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分裂域、正规性与代数闭包

构造一个多项式能完全分解的最小域,理解为何这种域在同构意义下唯一,并认识那个宇宙——代数闭包——其中每个多项式都已拥有它全部的根。

为每个根腾出空间

给定多项式 f ∈ K[x],它的分裂域是 f 完全分解为线性因子的最小扩张 L/K——并且由这些根生成。你通过反复添加根来构造它:找一个不可约因子,经由 K[x]/(那个因子) 添加一个根,再在新域上重复,直到 f 分裂。分裂域 对任何 f 都存在,且它在 K 上的次数整除 (deg f)!。

Splitting field of  f(x) = x^3 - 2  over Q.

Roots:  a = 2^(1/3),  a*w,  a*w^2  where w = e^(2*pi*i/3) is a primitive cube root of 1.

Step 1: adjoin a.  [Q(a):Q] = 3  (x^3-2 is Eisenstein at p=2, so irreducible).
   But Q(a) is REAL, it cannot contain the complex roots a*w, a*w^2.
Step 2: adjoin w (root of x^2 + x + 1).  [Q(a,w):Q(a)] = 2.

Tower law:  [Q(a,w):Q] = 3 * 2 = 6.

So the splitting field has degree 6, not 3 — splitting needs the
roots of unity, not just one real cube root.  (Its Galois group is S_3.)
x³ − 2 需要 6 次才能分裂:一个实根不够。

唯一性与正规性

分裂域在 K-同构意义下唯一——同一个 f 的任意两个分裂域之间存在一个固定 K 的同构。证明是整个学科的核心技术引理:基域之间的一个同构可以逐根地延拓为分裂域之间的同构,因为每个根的 极小多项式 被送到另一边的一个不可约因子。这个 嵌入延拓 论证值得掌握;它驱动伽罗瓦理论中的一切。

一个有限扩张 L/K 是正规的,当它以全有或全无的方式捕获根:若 K[x] 中一个不可约多项式在 L 中有*一个*根,它就在 L 中有它*全部*的根。干净的定理:对有限扩张,正规 ⟺ L 是某个 K 上多项式的分裂域。正规性是“没有被捉到一半的根”这一条件;你在第一卷里已瞥见它,是使伽罗瓦理论运转的一部分。

闭合的宇宙

把分裂推到极限,你就得到一个代数闭域:其中*每个*非常数多项式都已分解为线性片段。ℂ 是著名的例子——这正是 代数基本定理。K 的一个 代数闭包 K̄ 是 K 的一个代数扩张,且它自身代数闭;它是 K 上*所有*多项式的共同分裂域。

携带两个事实:每个域都有代数闭包,且它在(非典范的)同构意义下唯一。存在性证明需要佐恩引理——要诚实地承认这确实是非构造性的——但一旦有了 K̄,K 的每个代数扩张都嵌入其中。这就是为什么人们说“固定一个 代数闭包”并在其中工作:它是所有根栖居、所有 嵌入 落脚的环境房间。