logo
УМКД алгебра, 2курс

2. Простое алгебраическое расширение поля.

Пусть дано произвольное числовое множество М. Очевидно, всегда найдутся числовые поля, которые содержат все числа множества М, например, поле С.

Минимальным полем Р{М}, которое содержит данное числовое множество М, называется поле, которое является пересечением всех числовых полей, содержащих множество М.

Ясно, что для всякого множества М минимальное поле Р{М} всегда существует и является подполем произвольного другого числового поля, которое содержит множество М.

Примеры:

1. М = {1}. Тогда каждое числовое поле содержит это множество. Минимальным полем, которое содержит это число 1, есть, очевидно, поле Q. Действительно, поле Q принадлежит всем числовым полям. С другой стороны, никакое иррациональное число не может принадлежать всем числовым полям, ибо оно не принадлежит хотя бы числовому полю Q. Поэтому естественно поле Q назвать просто минимальным числовым полем.

  1. Рассмотрим минимальное поле, содержащее число . Очевидно, что это - поле Q( ) чисел вида а + b , где а и b - произвольные рациональные числа. Действительно, это числовое множество образует поле, которое, очевидно, содержит . С другой стороны, каждое другое поле Р, которое содержит , должно содержать и всё поле Q( ), ибо вместе с рациональными числами и числом в Р должны входить все числа а + b , которые являются результатом сложения и умножения указанных чисел.

  1. Пусть Р - произвольное поле, Р. Простым расширением поля Р с помощью элемента называется наименьшее поле, содержащее множество Р и элемент .

Обозначим это минимальное поле F{Р, }. Это поле действительно минимальное расширение поля Р с помощью , так как всякое расширение поля Р, которое содержит , будет содержать и F{Р, }, по определению минимального поля.

Аналогично можно рассматривать расширение Р( , ,…, ), образованное присоединением нескольких чисел , ,…, к полю Р, то есть минимальное поле F{Р, , ,…, }, которое содержит как Р, так и числа , ,…, . Расширение, образованное присоединением одного числа часто называют простым.

Определение 4. Поле Р( ), образованное присоединением к полю Р числа , алгебраического относительно поля Р, называется простым алгебраическим расширением поля Р.

Структура простого алгебраического расширения характеризуется следующей теоремой.

Теорема 1. Поле Р( ), образованное из поля Р, присоединением корня , неприводимого над полем Р многочлена n-ой степени

f(х) = х + а х +... + а х + a

состоит из всех чисел вида = с + с + с + ... + с (2), где с , с ,..., c - произвольные числа из поля Р.

Доказательство: Покажем сначала, что числа вида (2) образуют поле. То, что сумма и разность чисел вида (2) являются числами того же вида, очевидно. Рассмотрим произведение и частное таких чисел. Число вида (2) можно рассматривать, как результат подстановки вместо х в некоторый многочлен q(х) над полем Р не выше (n - 1)-ой степени. = q( ). Пусть имеем два числа = q ( ), = q ( ). Тогда произведение = q ( )q ( ) = q( ), где q(х) - многочлен степень которого уже может превышать n-1. Разделим q(х) на f(х) с остатком.

Имеем: q(х) = f(х) (х) + r(х) (3)

где степень остатка r(х) меньше степени многочлена f(х), то есть не превышает n-1. Подставляя в тождество (3), имеем q( ) = r( ), то есть = r( ). Другими словами, произведение чисел и есть число вида (2), ибо r(х) - многочлен, степень которого не превышает n-1.

Перейдём к рассмотрению частного. Достаточно показать, что для всякого числа = q( ) 0 вида (2) тоже будет числом вида (2). Так как f(х) - неприводимый над полем Р многочлен, то многочлен q(х) или взаимно простой с f(х), или делится на f(х). Но последнее невозможно, так как степень q( ) меньше степени f( ), поэтому (f,q)=1.

Для взаимно простых многочленов, как известно, справедлива теорема о том, что существует единственная пара многочленов (х) и (х), таких что, выполняется тождество

f(х) (х) + q(х) (х)=1.

Полагая здесь х = и учитывая, что f( ) = 0, получим q( ) ( ) = 1, то есть ( ) = 1. Следовательно, = ( ). Если многочлен (х) имеет степень меньше n, то утверждение доказано. Если же степень многочлена (х) больше или равна n, то делим (х) на f(х) с остатком, т.е. полагаем (х) = f(х) (х) + г(х), откуда ( ) = r( ) = и степень r( ) меньше n. Тем самым - тоже является числом вида (2).

Следовательно, числа вида (2) действительно образуют поле. Обозначим его Р . Остается доказать, что Р = Р( ). Так как поле Р содержит как поле Р, так и число , то оно содержит и Р( ), которое по определению является минимальным полем с такими свойствами, т.е. Р Р( ). С другой стороны, всякое поле, которое содержит и и Р, должно включать и все числа вида (2), которые образуются из чисел поля Р с помощью операций сложения и умножения. Значит, Р( ) Р . Из двух найденных включений вытекает, что

Р = Р( ).

Следствие: Если - корень многочлена второй степени над полем Р f(х) = х2 + pх + q, причем Р, то простое алгебраическое расширение Р( ) поля Р, образованное присоединением числа состоит из всех чисел вида а + b , где а, b - произвольные числа поля Р.

Примеры:

3. Поле Q( ) образуется присоединением к полю Q корня неприводимого в поле Q многочлена второй степени f(х) = х2 - 2. Элементы поля Q( ) имеют вид а + b , где а, b - рациональные числа.

4. Рассмотрим структуру поля Q( ). Число = является корнем неприводимого над полем Q многочлена третьей степени f(х) = х3 - 2. Поэтому все элементы этого поля Q( ) по теореме 1 имеют вид:

=с + c + c , где с , с , с2 - рациональные числа.

5. Поле С комплексных чисел образуется, как известно, из поля R действительных чисел присоединением к нему корня i неприводимого над R многочлена второй степени f(x) = x + 1

Из доказанной теоремы вытекает, что все элементы поля С, т.е. все комплексные числа имеют вид = а + bi, где а, b R.

Введем такое определение.

Определение 5: Если - корень квадратного трехчлена над полем Р не принадлежит полю Р, то простое алгебраическое расширение Р( ), образованное из поля Р присоединением к нему , называется квадратичным расширением поля Р.

Рассмотренное выше поле Q( ) есть, очевидно, квадратичное расширение поля Q, образованное присоединением корня многочлена f(х) = х2 - 2.