n) 的不可约首一整多项式。

分圆域是 Q 的阿贝尔伽罗瓦扩张,其伽罗瓦群同构于 (Z/nZ)^*,即模 n 的单位群,同构经由把每个自同构映到它作用于 z_n 时所用的指数。克罗内克-韦伯定理说 Q 的每个阿贝尔扩张都落在某个分圆域之内。素数 p 分歧当且仅当 p 整除 n,而非分歧的素数按 p 模 n 的阶分裂。

对 n = 5,域 Q(z_5) 在 Q 上的次数为 phi(5) = 4,整数环为 Z[z_5],伽罗瓦群 (Z/5Z)^* 同构于 Z/4Z。它包含实子域 Q(sqrt(5)) 作为其唯一的二次子域。

因为 (Z/5Z)^* 是 4 阶循环群,Q(z_5) 对每个整除 4 的次数恰有一个子域,与其子群一一对应。