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细致地度量伽罗瓦群

把伽罗瓦群重新定义为固定基域的自同构,通过数嵌入来数它的大小,并精确确定何时 |Aut(L/K)| 能达到次数 [L:K]。这条不等式是后面一切的支点。

固定地板的自同构

从具体处入手。给定域扩张 L/K,宽松意义下的伽罗瓦群是 Aut(L/K),即固定 K 中每个元素的 L 的域自同构构成的群。每个这样的 σ 都置换任何系数在 K 中的多项式的根,因为对 p(α)=0 作用 σ 得到 p(σα)=0。于是自同构不能把根送到非根:伽罗瓦群完全活在根集的对称性之内。这一个观察就是整个学科的引擎。

但 Aut(L/K) 可能小得令人尴尬。取 K=Q,L=Q(∛2)。任何 σ 必须把 ∛2 送到 x³−2 的某个根,而另外两个根是复数,L 却嵌在 R 内。于是 σ 除了把 ∛2 送回自身之外无处可送:尽管 [L:K]=3,Aut(L/K) 仍是平凡群。群之所以太小,是因为 L 不正规——它没有包含它起步用的极小多项式的所有根。

用嵌入来计数

数自同构有一种干净的方法。固定 K 的一个代数闭包,去数 L 到其中的 K-嵌入。对单扩张 K(α) 而言,一个嵌入由它把 α 送到何处决定,而 α 可以送到其极小多项式 m 的任意根。于是嵌入的个数等于 m 的不同根的个数。若 m 次数为 n 且无重根,则恰得 n 个嵌入。

沿塔逐个添加生成元,嵌入个数相乘——它本身沿塔具有乘性,与次数的塔定律相呼应。这个计数称为可分次数 [L:K]_s,它总是不超过 [L:K]。两者恰好相等当且仅当途中每个极小多项式都有不同的根,即当扩张是可分的时。

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).
通过为每个生成元各选一个根而构造出的 4 元伽罗瓦群。

并置的两个条件

正规修补第一种失败:L/K 正规当且仅当 L 是 K 上的分裂域,于是到闭包的每个嵌入像都是 L——每个嵌入*就是*一个自同构。可分修补第二种失败:它迫使 [L:K]_s = [L:K]。两者合起来便有 |Aut(L/K)| = [L:K]_s = [L:K]。这条等式 |Gal(L/K)| = [L:K],就是我们在本轨道余下部分将依赖的伽罗瓦的可操作定义。