抽象代数 · 课程学习笔记

第 35 讲 · 域扩张

Field Extensions
进度 35 / 38 讲 核心概念:域扩张 · 代数/超越 · 极小多项式 · 次数 [E:F] · 单扩张
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◎学习目标

  1. 理解域扩张(扩域) \(E \supseteq F\) 的定义:\(F\) 是 \(E\) 的子域;认识 \(\mathbb{Q} \subset \mathbb{R} \subset \mathbb{C}\) 与 \(\mathbb{Q}(\sqrt{2}) \subset \mathbb{R}\) 等例子;
  2. 掌握有限域 \(\mathbb{F}_q\) 的基本形态:\(q = p^r\),有限域的元素个数必为素数的幂;
  3. 区分代数元(algebraic element)与超越元(transcendental element):\(\alpha\) 是 \(F\) 上代数元 \(\Leftrightarrow\) 存在 \(F\) 上非零多项式 \(f\) 使 \(f(\alpha) = 0\);
  4. 掌握单扩张(simple extension) \(F(\alpha)\) 的记号与「\(\alpha\) 为生成元(primitive element)」的含义,会写 \(F(\alpha_1,\dots,\alpha_n)\);
  5. 理解极小多项式 \(m_{\alpha,F}\)(首一、次数最小的零化多项式)的存在与不可约性,掌握定理 \(F[\alpha] \cong F[x]/(m_{\alpha})\);
  6. 掌握向量空间视角:\(E\) 是 \(F\) 上的向量空间,次数 \([E:F]\) 即维数;\([F(\alpha):F] = \deg m_{\alpha,F}\);
  7. 了解次数乘法公式 \([K:E][E:F] = [K:F]\)(有限扩张情形)。

1回顾域的定义 · 扩域与子域 ⏱ 00:00

本讲正式进入域论(field theory)。先快速回顾域的定义(前面讲环时已经出现过)。

定义 · 域(field) ⏱ 00:44 一个含幺交换环 \(F\) 若满足「每个非零元都有乘法逆元」,则称 \(F\) 为域。从两个运算的角度看就是三条:
  1. \((F, +)\) 是(阿贝尔)加法群;
  2. \((F', \cdot)\)(\(F' = F \setminus \{0\}\),乘法单位元记为 \(1\))是交换乘法群;
  3. 分配律:\((a+b)c = ac + bc\)(\(a, b, c \in F\) 任意)。

1.1 子域与扩域 ⏱ 02:44

定义 · 子域 / 扩域(field extension) 设 \(F \subseteq K\) 且 \(F, K\) 都是域,则称 \(F\) 是 \(K\) 的子域(subfield);称 \(K\) 是 \(F\) 的扩域(扩张),记作 \(K \supset F\)。
常见例子
  • \(\mathbb{Q} \subset \mathbb{R} \subset \mathbb{C}\):有理数域 \(\subset\) 实数域 \(\subset\) 复数域;⏱ 04:04
  • \(\mathbb{Q}(\sqrt{2}) = \{ a + b\sqrt{2} : a, b \in \mathbb{Q} \}\):每个元素都可写成 \(a + b\sqrt{2}\)(\(a, b \in \mathbb{Q}\)),它本身是一个域(\(\sqrt{2}\) 是代数元,后面会看到),因此有扩张序列 ⏱ 04:31
    \[ \mathbb{Q} \subset \mathbb{Q}(\sqrt{2}) \subset \mathbb{R} \subset \mathbb{C}. \]
例 · 直接验证 \(\mathbb{Q}(\sqrt{2})\) 是域 ⏱ 05:10 不必用代数元理论,可以直接验证:含幺交换环这一条显然成立;关键是每个非零元都有逆元。设 \(a + b\sqrt{2} \neq 0\)(即 \(a, b\) 不全为 \(0\),\(a, b \in \mathbb{Q}\)),把它「有理化」:
\[ \bigl(a + b\sqrt{2}\bigr) \cdot \frac{a - b\sqrt{2}}{a^2 - 2b^2} = 1, \] 即逆元为
\[ (a + b\sqrt{2})^{-1} = \frac{a}{a^2 - 2b^2} - \frac{b}{a^2 - 2b^2}\,\sqrt{2} \in \mathbb{Q}(\sqrt{2}). \]
分母 \(a^2 - 2b^2 \neq 0\)(若为 \(0\) 则 \(a/b = \sqrt{2}\) 为有理数,矛盾),且系数仍是有理数,故逆元仍在 \(\mathbb{Q}(\sqrt{2})\) 中。
本讲路线 ⏱ 07:12 扩域例子 \(\to\) 有限域 \(\mathbb{F}_q\) \(\to\) 代数元 / 超越元 \(\to\) 单扩张 \(F(\alpha)\) 与生成元 \(\to\) 极小多项式与同构定理 \(F[\alpha] \cong F[x]/(m_\alpha)\) \(\to\) 向量空间视角与次数 \([E:F]\) \(\to\) 次数公式与例子。

2有限域 \(\mathbb{F}_q\) ⏱ 07:21

定义 · 有限域 ⏱ 07:27 元素个数有限的域称为有限域。若 \(F\) 是域且 \(|F| < \infty\),则称 \(F\) 为有限域。

2.1 例子:\(\mathbb{F}_p = \mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\) ⏱ 08:04

设 \(p\) 为素数。剩余类环 \(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\) 中每个非零元都有逆元(前面已证),故它是一个域,记作 \(\mathbb{F}_p\),共有 \(p\) 个元素。

2.2 有限域的一般形态 ⏱ 08:46

命题(预告)· 有限域的阶 ⏱ 08:57 若 \(q = p^r\)(\(p\) 为素数,\(r\) 为正整数),则存在恰有 \(q\) 个元素的有限域 \(\mathbb{F}_q\);反过来,任何有限域的元素个数都必是某个素数的幂。本讲先建立「有限域长什么样」的粗印象,后续章节会给出完整证明。
记号 有限域通常记作 \(\mathbb{F}_q\)(\(q = p^r\))。例如 \(\mathbb{F}_4\) 有 \(4\) 个元素、\(\mathbb{F}_9\) 有 \(9\) 个元素。

3代数元与超越元 ⏱ 09:40

设 \(K \supset F\) 是一个域扩张。对 \(K\) 中的某个元素 \(\alpha\),我们关心它「相对于 \(F\) 有多复杂」——是否存在 \(F\) 上的非零多项式以它为根。

定义 · 代数元(algebraic element) ⏱ 10:23 若存在 \(F\) 上的非零多项式 \(f \in F[x]\) 使得 \(f(\alpha) = 0\),则称 \(\alpha\) 为 \(F\) 上的代数元。
定义 · 超越元(transcendental element) ⏱ 11:29 若 \(F[x]\) 中不存在任何非零多项式以 \(\alpha\) 为根,则称 \(\alpha\) 为 \(F\) 上的超越元。

3.1 代数元的例子 ⏱ 13:03

3.2 超越元的例子 ⏱ 14:15

\(\pi\) 和 \(e\) 都是 \(\mathbb{Q}\) 上的超越元(不满足任何有理系数非零多项式)。

小结 代数元与超越元的区分是后续单扩张、极小多项式、次数 \([E:F]\) 等概念的基础。若 \(\alpha\) 是代数元,则 \(F(\alpha)\) 作为 \(F\) 的向量空间是有限维的;若 \(\alpha\) 是超越元,则 \(F(\alpha)\) 与 \(\alpha\) 关于 \(F\) 的多项式环(自由)同构,维数无限。

4单扩张 \(F(\alpha)\) 与生成元 ⏱ 14:46

设 \(K \supset F\) 为域扩张,\(\alpha \in K\)。考虑「包含 \(F\) 和 \(\alpha\) 的最小的域」。

定义 · 单扩张 / 由一个元素生成的扩域 ⏱ 15:13 记 \(F[\alpha]\) 为包含 \(F\) 与 \(\alpha\) 的最小环(即 \(F\) 关于 \(\alpha\) 的多项式环,形如 \(a_0 + a_1\alpha + \cdots + a_n\alpha^n\),\(a_i \in F\))。 则 \(F(\alpha)\) 记包含 \(F\) 与 \(\alpha\) 的最小域,即 \(F[\alpha]\) 的分式域(field of fractions of \(F[\alpha]\))。
\[ F(\alpha) \;=\; \text{包含 } F \text{ 和 } \alpha \text{ 的最小域}. \]
称这种「由添加一个元素生成」的扩张为单扩张(simple extension),称 \(\alpha\) 为 生成元(primitive element,本原元)。⏱ 18:03
推广 · 多个生成元 ⏱ 19:15 若 \(\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n \in K\),则记
\[ F(\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n) \] 为 \(K\) 中包含 \(F\) 与全部 \(\alpha_1, \dots, \alpha_n\) 的最小(子)域(加法和乘法仍取自 \(K\))。
例 · 单扩张
  • \(\mathbb{Q}(\sqrt{2})\):有理数域添加 \(\sqrt{2}\) 生成;
  • \(\mathbb{Q}(\mathrm{i})\):有理数域添加虚数单位 \(\mathrm{i}\) 生成;
  • \(\mathbb{Q}(\sqrt{2}, \sqrt{3})\):有理数域同时添加 \(\sqrt{2}\) 与 \(\sqrt{3}\) 生成(双生成元,非单扩张)。
结构与 \(\alpha\) 的类型有关 ⏱ 17:33 \(F(\alpha)\) 与 \(F[\alpha]\) 之间的关系取决于 \(\alpha\) 是代数元还是超越元:
  • \(\alpha\) 为超越元:\(F(\alpha) \cong F(x)\)(\(F\) 上 \(x\) 的有理函数域),且 \(F[\alpha] \cong F[\alpha]\)(自由多项式环);
  • \(\alpha\) 为代数元:\(F[\alpha] = F(\alpha)\)(已经是一个域)——下一条定理给出。

5极小多项式与同构定理 ⏱ 20:35

设 \(K \supset F\),\(\alpha \in K\) 是 \(F\) 上的代数元。在 \(F[x]\) 中所有以 \(\alpha\) 为根的非零多项式中,取次数最小的,并把首项系数化为 \(1\)(乘以首系数的逆),得到唯一的首一、次数最小的多项式。

定义 · 极小多项式(minimal polynomial) ⏱ 21:04 设 \(\alpha\) 为 \(F\) 上的代数元。满足 \(m_{\alpha,F}(\alpha) = 0\) 的次数最小、首一的 \(F[x]\) 中多项式,称为 \(\alpha\) 关于 \(F\) 的极小多项式(minimal polynomial,亦称最小多项式),记作 \(m_{\alpha,F}\)(或 \(m_\alpha\))。
\[ m_{\alpha,F} \in F[x], \quad \deg m_{\alpha,F} > 0, \quad m_{\alpha,F}(\alpha) = 0, \quad \text{首项系数 } = 1. \]
命题 · 极小多项式一定不可约 ⏱ 38:10 \(m_{\alpha,F}\) 在 \(F[x]\) 中不可约。
证明(点击展开)

反证:设 \(m_{\alpha,F}\) 可约,则可写为 \(m_{\alpha,F} = gh\)(\(g, h \in F[x]\),\(\deg g, \deg h < \deg m_{\alpha,F}\) 且都非零)。代入 \(\alpha\):\(g(\alpha)h(\alpha) = m_{\alpha,F}(\alpha) = 0\)。由于 \(F\) 是域(\(K\) 是整环、无零因子),必有 \(g(\alpha) = 0\) 或 \(h(\alpha) = 0\);但 \(g, h\) 的次数都严格小于 \(m_{\alpha,F}\),与 \(m_{\alpha,F}\) 的「次数最小」矛盾。故 \(m_{\alpha,F}\) 不可约。

5.1 同态与核 ⏱ 25:44

定义满同态 \(\varphi: F[x] \to F[\alpha]\),\(\varphi(f) = f(\alpha)\)(把 \(x\) 换成 \(\alpha\))。核为

\[ \ker \varphi = \{\, f \in F[x] : f(\alpha) = 0 \,\}. \]
分两种情况:

5.2 定理:代数元情形下的同构 ⏱ 41:47

定理 ⏱ 42:07 设 \(\alpha\) 为 \(F\) 上的代数元,极小多项式 \(m_{\alpha,F}\)。则
\[ F[x] \,/\, \bigl(m_{\alpha,F}\bigr) \;\cong\; F(\alpha) \quad (\text{作为域的同构}). \]
且 \(F[\alpha] = F(\alpha)\)(在代数元情形下,「最小环」已经是「最小域」)。
证明思路(点击展开)
  1. 定义满同态 \(\varphi: F[x] \to F[\alpha]\),\(\varphi(f) = f(\alpha)\);
  2. \(\ker\varphi = (m_{\alpha,F})\)(主理想整环中非零理想由唯一的首一生成元生成,该生成元必为极小多项式);
  3. \(m_{\alpha,F}\) 不可约 \(\Rightarrow\) \((m_{\alpha,F})\) 是极大理想 \(\Rightarrow\) 商环 \(F[x]/(m_{\alpha,F})\) 是域;
  4. 由同态基本定理 \(F[x]/(m_{\alpha,F}) \cong F[\alpha]\);左边是域,右边也必须是域,故 \(F[\alpha] = F(\alpha)\)。
例 · \(\mathbb{Q}(\sqrt{2}) \cong \mathbb{Q}[x]/(x^2 - 2)\) \(\sqrt{2}\) 关于 \(\mathbb{Q}\) 的极小多项式为 \(x^2 - 2\),于是
\[ \mathbb{Q}(\sqrt{2}) \;\cong\; \mathbb{Q}[x] / (x^2 - 2). \]

5.3 推广到多个代数元 ⏱ 43:01

推论(对 \(n\) 用归纳法) 设 \(\alpha_1, \dots, \alpha_n\) 都是 \(F\) 上的代数元,则
\[ F[\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n] \;=\; F(\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n) \] 即多个代数元生成的「最小环」也已是「最小域」。
归纳法证明思路(点击展开)

基础 \(n = 1\):由上面定理,\(F[\alpha_1] = F(\alpha_1)\)。

归纳假设:设 \(F[\alpha_1, \dots, \alpha_{r-1}] = F(\alpha_1, \dots, \alpha_{r-1})\)。

归纳步:把 \(F[\alpha_1, \dots, \alpha_{r-1}]\) 看作一个新的(域)「基域」,记为 \(E\)。由于 \(\alpha_r\) 也是代数元,由 \(n=1\) 的结论

\[ E[\alpha_r] = E(\alpha_r), \]
而 \(E[\alpha_r] = F[\alpha_1, \dots, \alpha_r]\),\(E(\alpha_r) = F(\alpha_1, \dots, \alpha_r)\)。故归纳成立。

6向量空间视角 · 次数 \([E:F]\) ⏱ 46:47

核心观察 ⏱ 47:00 设 \(E \supset F\) 为域扩张。把 \(F\) 里的元素当作「标量」、\(E\) 里的元素当作「向量」,则 \(E\) 天然是一个 \(F\) 上的向量空间:
  • 加法:\(E\) 作为域的加法;
  • 数乘:\(k \in F\),\(u \in E\),定义 \(k \cdot u\) 为 \(E\) 中通常的乘法。验证 \((k+\ell)u = ku + \ell u\)、\(k(\ell u) = (k\ell)u\)、\(1 \cdot u = u\) 都成立——因为它们都发生在同一个域 \(E\) 内。
定义 · 扩张次数 / 维数 ⏱ 50:11 把 \(E\) 看作 \(F\) 上的向量空间,其维数记作
\[ [E : F] \;=\; \dim_F E. \] 称之为域扩张 \(E \supset F\) 的次数(degree of the extension)。若 \([E:F] = n < \infty\),称 \(E\) 为 \(F\) 的有限扩张(finite extension)。

6.1 例子 ⏱ 51:30

例 1 · \([\mathbb{C} : \mathbb{R}] = 2\) 复数域 \(\mathbb{C}\) 作为实数域 \(\mathbb{R}\) 上的向量空间,基为 \(\{1, \mathrm{i}\}\)(每个复数 \(a + b\mathrm{i}\) 唯一写成 \(a \cdot 1 + b \cdot \mathrm{i}\)),故维数(次数)为 \(2\)。
例 2 · \([\mathbb{Q}(\sqrt{2}) : \mathbb{Q}] = 2\) 每个元素可唯一写成 \(a + b\sqrt{2}\)(\(a, b \in \mathbb{Q}\)),基为 \(\{1, \sqrt{2}\}\),次数为 \(2\)。

6.2 极小多项式与次数 ⏱ 53:05

定理 · \([F(\alpha) : F] = \deg m_{\alpha,F}\) 设 \(\alpha\) 为 \(F\) 上的代数元,极小多项式 \(m_{\alpha,F}\) 次数为 \(n\)。则 \(F(\alpha)\) 作为 \(F\) 上的向量空间维数恰为 \(n\),基为
\[ \{\, 1, \alpha, \alpha^2, \dots, \alpha^{n-1} \,\}, \qquad [F(\alpha) : F] = n = \deg m_{\alpha,F}. \]
反之,若 \(F(\alpha)\) 作为 \(F\) 上的向量空间是有限维的,则 \(\alpha\) 必为 \(F\) 上的代数元。
证明:[F(α):F] = deg m_α(点击展开)

(1)生成性:设 \(m_{\alpha,F}(x) = x^n + b_{n-1}x^{n-1} + \cdots + b_1 x + b_0\)(首一)。代入 \(\alpha\):

\[ \alpha^n = -b_{n-1}\alpha^{n-1} - \cdots - b_1\alpha - b_0, \]
故 \(\alpha^n\) 可用 \(1, \alpha, \dots, \alpha^{n-1}\) 表示。递推下去,\(\alpha^k\)(\(k \ge n\))都可表示为 \(1, \alpha, \dots, \alpha^{n-1}\) 的 \(F\) 线性组合。所以 \(F(\alpha)\) 中每个元素 \(a_0 + a_1\alpha + \cdots\) 都可用 \(1, \alpha, \dots, \alpha^{n-1}\) 线性表达。

(2)线性无关性:假设 \(\sum_{i=0}^{n-1} c_i \alpha^i = 0\)(\(c_i \in F\),不全为 \(0\)),则对应多项式 \(g(x) = \sum_{i=0}^{n-1} c_i x^i\) 满足 \(g(\alpha) = 0\) 且 \(\deg g \le n-1 < n = \deg m_{\alpha,F}\),与 \(m_{\alpha,F}\) 的「次数最小」矛盾。故系数必全为 \(0\),即 \(\{1, \alpha, \dots, \alpha^{n-1}\}\) 线性无关。⏱ 57:02

(3)维数:生成且线性无关 \(\Rightarrow\) 基,维数 \(= n\)。

(4)反之:设 \(\dim_F F(\alpha) = n < \infty\),则 \(1, \alpha, \dots, \alpha^n\) 共 \(n+1\) 个元素必线性相关,存在不全为 \(0\) 的 \(a_0, \dots, a_n \in F\) 使 \(\sum_{i=0}^n a_i \alpha^i = 0\),即非零多项式 \(h(x) = \sum a_i x^i\) 满足 \(h(\alpha) = 0\),故 \(\alpha\) 为代数元。

6.3 极小多项式的次数依赖于底域 ⏱ 53:22

例 · 同一个元素在不同底域上极小多项式不同 以 \(\sqrt{2}\) 为例:
  • 相对 \(\mathbb{Q}\):\(m_{\sqrt{2},\,\mathbb{Q}} = x^2 - 2\),次数 \(2\);
  • 相对 \(\mathbb{R}\):\(m_{\sqrt{2},\,\mathbb{R}} = x - \sqrt{2}\),次数 \(1\)(因为 \(\sqrt{2} \in \mathbb{R}\) 本身)。
这说明「极小多项式」必须同时指明元素和底域。

7次数乘法公式与例子 ⏱ 60:00

命题 · 次数乘法公式(有限扩张) 若 \(K \supset E \supset F\) 为域扩张且 \([K:E]\)、\([E:F]\) 都有限,则
\[ [K : F] \;=\; [K : E] \cdot [E : F]. \]
证明思路(点击展开)

设 \(\{e_1, \dots, e_m\}\) 为 \(E\) 作为 \(F\) 的向量空间的一组基(\(m = [E:F]\)),\(\{k_1, \dots, k_n\}\) 为 \(K\) 作为 \(E\) 的向量空间的一组基(\(n = [K:E]\))。则 \(\{k_i e_j : 1 \le i \le n,\ 1 \le j \le m\}\) 为 \(K\) 作为 \(F\) 的向量空间的一组基(共 \(nm\) 个),故 \([K:F] = n \cdot m = [K:E][E:F]\)。

(有限维数情形;若某段次数为无穷,公式自然约定为无穷。)

例 · \([\mathbb{Q}(\sqrt{2}) : \mathbb{Q}] = 2\) 基 \(\{1, \sqrt{2}\}\),次数 \(2\);
\[ m_{\sqrt{2},\,\mathbb{Q}} = x^2 - 2 \quad (\text{不可约}). \]
例 · \([\mathbb{Q}(\mathrm{i}) : \mathbb{Q}] = 2\) 基 \(\{1, \mathrm{i}\}\),次数 \(2\);
\[ m_{\mathrm{i},\,\mathbb{Q}} = x^2 + 1. \]
例 · \([\mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3}) : \mathbb{Q}] = 4\) 先 \(\mathbb{Q}(\sqrt{2})\)(次数 \(2\)),再 \(\mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3}) = \mathbb{Q}(\sqrt{2})(\sqrt{3})\)。因为 \(\sqrt{3} \notin \mathbb{Q}(\sqrt{2})\)(若 \(\sqrt{3} = a + b\sqrt{2}\) 平方得 \(3 = a^2 + 2b^2 + 2ab\sqrt{2}\),故 \(ab = 0\);\(b=0\) 时 \(3 = a^2\) 矛盾;\(a=0\) 时 \(3 = 2b^2\) 矛盾),故 \(\sqrt{3}\) 关于 \(\mathbb{Q}(\sqrt{2})\) 仍是代数元且极小多项式 \(x^2 - 3\) 次数 \(2\)。由乘法公式 \([\mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3}):\mathbb{Q}] = 2 \cdot 2 = 4\),基为 \(\{1, \sqrt{2}, \sqrt{3}, \sqrt{6}\}\)。
预告 · 本原元素定理 ⏱ 61:30 下一讲将给出:有限可分扩张(finite separable extension)必为单扩张,即存在一个元素(本原元素 primitive element)生成整个扩张。本讲只建立了「单扩张」的框架;本原元素定理把「多生成元」情形收束到「单生成元」,是域论中一个里程碑式的结论。

★重点回顾

1
域扩张(field extension)\(E \supseteq F\):\(F\) 为 \(E\) 的子域;常见例子 \(\mathbb{Q} \subset \mathbb{R} \subset \mathbb{C}\)、\(\mathbb{Q}(\sqrt{2}) \subset \mathbb{R}\)。
2
有限域 \(\mathbb{F}_q\):\(q = p^r\)(\(p\) 为素数,\(r\) 为正整数);最简单的有限域 \(\mathbb{F}_p = \mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\)。
3
代数元 \(\Leftrightarrow\) 存在 \(F\) 上非零多项式 \(f\) 使 \(f(\alpha)=0\);超越元 \(\Leftrightarrow\) 不存在这样的多项式(例:\(\pi, e\) 是 \(\mathbb{Q}\) 上的超越元;\(\sqrt{2}, \mathrm{i}\) 是 \(\mathbb{Q}\) 上的代数元)。
4
单扩张 \(F(\alpha)\):由 \(F\) 和 \(\alpha\) 生成的最小域;\(\alpha\) 称为生成元(primitive element);推广到 \(F(\alpha_1, \dots, \alpha_n)\)。
5
极小多项式 \(m_{\alpha,F}\):\(F[x]\) 中零化 \(\alpha\) 的次数最小、首一多项式;必不可约;\(\ker(f \mapsto f(\alpha)) = (m_{\alpha,F})\)。
6
代数元情形:\(F[x]/(m_{\alpha,F}) \cong F(\alpha)\)(域同构),且 \(F[\alpha] = F(\alpha)\);\(\{1, \alpha, \dots, \alpha^{n-1}\}\) 是 \(F(\alpha)\) 作为 \(F\)-向量空间的基,\([F(\alpha):F] = n = \deg m_{\alpha,F}\)。
7
向量空间视角:\(E\) 作为 \(F\)-向量空间,次数 \([E:F] = \dim_F E\);有限扩张 = 维数有限。
8
次数乘法公式:\(K \supset E \supset F\) 时 \([K:F] = [K:E]\,[E:F]\)(有限维数情形)。
9
例子:\([\mathbb{C}:\mathbb{R}]=2\)、\([\mathbb{Q}(\sqrt{2}):\mathbb{Q}]=2\)、\([\mathbb{Q}(\mathrm{i}):\mathbb{Q}]=2\)、\([\mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3}):\mathbb{Q}]=4\)。
10
预告:本原元素定理——有限可分扩张必为单扩张(由一个元素生成)。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆「代数元」与「超越元」:判据是「是否存在 \(F\) 上非零多项式以 \(\alpha\) 为零」。零多项式不算——任何 \(\alpha\) 都使 \(0 \cdot \alpha = 0\)。
  2. 极小多项式必须首一:若只取「次数最小」而忘了首一化,结果不唯一(可以乘以任意非零标量)。一定要乘以首系数的逆,得到首项系数为 \(1\) 的唯一多项式。
  3. 极小多项式的次数依赖底域:\(m_{\sqrt{2},\,\mathbb{Q}} = x^2-2\),但 \(m_{\sqrt{2},\,\mathbb{R}} = x-\sqrt{2}\);写极小多项式时必须同时指明底域。
  4. \(F[\alpha]\) 与 \(F(\alpha)\) 不同:\(F[\alpha]\) 是最小环(多项式环),\(F(\alpha)\) 是最小域(分式域)。仅当 \(\alpha\) 是代数元时才有 \(F[\alpha] = F(\alpha)\);超越元时 \(F(\alpha) = F(\alpha)_{\text{frac}}\),是 \(F[\alpha]\) 的分式域。
  5. 次数有限 \(\Leftrightarrow\) 代数元:\([F(\alpha):F] < \infty\) 时 \(\alpha\) 必为代数元;反之若 \(\alpha\) 为代数元则 \([F(\alpha):F]\) 有限。两个方向都要记。
  6. 次数乘法公式只对有限扩张成立:若 \([K:E]\) 或 \([E:F]\) 无穷,则 \([K:F]\) 也无穷,公式意义有限。
  7. \(\mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3})\) 次数是 \(4\) 不是 \(2\):两个 \(\sqrt{}\) 不能合并成一个生成元(本讲尚未证明本原元素定理;有限可分情形下才是 \(4\),由本原元素定理生成——下预告)。
  8. 基的个数 = 次数:\(\{1, \alpha, \dots, \alpha^{n-1}\}\) 共 \(n\) 个基,维数 \(n = \deg m_{\alpha,F}\),不要写多一个 \(\alpha^n\)。

✎自测与作业

  1. 判断下列元素是否是有理数域 \(\mathbb{Q}\) 上的代数元:\(\sqrt{5}\)、\(\sqrt[3]{2}\)、\(\pi\)、\(e\)、\(2\pi\);对代数元请写出一个 \(\mathbb{Q}[x]\) 中以其为根的非零多项式。
  2. 求 \(\sqrt{2} + \sqrt{3}\) 关于 \(\mathbb{Q}\) 的极小多项式 \(m_{\alpha,\mathbb{Q}}\)(提示:设 \(\alpha = \sqrt{2}+\sqrt{3}\),逐步消去根号),并求 \([\mathbb{Q}(\sqrt{2}+\sqrt{3}): \mathbb{Q}]\)。
  3. 证明:若 \(\alpha\) 是 \(F\) 上的代数元且 \(m_{\alpha,F}\) 次数为 \(n\),则 \(F(\alpha)\) 作为 \(F\) 上的向量空间维数为 \(n\),基为 \(\{1, \alpha, \dots, \alpha^{n-1}\}\)(即完成「\([F(\alpha):F] = \deg m_{\alpha}\)」的完整证明)。
  4. 设 \(K \supset E \supset F\) 为域扩张且 \([K:E] = 3\)、\([E:F] = 4\)。利用次数乘法公式求 \([K:F]\);若 \(E\) 作为 \(F\)-向量空间基为 \(\{e_1, e_2, e_3, e_4\}\)、\(K\) 作为 \(E\)-向量空间基为 \(\{k_1, k_2, k_3\}\),写出 \(K\) 作为 \(F\)-向量空间的一组基。
  5. 验证 \(\mathbb{Q}(\sqrt{2})\) 中每个元素可唯一写成 \(a + b\sqrt{2}\)(\(a, b \in \mathbb{Q}\));并求 \((a + b\sqrt{2})^{-1}\) 的显式表达(\(a, b\) 不全为 \(0\))。
  6. 判断 \([\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}):\mathbb{Q}]\) 等于多少;写出 \(\sqrt[3]{2}\) 关于 \(\mathbb{Q}\) 的极小多项式,并说明为什么它的次数为 \(3\)(而不是 \(1\) 或 \(2\))。
下一讲预告 第 36 讲 · 有限可分扩张与本原元素:有限可分扩张(finite separable extension)必为单扩张(存在本原元素 primitive element 生成整个扩张),即 \([E:F]\) 有限可分时 \(E = F(\theta)\);共轭共轭(conjugate)根的关系。