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分圆、库默尔与有限域

三类伽罗瓦群完全可算的家族:分圆扩张给出 (Z/nZ)^×,库默尔扩张给出由 n 次根搭建的循环群,而每个有限域扩张都是循环的,由弗罗贝尼乌斯生成。它们是一切交换情形背后的基本构件。

分圆:群是 (Z/nZ)^×

设 ζ 为本原 n 次单位根,考虑分圆扩张 Q(ζ)/Q。任何自同构 σ 把 ζ 送到另一个本原 n 次根,故 σ(ζ)=ζ^a,其中 a 与 n 互素。映射 σ ↦ a (mod n) 是到单位群 (Z/nZ)^× 的单同态,且因 n 次分圆多项式 Φ_n 在 Q 上不可约而是满的。于是 Gal(Q(ζ)/Q) ≅ (Z/nZ)^×,是一个 φ(n) 阶的交换群。

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 阶循环群,及其两个真子域。

库默尔:由 n 次根得到的循环扩张

现在固定一个已含 n 次单位根的基域 K(于是我们工作在分圆步骤的“下游”)。添加一个 n 次根:L = K(α),α^n = a ∈ K。这是一个库默尔扩张,且为次数整除 n 的循环扩张。理由直接:任何 σ ∈ Gal(L/K) 把 α 送到 a 的另一个 n 次根,它必为某个 ζ^k α,ζ 是 K 中的单位根。指派 σ ↦ ζ^{k} 是到 n 次单位根群 μ_n(循环群)的单射,故 Gal(L/K) 循环。

这正是第 3 篇所用的逆命题:当基域有足够多的单位根时,*n 次循环就等同于添加一个 n 次根*。根式塔的每个循环层都是一个库默尔扩张。于是分圆与库默尔合起来恰好制造出根式所能到达的“分段交换”扩张——这就是可解群与根式可解性重合的结构性原因。

有限域:弗罗贝尼乌斯包办一切

有限域给出所有情形中最干净的伽罗瓦理论。对每个素数幂 q=p^n 恰有一个 q 元域 F_q,且 F_{p^n}/F_p 是伽罗瓦的。其群由弗罗贝尼乌斯映射 φ: x ↦ x^p 生成,它固定 F_p(费马:a^p=a)且阶恰为 n。于是有限域的伽罗瓦群循环的,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} 的子域恰为 d | 6 的 F_{2^d}——约数格。