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◎学习目标
- 掌握域 \(F\) 的自同构群 \(\operatorname{Aut}(F)\) 的定义与基本性质:\(F\) 上全部自同构在复合下构成群;
- 理解\(F\)-自同构(限制在子域 \(F\) 上为恒等)的定义,并定义 Galois 群 \(\operatorname{Gal}(K/F)\);
- 认识共轭(conjugates):\(\alpha\) 在 \(F\) 上的共轭是其极小多项式在代数闭包中各不同的根;自同构把 \(\alpha\) 映到它的某个共轭;
- 理解 Galois 扩张(normal + separable):\(E\) 是 \(F\) 的分裂域且可分;此时 \(|\operatorname{Gal}(E/F)| = [E:F]\);
- 掌握不动域(fixed field)\(E^{G} = \{x \in E \mid \sigma(x) = x,\ \forall \sigma \in G\}\) 的定义;
- 了解 Galois 对应(Galois 理论基本定理):中间域与 \(\operatorname{Gal}(E/F)\) 的子群之间建立反序的双射;
- 通过若干例子(\(\mathbb{Q}(\sqrt{2})\)、\(\mathbb{Q}(i)\)、\(\mathbb{Q}(\omega)\)、\(\mathbb{C}/\mathbb{R}\))动手计算 Galois 群,并验证 \(\mathbb{Q}\) 与 \(\mathbb{R}\) 的自同构群都只有恒等映射。
1回顾与引入:从环的自同构到域的自同构 ⏱ 00:00
今天我们来看域的自同构群和 Galois 群,简单地看它们的定义和几个简单的例子就好。⏱ 00:05
前面学习环的自同构群时,已经知道环的自同构群是怎么定义的。现在把域看作一种特殊的环,自然也可以考虑域的自同构群。⏱ 00:13
2域的自同构群 \(\operatorname{Aut}(F)\) ⏱ 00:31
我们沿用环上的记号,域 \(F\) 到自身的全部自同构(既保持加法、又保持乘法的同构映射),在复合运算下构成一个群,称为 \(F\) 的自同构群,记作 \(\operatorname{Aut}(F)\)。⏱ 00:40
特别地,我们要考虑的是一种特别的自同构:限制在某个子域上为恒等映射的自同构。⏱ 01:28
2.1 回顾:\(\operatorname{Aut}(\mathbb{Q}) = \{1\}\) ⏱ 06:25
我们在前面证明过:有理数域的自同构群只有恒等映射。证明思路(本讲再次梳理):
- 设 \(\sigma\) 是 \(\mathbb{Q}\) 上的自同构。因为要保持乘法,考虑 \(1 = 1^2\),有 \(\sigma(1) = \sigma(1)^2\),所以 \(\sigma(1) = 1\);⏱ 07:17
- 保持加法:\(2 = 1+1\),故 \(\sigma(2) = 2\);类似地对任意正整数 \(n\),\(n = \underbrace{1+\cdots+1}_{n} \),故 \(\sigma(n) = n\);⏱ 08:17
- \(0\) 必须映到 \(0\);负整数:\(\sigma(-n) = -\sigma(n) = -n\);⏱ 09:47
- 对整数倒数 \(1/n\):\(\sigma(m) = \sigma(n \cdot \tfrac{m}{n}) = n\,\sigma(\tfrac{m}{n})\),因为 \(\sigma(m) = m\),得 \(\sigma(\tfrac{m}{n}) = \tfrac{m}{n}\);⏱ 11:23
- 因此对任意 \(r \in \mathbb{Q}\) 都有 \(\sigma(r) = r\),即 \(\operatorname{Aut}(\mathbb{Q})\) 只有恒等映射。⏱ 12:58
2.2 证明:\(\operatorname{Aut}(\mathbb{R}) = \{1\}\) ⏱ 13:29
证明思路分两步:单调性 + 有理数在实数轴上的稠密性。
证明(点击展开)
若 \(x > 0\),可写 \(x = (\sqrt{x})^2\)。因为 \(\sigma\) 保持乘法,\(\sigma(x) = \sigma(\sqrt{x})^2\),它作为实数的平方必然 \(\ge 0\);又 \(x > 0\),故 \(\sigma(x) > 0\)。于是若 \(a > b\),则 \(a - b > 0\),所以 \(\sigma(a) - \sigma(b) = \sigma(a-b) > 0\),即 \(\sigma(a) > \sigma(b)\)。⏱ 14:58
现在用反证法:假设 \(\sigma(s) = t \ne s\),不妨设 \(t > s\)。因为 \(\mathbb{Q}\) 在 \(\mathbb{R}\) 中稠密,存在有理数 \(r\) 满足 \(s < r < t\)。由保序性:\(r - s > 0 \Rightarrow \sigma(r-s) > 0\);但 \(r\) 是有理数,\(\sigma(r) = r\),且已假设 \(\sigma(s) = t\),故 \(r - t > 0\)。这与 \(r < t\) 矛盾。所以 \(t = s\),即任意实数 \(s\) 都被 \(\sigma\) 映到自身,\(\operatorname{Aut}(\mathbb{R})\) 只有恒等映射。⏱ 17:28
3\(F\)-自同构与 Galois 群 \(\operatorname{Gal}(K/F)\) ⏱ 01:33
设 \(K\) 是 \(F\) 的扩域(记作 \(K/F\),或 \(K \supseteq F\)),考虑大域 \(K\) 上的自同构。要求满足一个额外的条件:限制在子域 \(F\) 上为恒等映射——即把 \(F\) 中的任何一个元素都映到自身。⏱ 02:07
3.1 多项式的 Galois 群 ⏱ 04:25
特别地,若 \(K\) 取为 \(F[x]\) 中某个多项式的分裂域,那么对应的 Galois 群 \(\operatorname{Gal}(K/F)\) 就称为这个多项式的 Galois 群。⏱ 05:02
折叠:为什么 \(\operatorname{Gal}(K/F)\) 是子群(补充说明)
设 \(\sigma, \tau \in \operatorname{Gal}(K/F)\)。对任意 \(a \in F\):\((\sigma \circ \tau)(a) = \sigma(\tau(a)) = \sigma(a) = a\),所以 \(\sigma \circ \tau\) 仍限制在 \(F\) 上为恒等。逆映射同理。恒等映射显然在 \(F\)-自同构集合中。因此这是 \(\operatorname{Aut}(K)\) 的子群。
4多项式的 Galois 群 ⏱ 05:41
回到 \(F[x]\) 中多项式 \(f(x)\) 的分裂域 \(K\)(即 \(K\) 是 \(f\) 在 \(F\) 上代数扩张的分裂域)。那么 \(\operatorname{Gal}(K/F)\) 就称为多项式 \(f\) 的 Galois 群。这是「Galois 群」一词最常用的用法——后面 Galois 理论里几乎所有例子(比如高次方程可解性、\(x^5 - 2\) 的根域等)都会通过「多项式的 Galois 群」来描述。
5共轭(conjugates) ⏱ 05:41
直观理解:\(\alpha\) 与 \(\sigma(\alpha)\) 满足同一个极小多项式,因此它们「在 \(F\) 看来无法区分」,都是 \(m_\alpha\) 的根。
折叠:共轭与自同构的对应(详细论证)
- \(\alpha \in K\) 在 \(F\) 上代数,设 \(m_\alpha(x)\) 是它的极小多项式,\(m_\alpha(\alpha) = 0\)。
- 对任意 \(\sigma \in \operatorname{Aut}(K)\)(假设 \(\sigma\big|_F = \mathrm{id}\)),把多项式系数用 \(\sigma\) 作用:因为系数在 \(F\) 中、被 \(\sigma\) 固定,得到 \(m_\alpha(\sigma(\alpha)) = \sigma(m_\alpha(\alpha)) = 0\)。即 \(\sigma(\alpha)\) 仍是 \(m_\alpha\) 的根。
- 因此 \(\sigma(\alpha)\) 是 \(m_\alpha\) 在 \(\overline{F}\) 中的某个根——即 \(\alpha\) 的某个共轭。
- 反过来,若 \(K\) 是 \(m_\alpha\) 的分裂域(\(K\) 正常且可分),则对每个共轭 \(\beta\),存在 \(\sigma \in \operatorname{Aut}(K)\)(限制在 \(F\) 上为恒等)使得 \(\sigma(\alpha) = \beta\)。也就是说,「\(F\)-自同构的轨道 = 共轭集合」在分裂域情形是双射的。
总结:共轭是「代数信息」,自同构是「对称操作」;Galois 群在共轭上自由作用——这是 Galois 理论基本定理的核心动机。
6Galois 扩张与 \(\lvert\operatorname{Gal}(E/F)\rvert = [E:F]\)
- 正规(normal):\(E\) 是 \(F\) 中某个多项式的分裂域(等价:\(E\) 中任何在 \(F\) 上极小多项式有一个根在 \(E\) 内的,则全部根都在 \(E\) 中);
- 可分(separable):\(E\) 中每个元素在 \(F\) 上的极小多项式在 \(\overline{F}\) 中都是单根(即无重根)。
折叠:\(\lvert\operatorname{Gal}(E/F)\rvert = [E:F]\) 在可分分裂域下的论证
设 \(E\) 是 \(F\) 上可分多项式 \(f(x)\) 的分裂域(\(f\) 无重根)。
第一步 · 上界(\(\lvert\operatorname{Gal}(E/F)\rvert \le [E:F]\)):
把 \(E\) 看成 \(F\)-向量空间,维数 \([E:F]\)。每个 \(\sigma \in \operatorname{Gal}(E/F)\) 把 \(E\) 映入自身;若 \(\sigma = \mathrm{id}\) 在 \(E\) 上,则它作为 \(F\)-线性映射是零元。由「自同构群 ≤ 域扩张维数对应的映射个数」的一般论证(用极小多项式的根数),可得上界。更严格地,若 \(E\) 是 \(n\) 次可分多项式的分裂域,由可分性每个 \(F\)-嵌入进代数闭包都有不同的像,共 \(n\) 个不同的 \(F\)-嵌入,即 \(\operatorname{Gal}(E/F)\) 最多 \(n\) 个元素。
第二步 · 下界(\(\lvert\operatorname{Gal}(E/F)\rvert \ge [E:F]\)):
用「正规 + 可分」的关键性质:若 \(E/F\) 是 Galois 扩张,则「\(F\)-嵌入进 \(\overline{F}\)」恰好 \([E:F]\) 个,且每个嵌入的像都落在 \(E\) 中(正规性保证分裂域在共轭嵌入下封闭)。因此 所有 \(F\)-嵌入都是 \(E \to E\) 的自同构,即 \(\operatorname{Hom}_F(E,E) = \operatorname{Gal}(E/F)\)。
关键定理(嵌入计数):若 \(E\) 是 \(F\) 上 \(n\) 次可分多项式的分裂域,则 \(E\) 到 \(\overline{F}\) 的 \(F\)-嵌入恰好 \(n\) 个(即 \([E:F]\) 个)。
综合两步:\(\lvert\operatorname{Gal}(E/F)\rvert = [E:F]\)。等号成立当且仅当 \(E/F\) 既是可分的、又是正规的——也就是 Galois 扩张。
非可分情形:若 \(E/F\) 不可分,会有重根,嵌入数少于 \([E:F]\),等式不再成立;这正是「Galois 扩张」定义中把可分性单列出来的原因。
7不动域 \(E^{G}\) 与 Galois 对应(预告)
8具体例子
8.1 例 1 · \(\mathbb{C}/\mathbb{R}\):复数域上的 \(\mathbb{R}\)-自同构群 ⏱ 20:41
\(\mathbb{C}\) 是 \(\mathbb{R}\) 的扩域。考虑 \(\mathbb{C}\) 上全体 \(\mathbb{R}\)-自同构(即限制在 \(\mathbb{R}\) 上为恒等)。
- \(i^2 = -1\) 在 \(\mathbb{R}\) 中,故 \(\sigma(i)^2 = \sigma(i^2) = \sigma(-1) = -1\);
- 在 \(\mathbb{C}\) 中 \(\sigma(i)^2 = -1\) 只有两个解:\(\sigma(i) = i\) 或 \(\sigma(i) = -i\)。
8.2 例 2 · \(\mathbb{Q}(\sqrt{2})/\mathbb{Q}\)
设 \(E = \mathbb{Q}(\sqrt{2})\)。元素形如 \(a + b\sqrt{2}\)(\(a, b \in \mathbb{Q}\)),\([E:\mathbb{Q}] = 2\)。
8.3 例 3 · \(\mathbb{Q}(i)/\mathbb{Q}\)
元素形如 \(a + bi\)(\(a, b \in \mathbb{Q}\)),\([E:\mathbb{Q}] = 2\)。极小多项式 \(x^2 + 1\),根 \(i, -i\)。
8.4 例 4 · \(\mathbb{Q}(\omega)/\mathbb{Q}\),\(\omega\) 是 \(x^3 - 1\) 的根
\(x^3 - 1 = (x - 1)(x^2 + x + 1)\)。取 \(\omega = e^{2\pi i/3}\)(\(\omega^3 = 1\),\(\omega \ne 1\)),则 \(\mathbb{Q}(\omega)\) 是二次域(\(\omega\) 的极小多项式是 \(x^2 + x + 1\))。元素形如 \(a + b\omega\)(\(a, b \in \mathbb{Q}\)),\([E:\mathbb{Q}] = 2\)。
| 例子 | \([E:F]\) | \(\lvert\operatorname{Gal}(E/F)\rvert\) | Galois 群 | 是否 Galois 扩张 |
|---|---|---|---|---|
| \(\mathbb{C}/\mathbb{R}\) | 2 | 2 | \(\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\) | 是 |
| \(\mathbb{Q}(\sqrt{2})/\mathbb{Q}\) | 2 | 2 | \(\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\) | 是 |
| \(\mathbb{Q}(i)/\mathbb{Q}\) | 2 | 2 | \(\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\) | 是 |
| \(\mathbb{Q}(\omega)/\mathbb{Q}\) | 2 | 2 | \(\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\) | 是 |
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 把「\(F\)-自同构」与「一般自同构」混淆:\(F\)-自同构必须限制在 \(F\) 上为恒等;\(\operatorname{Gal}(K/F)\) 是 \(\operatorname{Aut}(K)\) 的子群,不是全部。
- 认为任意 \(\sigma \in \operatorname{Gal}(E/F)\) 把 \(\alpha\) 映到「任意一个共轭」:实际上 \(\sigma(\alpha)\) 只能是 \(m_\alpha\) 的根之一,不能脱离共轭集合;且并非每个共轭都能被同一个 \(\sigma\) 命中——要看共轭之间的 Galois 群轨道。
- 在非 Galois 扩张上套用 \(\lvert\operatorname{Gal}\rvert = [E:F]\):该等式只在「正规 + 可分」(即 Galois 扩张)时成立。例如 \(\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2})/\mathbb{Q}\) 不可分(其实这里是三次实根,极小多项式三次,但不是可分的分裂域),Gal 群更小。
- 把 \(x^3 - 1\) 直接当作 \(\mathbb{Q}(\omega)\) 的极小多项式:\(x^3 - 1\) 在 \(\mathbb{Q}\) 上可分解为 \((x-1)(x^2+x+1)\),\(\mathbb{Q}(\omega)\) 的极小多项式是 \(x^2 + x + 1\)(二次),所以 \(\mathbb{Q}(\omega)/\mathbb{Q}\) 仍是二次域。
- 误以为 \(\operatorname{Aut}(\mathbb{R})\) 有非平凡元素:实数域的自同构只有恒等映射(保序 + 有理数稠密性)。
- 不动域 \(E^G\) 与「\(G\) 的固定域」混淆:\(E^G\) 是域(封闭),而 \(G\) 不是「固定域」,\(G\) 是群——它们是不同层次的物体。
- Galois 对应方向搞反:中间域包含关系 越大,对应子群 越小(反序双射);不是顺序。
✎自测与作业
- 设 \(E = \mathbb{Q}(\sqrt{3})\)。写出 \(\operatorname{Gal}(E/\mathbb{Q})\) 的全部元素,并验证 \(\lvert\operatorname{Gal}\rvert = [E:\mathbb{Q}]\)。
- 设 \(\alpha\) 在 \(F\) 上的极小多项式是 \(m(x) = (x-a)(x-b)(x-c)\)(\(a, b, c\) 不同)。证明对任意 \(\sigma \in \operatorname{Gal}(E/F)\)(\(E\) 包含 \(a,b,c\)),\(\sigma(\alpha)\) 只能是 \(a, b, c\) 之一。
- 证明 \(\operatorname{Aut}(\mathbb{R}) = \{1\}\)(使用保序性 + 有理数稠密性的反证法,见第 2.2 节)。
- 设 \(E = \mathbb{Q}(\sqrt[3]{2})\)。计算 \([E:\mathbb{Q}]\),并说明为什么 \(\lvert\operatorname{Gal}(E/\mathbb{Q})\rvert \ne [E:\mathbb{Q}]\)(提示:\(E\) 不是 \(\mathbb{Q}\) 的分裂域)。
- (作业)设 \(K = \mathbb{Q}(\sqrt{2}, \sqrt{3})\)。计算 \([K:\mathbb{Q}]\) 并求 \(\operatorname{Gal}(K/\mathbb{Q})\)(提示:考虑基 \(\{1, \sqrt{2}, \sqrt{3}, \sqrt{6}\}\);每个 \(\sqrt{2}\)、\(\sqrt{3}\) 都可独立变号,共 4 个自同构)。
- 设 \(G\) 是域 \(E\) 的自同构群,\(H \le G\)。验证 \(E^{H}\) 是 \(E\) 的子域(即对加法、乘法、求逆封闭)。