JOVANA
Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
All guides

亲手做一遍基本定理

Gal(L/K) 的子群与中间域之间的对应——逆序且保次数,正规子群对应正规子扩张。我们借助阿廷定理证明关键的一半,然后从一个具体例子上读出完整的格。

互相抵消的两个映射

固定一个伽罗瓦扩张 L/K,群为 G = Gal(L/K)。有两个自然映射。向上:子群 H ⊆ G 对应其不动域 L^H = { x ∈ L : 对所有 σ ∈ H 有 σx = x },这是一个中间域 K ⊆ L^H ⊆ L。向下:中间域 F 对应 Gal(L/F),即逐点固定 F 的自同构,这是 G 的一个子群。基本定理断言这两个映射互为逆的双射。

两个映射都逆转包含关系——更大的子群固定更少的元素,故更大的 H 给出更小的 L^H。这使得该对应成为两个之间的逆序双射,是一个恰好构成完美对偶的伽罗瓦连接的实例。一个格的底(平凡子群,固定一切:L^{1}=L)对应另一个格的顶,反之亦然。

为何是双射:阿廷

困难的方向是:传到不动域时绝不丢失信息。阿廷定理承担了重活:若 H 是 L 的自同构构成的有限群,则 L 在其不动域 L^H 上是伽罗瓦的,Gal(L/L^H) = H,且关键地 [L : L^H] = |H|。于是子群 H 恰好被重构为 Gal(L/L^H)。反方向,因 L/F 也是伽罗瓦的,故 |Gal(L/F)| = [L:F],且 L^{Gal(L/F)} = F。两次往返都闭合。

正规对应正规

最后一条款最为漂亮。中间域 F 在 K 上正规恰当其子群 H = Gal(L/F) 是 G 的正规子群,此时限制给出 Gal(F/K) = G/H。‘正规’一词在两种意义上的吻合并非巧合:对每个 σ ∈ G 有 σ(F)=F 是域论的表述,而 σHσ⁻¹ = H 是它在群里的翻译。商群 G/H 正是作为底层那段的伽罗瓦群而诞生的。

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.
克莱因四元群例子的完整“子群—域”字典。