第15章 域
15.1 扩域
定义15.1(子域和扩域)
当F是域, F ′ ⊆ F , F ′ ≠ ∅ F'\subseteq F,F'\neq\varnothing F′⊆F,F′=∅,称 F’ 是 F 的子域,F 是 F‘ 的扩域
定理15.1 域K为F的扩域,那么域K就是F上的线性空间
线性空间:
定义了加法和数乘
证明:
关于乘法
- 1 也是 K 中的单位元
- λ ∈ F , k , l ∈ K \lambda\in F,k,l\in K λ∈F,k,l∈K,有 λ ⋅ ( k + l ) = λ ⋅ k + λ ⋅ l \lambda\cdot(k+l)=\lambda\cdot k+\lambda\cdot l λ⋅(k+l)=λ⋅k+λ⋅l
- λ , μ ∈ F , k ∈ K \lambda,\mu\in F,k\in K λ,μ∈F,k∈K,有 ( λ + μ ) ⋅ k = λ ⋅ k + μ ⋅ k (\lambda+\mu)\cdot k=\lambda\cdot k+\mu\cdot k (λ+μ)⋅k=λ⋅k+μ⋅k
- λ , μ ∈ F , k ∈ K \lambda,\mu\in F,k\in K λ,μ∈F,k∈K,有 ( λ ⋅ μ ) ⋅ k = λ ⋅ ( μ ⋅ k ) (\lambda\cdot\mu)\cdot k=\lambda\cdot(\mu\cdot k) (λ⋅μ)⋅k=λ⋅(μ⋅k)
关于加法,K 满足可结合,可交换,有单位元,有逆元
定义15.2(扩张次数)
扩域 K 作为 F 上的线性空间,其维数称 K 关于 F 的扩张次数,记为 [ K : F ] [K:F] [K:F] 。
例题15.1(2)
Z
3
[
x
]
/
(
x
2
+
1
)
Z_3[x]/(x^2+1)
Z3[x]/(x2+1) 关于
Z
3
Z_3
Z3 的扩张系数
由例题14.16知, Z 3 [ x ] / ( x 2 + 1 ) = { ( x 2 + 1 ) + a + b x ∣ a , b ∈ Z 3 } Z_3[x]/(x^2+1)=\{(x^2+1)+a+bx|a,b\in Z_3\} Z3[x]/(x2+1)={(x2+1)+a+bx∣a,b∈Z3}
基为(1,x),所以 Z 3 [ x ] / ( x 2 + 1 ) : Z 3 = 2 = d e g ( x 2 + 1 ) Z_3[x]/(x^2+1):Z_3=2=deg\ (x^2+1) Z3[x]/(x2+1):Z3=2=deg (x2+1)
例15.1结论:域上的多项式环关于某个不可约多项式生成的理想所导出的域关于原系数域的扩张关系是 d e g p ( x ) deg\ p(x) deg p(x)
定理15.2 已知 F 为域,p(x)为 F[x]中的不可约多项式,deg p(x)=n 。令 K = F [ x ] / ( p ( x ) ) K=F[x]/(p(x)) K=F[x]/(p(x)),则 [ K : F ] = d e g p ( x ) = n [K:F]=deg\ p(x)=n [K:F]=deg p(x)=n
K = { ( p ( x ) ) + a 0 + a 1 x + ⋯ + a n − 1 x n − 1 ∣ a i ∈ F , 0 ≤ i ≤ n − 1 } K=\{(p(x))+a_0+a_1x+\dots+a_{n-1}x^{n-1}|a_i\in F,0\le i\le n-1\} K={(p(x))+a0+a1x+⋯+an−1xn−1∣ai∈F,0≤i≤n−1}
( 1 , x , … , x n − 1 ) (1,x,\dots,x^{n-1}) (1,x,…,xn−1)是 F 上线性空间 K 的一组基
定理15.3 已知L是K的有限扩域,K为F的有限扩域,则
[
L
:
F
]
=
[
L
:
K
]
[
K
:
F
]
[L:F]=[L:K][K:F]
[L:F]=[L:K][K:F]
证明:
设 [ K : F ] = m , ( μ 1 , … , μ m ) [K:F]=m,(\mu_1,\dots,\mu_m) [K:F]=m,(μ1,…,μm)为其一组基; [ L : K ] = n , ( v 1 , … , v n ) [L:K]=n,(v_1,\dots,v_n) [L:K]=n,(v1,…,vn)为其一组基
x = ∑ i = 1 n a i ⋅ v i , a i ∈ K a i = ∑ j = 1 m b i j ⋅ μ j , b i j ∈ F x=\sum_{i=1}^na_i\cdot v_i,a_i\in K\\ a_i=\sum_{j=1}^mb_{ij}\cdot\mu_j,b_{ij}\in F x=i=1∑nai⋅vi,ai∈Kai=j=1∑mbij⋅μj,bij∈F
综上有
x = ∑ i = 1 n ∑ j = 1 m b i j ⋅ μ j v i x=\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^mb_{ij}\cdot\mu_jv_i x=i=1∑nj=1∑mbij⋅μjvi
接下来证明 ( v 1 μ 1 , … , v n μ m ) (v_1\mu_1,\dots,v_n\mu_m) (v1μ1,…,vnμm)线性无关:
例15.2
Q为有理数域,
K
=
Q
[
x
]
/
(
x
3
−
2
)
K=Q[x]/(x^3-2)
K=Q[x]/(x3−2)与Q之间没有别的域,因为
[
K
:
Q
]
=
d
e
g
(
x
3
−
2
)
=
3
[K:Q]=deg(x^3-2)=3
[K:Q]=deg(x3−2)=3是一个素数
定义15.3(单扩域)
设 K 为 F 的扩域,任取 a ∈ K a\in K a∈K, F ( a ) F(a) F(a)是将 a 添加到 F 得到的最小的域
经过多次扩张,可记为 L = F ( a 1 , … , a k ) L=F(a_1,\dots,a_k) L=F(a1,…,ak)
定义15.4(素域)
一个没有真子域的域
- 有理数域Q是素域
特征数
char F
:任何整环的特征数(定理14.8)或为素数或为0
定理15.4(域中非零元同阶)
定理15.4 设
[
F
;
+
,
⋅
]
[F;+,\cdot]
[F;+,⋅]为域,则
[
F
;
+
]
[F;+]
[F;+]中的非零元同阶,皆为char F
证明:
设a的阶为n,b的阶为m,
( n a ) b = ( a + a + ⋯ + a ) b = ( a b + a b + ⋯ + a b ) = a ( n b ) = 0 (na)b=(a+a+\dots+a)b=(ab+ab+\dots+ab)=a(nb)=0 (na)b=(a+a+⋯+a)b=(ab+ab+⋯+ab)=a(nb)=0
所以n|m且m|n,则m=n当char F=0 时,元素的阶为 ∞ \infty ∞
推论15.1* 当K为F的扩域时,char K=char F
定理15.5 F为域,则必包含一个素子域 Δ \Delta Δ,且
- char F=0时, Δ ≅ Q \Delta\cong Q Δ≅Q
- char F=p时, Δ ≅ Z p \Delta\cong Z_p Δ≅Zp
证明:
char F=0时,设 F 的单位元为 e ,令
Δ = { ( n e ) ⋅ ( m e ) − 1 ∣ n , m ∈ Z , m ≠ 0 } \Delta=\{(ne)\cdot(me)^{-1}|n,m\in Z,m\neq0\} Δ={(ne)⋅(me)−1∣n,m∈Z,m=0}
显然 Δ ⊆ F \Delta\subseteq F Δ⊆F,证明任意元素相减和相乘属于 Δ \Delta Δ,且有乘法逆元,则是域作映射 ϕ : Δ → Q \phi:\Delta\to Q ϕ:Δ→Q
ϕ ( ( n e ) ⋅ ( m e ) − 1 ) = n / m ∈ Q \phi((ne)\cdot(me)^{-1})=n/m\in Q ϕ((ne)⋅(me)−1)=n/m∈Q
这是一个同构映射char F=p时,令
Δ = 0 = p ⋅ e , e , … , ( p − 1 ) e \Delta={0=p\cdot e,e,\dots,(p-1)e} Δ=0=p⋅e,e,…,(p−1)e
对于任意非零元ke,有 ( k , p ) = 1 (k,p)=1 (k,p)=1,所以存在 s k + t p = 1 sk+tp=1 sk+tp=1,即 k s = 1 ( m o d p ) ks=1(mod\ p) ks=1(mod p),因此 ( k e ) − 1 = s e (ke)^{-1}=se (ke)−1=se, Δ \Delta Δ是域作同构映射
ϕ ( k e ) = [ k ] \phi(ke)=[k] ϕ(ke)=[k]
15.2 代数元和根域
定义15.5(代数元)
代数元属于扩域 K ,是域F上一个多项式=0的解,否则叫超越元
例题15.3
(1) 2 \sqrt 2 2是 x 2 − 2 ∈ Q x^2-2\in Q x2−2∈Q的根,它是Q的代数元
(3)判断 2 3 + 5 \sqrt[3]2+\sqrt5 32+5是否是Q的代数元
(4)判断 c o s 2 π 5 cos\frac{2\pi}5 cos52π是否为Q上的代数元
x = 2 3 + 5 x − 5 = 2 3 ⋯ x=\sqrt[3]2+\sqrt5\\ x-\sqrt5=\sqrt[3]2\\ \dotsi x=32+5x−5=32⋯
(4)
令 c o s 2 π 5 = x , s i n 2 π 5 = y ,则 x 5 − 10 x 3 + 5 x y 4 = 1 ,代入 x 2 + y 2 = 1 可解 cos\frac{2\pi}5=x,sin\frac{2\pi}5=y,则x^5-10x^3+5xy^4=1,代入x^2+y^2=1可解 cos52π=x,sin52π=y,则x5−10x3+5xy4=1,代入x2+y2=1可解
定义15.6(极小多项式)
如果p(x)的首项系数为1,且它是F[x]中a为根的多项式中次数最低的,称它为 a a a在 F F F上的极小多项式
定理15.6 a为F的代数元,p(x)为其在F上的极小多项式,则
- p(x)不可约
- f(a)=0则p(x)|f(x)
- p(x)是唯一的
证明:
假如可约,g(a)=0 或 q(a)=0,矛盾
f(x)=p(x)g(x)+r(x),将a代入得
r ( a ) = 0 r(a)=0 r(a)=0
除非r(x)=0,否则极小多项式为r(x)p 1 ( x ) = μ p ( x ) , μ ∈ F p_1(x)=\mu p(x),\mu\in F p1(x)=μp(x),μ∈F,而p(x)与p1(x)首项系数均为1,所以 μ = 1 , p 1 ( x ) = p ( x ) \mu=1,p_1(x)=p(x) μ=1,p1(x)=p(x)
推论15.2 p ( x ) ∈ F [ x ] p(x)\in F[x] p(x)∈F[x],首项系数为1,在F上不可约,又有p(a)=0,则p(x)为a在域F上的极小多项式
定义15.7(代数扩域)
当 K 中每个元素都是 F 的代数元时,称 K 为 F 的代数扩域
F ( a 1 , … , a n ) F(a_1,\dots,a_n) F(a1,…,an)为包含 F 的最小代数扩域,当n=1时,称单代数扩域
定理15.7 已知 a 为域 F 上的代数元, p ( x ) ∈ F [ x ] p(x)\in F[x] p(x)∈F[x]为 a 在 F 上的极小多项式, d e g p ( x ) = n > 1 deg\ p(x)=n>1 deg p(x)=n>1,则
- F ( a ) ≅ F [ x ] / ( p ( x ) ) F(a)\cong F[x]/(p(x)) F(a)≅F[x]/(p(x))
- F ( a ) F(a) F(a) 中的元素可唯一表示为 a 0 + a 1 a + ⋯ + a n − 1 a n − 1 , a i ∈ F a_0+a_1a+\dots+a_{n-1}a^{n-1},a_i\in F a0+a1a+⋯+an−1an−1,ai∈F
推论15.3 在定理15.7中当deg p(x)=n时[F(a):F]=n
定理15.8 F(a)和F(b)是域F上的两个单代数扩域,a和b在F上有着相同的极小多项式p(x),则 F ( a ) ≅ F ( b ) F(a)\cong F(b) F(a)≅F(b)
定理15.9 域 F ≅ F ‾ F\cong\overline{F} F≅F, φ \varphi φ 为其同构映射,规定其上的代数元 a , b a,b a,b极小多项式有相同的形式,且 φ ( a i ) = a i ‾ \varphi(a_i)=\overline{a_i} φ(ai)=ai,则 F ( a ) ≅ F ‾ ( b ) F(a)\cong\overline{F}(b) F(a)≅F(b)
习题15.9:任何有限扩域均为代数扩域
需证E上每个元素a都是代数元
设[E:F]=n,对任意a,则 1 , a , . . . , a n 1,a,...,a^n 1,a,...,an,n+1个元素线性相关,即存在不全为0的元素bi,使得
b 0 + b 1 a + ⋯ + b n a n = 0 b_0+b_1a+\dots+b_na^n=0 b0+b1a+⋯+bnan=0
所以a是 b 0 + b 1 x + ⋯ + b n x n b_0+b_1x+\dots+b_nx^n b0+b1x+⋯+bnxn的根
定义15.8(根域)
根域N为F满足如下条件的扩域
- f(x)在N上可分解为n个一次因子的乘积
- f(x)在N的任意子域中不能如上分解
根域的存在性和唯一性
定理(根域的存在性)
引理15.1 设p(x)是域F上的不可约多项式,则存在F的一个有限扩域K,p(x)在K中有根
证明:
p ( x ) = a 0 + a 1 x + ⋯ + a n x n p(x)=a_0+a_1x+\dots+a_nx^n p(x)=a0+a1x+⋯+anxn,并由 p 来记p(x)所生成的理想(p(x))
取K=F[x]/(p(x)),可证K中的元素p+x是p(x)的根
a 0 + a 1 ( p + x ) + ⋯ + a n ( p + x ) n = a 0 + ( p + a 1 x ) + ⋯ + ( p + a n x n ) = p + ( a 0 + a 1 x + ⋯ + a n x n ) = p + p ( x ) = p \begin{aligned} &\ \ a_0+a_1(p+x)+\dots+a_n(p+x)^n\\ &=a_0+(p+a_1x)+\dots+(p+a_nx^n)\\ &=p+(a_0+a_1x+\dots+a_nx^n)\\ &=p+p(x)=p \end{aligned} a0+a1(p+x)+⋯+an(p+x)n=a0+(p+a1x)+⋯+(p+anxn)=p+(a0+a1x+⋯+anxn)=p+p(x)=p
p+0即域K的零元
定理15.10 如果f(x)是域F上的多项式, d e g f ( x ) ≥ 1 deg\ f(x)\ge1 deg f(x)≥1,那么存在F的有限扩域K,在K中能把f(x)分解成一次因式的乘积
证明:对deg进行数学归纳
- 推论15.4 F为域,对F[x]中任一多项式f(x)一定存在F的根域
定理15.11 如果 φ : F ≅ F ‾ \varphi:F\cong\overline F φ:F≅F,f(x)和f’(x)都为n阶,且 a i ‾ = φ ( a i ) , i = 0 , 1 , … , n \overline{a_i}=\varphi(a_i),i=0,1,\dots,n ai=φ(ai),i=0,1,…,n,则 φ \varphi φ可开拓为N到N’的同构映射
证明:同定理15.9
思考:一个f(x)生成的扩域可否由一个代数元扩张而来
好像不行,如 ( x + 2 ) ( x + 3 ) (x+\sqrt2)(x+\sqrt3) (x+2)(x+3)
15.3 有限域
定理15.12 F为有限域,则存在素数p使 ∣ F ∣ = p m |F|=p^m ∣F∣=pm
证明:
char F=p 是素数,由定理15.5知:F必含与 Z p Z_p Zp同构的素域 Δ \Delta Δ,又因为F有限,所以 [ F : Δ ] = m ≥ 1 [F:\Delta]=m\ge1 [F:Δ]=m≥1
根据如上定理,对伽罗瓦域作如下定义
定义15.9(伽罗瓦域)
一个具有 p m p^m pm个元素的有限域称 p m p^m pm阶伽罗瓦域,记为GF(pm)
由定理15.12,有限域即伽罗瓦域
定理15.13 设 ∣ F ∣ = p m |F|=p^m ∣F∣=pm,则F是 x p m − x x^{p^m}-x xpm−x在 Δ \Delta Δ上的根域,简记q=pm
证明:
F中所有非零元关于域的乘法构成群,群中每个元素的阶为q-1的因子
故有 x q − 1 = 1 x^{q-1}=1 xq−1=1
(定理:元素的阶整除群的阶)(参考定理13.17)
证明:以x生成循环群(x),循环群的阶整除群的阶
于是 x q − x = 0 x^q-x=0 xq−x=0,在F中有
x q − x = ( x − a 1 ) ( x − a 2 ) … ( x − a q ) x^q-x=(x-a_1)(x-a_2)\dots(x-a_q) xq−x=(x−a1)(x−a2)…(x−aq)
显然 F = Δ ( a 1 , … , a q ) F=\Delta(a_1,\dots,{a_q}) F=Δ(a1,…,aq)
-
推论15.5 GF(pm)中任一元在其素域 Δ \Delta Δ上均有一个极小多项式
由定理15.13知至少有极小多项式 x q − x x^q-x xq−x
定理15.14 两个同阶的伽罗瓦域必同构
证明:
由定理15.5知它们包含同构的素域,由定理15.13知这两个域分别为多项式 x q − x x^q-x xq−x上的根域,再由定理15.11知这两域同构
定义15.2(形式微商)
求f(x)的导数f’(x),是其形式微商
-
引理15.2 f ( x ) ∈ F [ x ] f(x)\in F[x] f(x)∈F[x],a是f(x)的重根,当且仅当在f(x)的根域上(x-a)|f’(x)
说明在f(x)的根域上,a一定是f’(x)的一个根
-
引理15.3 Z p [ x ] Z_p[x] Zp[x]中的多项式xq-x在其根域N上可分解为q个不同因式之积
证明:
如果有 x q − x = ( x − u ) 2 g ( x ) x^q-x=(x-u)^2g(x) xq−x=(x−u)2g(x),
推出(x-u)将整除 q x q − 1 − 1 qx^{q-1}-1 qxq−1−1,而-1是不可约的
定理15.15 多项式 xq-x 在 Zp 上的根域是一个阶 pm 的伽罗瓦域
证明:
由引理15.3知xq-x在N中有q个不同的根,设为 M = { a 1 , … , a q } M=\{a_1,\dots,a_q\} M={a1,…,aq}
只需证M是根域N的一个子域
- 推论15.6 GF(pm)中的元素恰为多项式 x p m − x ∈ Z p [ x ] x^{p^m}-x\in{Z_p[x]} xpm−x∈Zp[x]的pm个根
例15.6
构造GF(125)
G F ( 125 ) = G F ( 5 3 ) ≅ Z 5 [ x ] / ( p ( x ) ) GF(125)=GF(5^3)\cong Z_5[x]/(p(x)) GF(125)=GF(53)≅Z5[x]/(p(x)),其中p(x)是三次不可约多项式,取 p ( x ) = x 3 + x + 1 p(x)=x^3+x+1 p(x)=x3+x+1即可
15.4 本原元与本原多项式
伽罗瓦域实际上是 Z p Z_p Zp上的m维线性空间
G F ( p m ) = { a 1 λ 1 + ⋯ + a m + λ m } GF(p^m)=\{a_1\lambda_1+\dots+a_m+\lambda_m\} GF(pm)={a1λ1+⋯+am+λm}
其中的乘法是多项式相乘,比较复杂
引理15.4 [ G ; ⋅ ] [G;\cdot] [G;⋅]为交换群,a,b在群中,分别以n和m为阶,则存在c的阶为n和m的最小公倍数GCD[n,m]
n=m=1时结果成立
n,m>1时,参考习题13.20,取a’,b’是互素的,有a’b’=GCD(n,m)
引理15.5 [ G ; ⋅ ] [G;\cdot] [G;⋅]为交换群, a ∈ G a\in G a∈G是其中阶最大的元,其阶为n,则任一 x ∈ G x\in G x∈G的阶可整除n
证明:由引理15.4,对任意两个元存在元的阶为GCD(n,m)<=n,故m|n
定理15.16 G F ( p m ) GF(p^m) GF(pm)中非零元全体关于乘法构成循环群
证明:
记 G F ( p m ) ∗ = G F ( p m ) − { 0 } GF(p^m)^*=GF(p^m)-\{0\} GF(pm)∗=GF(pm)−{0}
设a其中阶最大的元,其阶为t
由引理15.5知道任意 x ∈ G F ( p m ) ∗ x\in GF(p^m)^* x∈GF(pm)∗有 x t = 1 x^t=1 xt=1,故任意元素是 x t − 1 x^t-1 xt−1的根,而t项多项式至多有t个根,所以 t ≥ p m − 1 t\ge p^m-1 t≥pm−1,又由lagrange定理知 t ∣ p m − 1 t|p^m-1 t∣pm−1,知 a a a是 [ G F ( p m ) ∗ ; ⋅ ] [GF(p^m)^*;\cdot] [GF(pm)∗;⋅]中的生成元
定义15.10(本原元)
循环群 [ G F ( p m ) ∗ ; ⋅ ] [GF(p^m)^*;\cdot] [GF(pm)∗;⋅]之生成元为本原元
我们由此得到GF(pm)中元素的另一种表示法,其中
β
\beta
β是本原元
G
F
(
p
m
)
=
{
0
,
β
0
=
1
,
β
,
…
,
β
p
m
−
2
}
GF(p^m)=\{0,\beta^0=1,\beta,\dots,\beta^{p^m-2}\}
GF(pm)={0,β0=1,β,…,βpm−2}
例15.7
找出
G
F
(
3
2
)
GF(3^2)
GF(32)之所有本原元
G F ( 3 2 ) = Z 3 [ x ] / ( x 2 + 1 ) = Z 3 ( a ) GF(3^2)=Z_3[x]/(x^2+1)=Z_3(a) GF(32)=Z3[x]/(x2+1)=Z3(a),a为 x 2 + 1 x^2+1 x2+1的一个根(扩域)
G F ( 3 2 ) = { a ⋅ α + b ∣ a , b ∈ Z 3 } = { 0 , 1 , 2 , α , α + 1 , α + 2 , 2 α , 2 α + 1 , 2 α + 2 } \begin{aligned} GF(3^2)&=\{a\cdot\alpha+b|a,b\in Z_3\}\\ &=\{0,1,2,\alpha,\alpha+1,\alpha+2,2\alpha,2\alpha+1,2\alpha+2\} \end{aligned} GF(32)={a⋅α+b∣a,b∈Z3}={0,1,2,α,α+1,α+2,2α,2α+1,2α+2}
由表知阶最大的元有四,它们都是该域的本原元
参照习题15.27可知,本原元个数等于和pm-1互素的数的个数
定义15.11(本原多项式)
设 g ( x ) ∈ Z p [ x ] g(x)\in Z_p[x] g(x)∈Zp[x]是m次不可约多项式,当 k = p m − 1 k=p^m-1 k=pm−1时, g ( x ) ∣ ( x k − 1 ) g(x)|(x^k-1) g(x)∣(xk−1);否则当k<pm-1, g ( x ) ∤ ( x k − 1 ) g(x)\not{|}(x^k-1) g(x)∣(xk−1),称g(x)为Zp上的本原多项式
由定理15.16,任意元素是 x t − 1 x^t-1 xt−1的根
定理15.17 g(x)是本原多项式,当且仅当它的所有根x都是 Z p [ x ] / ( g ( x ) ) = G F ( p m ) Z_p[x]/(g(x))=GF(p^m) Zp[x]/(g(x))=GF(pm)的本原元
例15.8
例15.7中对应的本原元有4个,每两个组成一个本原多项式的两个根,故共两个本原多项式,他们的形式如下
由习题15.30(2):
{ a , a p , a p 2 , … , a p n − 1 } \{a,a^p,a^{p^2},\dots,a^{p^{n-1}}\} {a,ap,ap2,…,apn−1}都是本原元,他们恰好构成f(x)的全部根,所以
f ( x ) = ( x − a ) ( x − a p 1 ) … ( x − a p n − 1 ) f(x)=(x-a)(x-a^{p^1})\dots(x-a^{p^{n-1}}) f(x)=(x−a)(x−ap1)…(x−apn−1)
( x − ( 1 + a ) ) ( x − ( 1 + a 3 ) ) = ( x − ( 1 + a ) ) ( x − ( 1 + 2 a ) ) = x 2 + x − 1 (x-(1+a))(x-(1+a^{3}))=(x-(1+a))(x-(1+2a))=x^2+x-1 (x−(1+a))(x−(1+a3))=(x−(1+a))(x−(1+2a))=x2+x−1( x − ( 2 + a ) ) ( x − ( 2 + a ) 3 ) = ( x − ( 2 + a ) ) ( x − ( 2 + 2 a ) ) = x 2 − x − 1 (x-(2+a))(x-(2+a)^{3})=(x-(2+a))(x-(2+2a))=x^2-x-1 (x−(2+a))(x−(2+a)3)=(x−(2+a))(x−(2+2a))=x2−x−1
疑问:为什么只有这两种形式
由习题15.27:本原元的个数是与 n = 3 2 − 1 n=3^2-1 n=32−1互素的数的个数
本原元的互素数次方是其他的本原元–>等价于本原元有互素数个
例15.9
由已经讲过的内容知
G
F
(
2
4
)
≅
Z
2
[
x
]
/
(
x
4
+
x
+
1
)
GF(2^4)\cong Z_2[x]/(x^4+x+1)
GF(24)≅Z2[x]/(x4+x+1),可以验证p(x)的根a是本原元,于是有下表
习题集
第15章习题一
习题15.2
证明有理数域是素域
证明:
Q中元素是无限阶的,则char Q=0
由定理15.5,Q是域,则其必包含一个素子域 Δ \Delta Δ且 Δ ≅ Q \Delta\cong Q Δ≅Q
易知 Δ = Q \Delta=Q Δ=Q,即平凡子域
所以Q中不含真素子域,即不含Q子域(否则子域含素子域,矛盾)
习题15.3
F以及F‘为域,证明:如果
F
≅
F
′
F\cong F'
F≅F′,则char F=char F’。反之如何
证明:
设同构映射 ϕ : F → F ′ , c h a r F = n , c h a r F ′ = m \phi:F\to F',char\ F=n,char\ F'=m ϕ:F→F′,char F=n,char F′=m
任取非零元 a ∈ F a\in F a∈F, a n = 0 a^n=0 an=0
由于同构,有唯一映射 ϕ ( 0 ) = 0 ′ \phi(0)=0' ϕ(0)=0′
ϕ ( a n ) = ϕ ( 0 ) → ϕ ( a ) n = 0 ′ \phi(a^n)=\phi(0)\to\phi(a)^n=0' ϕ(an)=ϕ(0)→ϕ(a)n=0′,则m|n,反之也成立
说明 ϕ ( a ) \phi(a) ϕ(a)的阶既等于n又等于n’,则n=n‘
反之不成立
由推论15.1可举反例,当char F=char F‘时,F’可以是F的扩域
习题15.5
Q为有理数域,求
[
Q
(
i
,
2
)
:
Q
]
[Q(i,\sqrt2):Q]
[Q(i,2):Q],并写出左式之元素表达式
证明:
( 1 , 2 , i , 2 i ) (1,\sqrt2,i,\sqrt2i) (1,2,i,2i)是 Q ( i , 2 ) Q(i,\sqrt2) Q(i,2)关于Q的一组基, ∴ [ Q ( i , 2 ) : Q ] = 4 \therefore [Q(i,\sqrt2):Q]=4 ∴[Q(i,2):Q]=4
左式: Q ( i , 2 ) = { x + y ⋅ i + z ⋅ 2 + w ⋅ i 2 ∣ x , y , z ∈ Q } Q(i,\sqrt2)=\{x+y\cdot i+z\cdot\sqrt2+w\cdot i\sqrt2|x,y,z\in Q\} Q(i,2)={x+y⋅i+z⋅2+w⋅i2∣x,y,z∈Q}
习题15.7
在
Q
(
2
3
)
Q(\sqrt[3]{2})
Q(32)中,求
1
+
2
3
+
4
3
1+\sqrt[3]2+\sqrt[3]4
1+32+34的逆元
证明:
Q ( 2 3 ) = { a + b ⋅ 2 3 + c ⋅ 4 3 } Q(\sqrt[3]2)=\{a+b\cdot\sqrt[3]2+c\cdot\sqrt[3]4\} Q(32)={a+b⋅32+c⋅34}
立方差公式:
a 3 + b 3 + c 3 − 3 a b c = ( a + b + c ) ( a 2 + b 2 + c 2 − a b − a c − b c ) a^3 + b^3 + c^3 -3abc= (a + b + c)(a^2 + b^2 + c^2 - ab - ac - bc) a3+b3+c3−3abc=(a+b+c)(a2+b2+c2−ab−ac−bc)
∴ ( 1 + 2 3 + 4 3 ) ( 1 + 4 3 + 16 3 − 2 3 − 4 3 − 8 3 ) = 1 + 2 + 4 − 3 ⋅ 2 ∴ ( 1 + 2 3 + 4 3 ) ( 1 + 4 3 + 2 2 3 − 2 3 − 4 3 − 2 ) 1 = 1 ( 1 + 2 3 + 4 3 ) ( 2 3 − 1 ) = 1 \therefore (1+\sqrt[3]2+\sqrt[3]4)(1+\sqrt[3]4+\sqrt[3]{16}-\sqrt[3]2-\sqrt[3]4-\sqrt[3]8)=1+2+4-3\cdot2\\ \therefore (1+\sqrt[3]2+\sqrt[3]4)\frac{(1+\sqrt[3]4+2\sqrt[3]2-\sqrt[3]2-\sqrt[3]4-2)}1=1\\ (1+\sqrt[3]2+\sqrt[3]4){(\sqrt[3]2-1)}=1 ∴(1+32+34)(1+34+316−32−34−38)=1+2+4−3⋅2∴(1+32+34)1(1+34+232−32−34−2)=1(1+32+34)(32−1)=1
综上,原式的逆元是 ( 2 3 − 1 ) (\sqrt[3]2-1) (32−1)![]()
习题15.8
设
p
(
x
)
=
x
3
+
3
x
−
2
,
u
=
x
+
(
p
(
x
)
)
∈
Q
[
x
]
/
(
p
(
x
)
)
p(x)=x^3+3x-2,u=x+(p(x))\in Q[x]/(p(x))
p(x)=x3+3x−2,u=x+(p(x))∈Q[x]/(p(x)),试将(u+4)-1写成x的二阶多项式
证明:
要使 ( x + ( p ( x ) + 4 ) ( a x 2 + b x + c ) = ( x 3 + 3 x − 2 ) + 1 要使(x+(p(x)+4)(ax^2+bx+c)=(x^3+3x-2)+1 要使(x+(p(x)+4)(ax2+bx+c)=(x3+3x−2)+1
左式= ( p ( x ) ) + a x 3 + ( 4 a + b ) x 2 + ( 4 b + c ) x + 4 c (p(x))+ax^3+(4a+b)x^2+(4b+c)x+4c (p(x))+ax3+(4a+b)x2+(4b+c)x+4c
= ( p ( x ) ) + a p ( x ) + ( 4 a + b ) x 2 + ( − 3 a + 4 b + c ) x + ( 2 a + 4 c ) (p(x))+ap(x)+(4a+b)x^2+(-3a+4b+c)x+(2a+4c) (p(x))+ap(x)+(4a+b)x2+(−3a+4b+c)x+(2a+4c)
{ 4 a + b = 0 − 3 a + 4 b + c = 0 2 a + 4 c = 1 → { a = 1 78 b = − 4 78 c = 19 78 \begin{cases} 4a+b=0\\ -3a+4b+c=0\\ 2a+4c=1 \end{cases}\to \begin{cases} a=\frac1{78}\\ b=-\frac4{78}\\ c=\frac{19}{78} \end{cases} ⎩ ⎨ ⎧4a+b=0−3a+4b+c=02a+4c=1→⎩ ⎨ ⎧a=781b=−784c=7819
∴ ( u + 4 ) − 1 = 1 78 x 2 − 4 78 x + 19 78 \therefore (u+4)^{-1}=\frac1{78}x^2-\frac4{78}x+\frac{19}{78} ∴(u+4)−1=781x2−784x+7819
习题15.9
判定下述元素是不是给定域上的代数元
(
1
)
e
i
2
π
h
k
关于
Q
和
R
,其中
k
,
h
为正整数,且
h
<
k
。
(
2
)
3
+
2
关于
Q
(
3
)
2
π
+
1
关于
Q
,其中
π
为圆周率
\begin{aligned} &(1)e^{i\frac{2\pi h}k}关于Q和R,其中k,h为正整数,且h<k。\\ &(2)\sqrt3+\sqrt2关于Q\\ &(3)2\pi+1关于Q,其中\pi为圆周率 \end{aligned}
(1)eik2πh关于Q和R,其中k,h为正整数,且h<k。(2)3+2关于Q(3)2π+1关于Q,其中π为圆周率
证明:
(1) e i 2 π h k = c o s ( 2 π h k ) + i ⋅ s i n ( 2 π h k ) e^{i\frac{2\pi h}k}=cos(2\pi\frac{{h}}k)+i\cdot sin(2\pi\frac{{h}}k) eik2πh=cos(2πkh)+i⋅sin(2πkh)
是 x k = 1 x^k=1 xk=1的根
满足是Q,R的代数元
(2) x = 3 + 2 x=\sqrt3+\sqrt2 x=3+2,经过移项再平方显然方程存在,是Q的代数元
(3) x = 2 π + 1 x=2\pi+1 x=2π+1,其中 π \pi π的任何次方是 π \pi π(无理数),是Q的超越元
![]()
习题15.11
找出下列元素在指定域上的极小多项式
(
1
)
3
+
2
关于
Q
(
2
)
7
+
5
i
关于
Q
,
R
\begin{aligned} &(1)3+\sqrt2关于Q\\ &(2)7+5i\ 关于Q,R \end{aligned}
(1)3+2关于Q(2)7+5i 关于Q,R
证明:
(1) x = 3 + 2 → x 2 − 6 x + 7 = 0 x=3+\sqrt2\to x^2-6x+7=0 x=3+2→x2−6x+7=0
(2)i. x 2 − 14 x + 74 = 0 x^2-14x+74=0 x2−14x+74=0
ii. x 2 − 14 x + 74 = 0 x^2-14x+74=0 x2−14x+74=0
第15章习题二
习题15.13
x
3
−
a
∈
Q
[
x
]
x^3-a\in Q[x]
x3−a∈Q[x]是不可约的,
β
\beta
β是
x
3
−
a
x^3-a
x3−a的一个根,证明:
Q
(
β
)
Q(\beta)
Q(β)不是
x
3
−
a
x^3-a
x3−a的根域
假设 Q ( β ) Q(\beta) Q(β)是根域
β 3 = a \beta^3=a β3=a,则 x 3 − a = x 3 − β 3 x^3-a=x^3-\beta^3 x3−a=x3−β3是可分解的
x 3 − β 3 = ( x − β ) ( x − a ) ( x − b ) x^3-\beta^3=(x-\beta)(x-a)(x-b) x3−β3=(x−β)(x−a)(x−b)
a b = β 2 , a + b = − β ab=\beta^2,a+b=-\beta ab=β2,a+b=−β
扩张系数为3,在根域中a,b的形式为 a 2 β 2 + a 1 β + a 0 β a_2\beta^2+a_1\beta+a_0\beta a2β2+a1β+a0β
a 1 b 1 = 1 , a 1 + b 1 = − 1 a_1b_1=1,a_1+b_1=-1 a1b1=1,a1+b1=−1,无解
习题15.18
证明
f
(
x
)
=
x
4
+
1
∈
Q
[
x
]
f(x)=x^4+1\in Q[x]
f(x)=x4+1∈Q[x],a为f(x)的根,则
Q
(
a
)
Q(a)
Q(a)为f(x)的根域
证明:
x 4 + 1 = ( x 2 + i ) ( x 2 − i ) = ( x + i i ) ( x − i i ) ( x + i ) ( x − i ) x^4+1=(x^2+i)(x^2-i)=(x+i\sqrt i)(x-i\sqrt i)(x+\sqrt i)(x-\sqrt i) x4+1=(x2+i)(x2−i)=(x+ii)(x−ii)(x+i)(x−i)
则 Q ( a ) = Q ( i ) Q(a)=Q(\sqrt i) Q(a)=Q(i),是f(x)的根域
ii.
证明 f ( x ) = x 4 − a 4 f(x)=x^4-a^4 f(x)=x4−a4在Q(a)上可分解, a 4 = − 1 → a 6 = − a 2 a^4=-1\to a^6=-a^2 a4=−1→a6=−a2
f ( x ) = ( x − a ) ( x + a ) ( x 2 + a 2 ) = ( x − a ) ( x + a ) ( x 2 − a 6 ) = ( x − a ) ( x + a ) ( x − a 3 ) ( x + a 3 ) f(x)=(x-a)(x+a)(x^2+a^2)=(x-a)(x+a)(x^2-a^6)\\=(x-a)(x+a)(x-a^3)(x+a^3) f(x)=(x−a)(x+a)(x2+a2)=(x−a)(x+a)(x2−a6)=(x−a)(x+a)(x−a3)(x+a3)
f(x)在Q(a)上能分解成一次因子的乘积
习题15.22
求下列多项式的根域及扩张次数
( 1 ) Q 上多项式 x 6 − 6 ; ( 2 ) Z 5 上多项式 x 3 + 4 x + 3 (1)Q上多项式x^6-6;(2)Z_5上多项式x^3+4x+3 (1)Q上多项式x6−6;(2)Z5上多项式x3+4x+3
(1)
原式 = ( x 3 + 6 ) ( x 3 − 6 ) 原式=(x^3+\sqrt6)(x^3-\sqrt6) 原式=(x3+6)(x3−6)
x 3 + 6 = ( x + 6 3 ) ( x 2 − 6 3 x + 6 3 ) = ( x + 6 ) ( x − 6 6 + i 3 6 6 2 ) ( x − 6 6 − i 3 6 6 2 ) x^3 + \sqrt{6} = (x + \sqrt[3]{6})(x^2 - \sqrt[3]{6}x + \sqrt[3]{6})\\ =(x+\sqrt 6)(x-\frac{\sqrt[6]6+i\sqrt3\sqrt[6]{6}}2)(x-\frac{\sqrt[6]6-i\sqrt3\sqrt[6]{6}}2) x3+6=(x+36)(x2−36x+36)=(x+6)(x−266+i366)(x−266−i366)x 3 − 6 = ( x − 6 6 ) ( x 2 + 6 6 x + 6 3 ) = ( x − 6 ) ( x + 6 6 + i 3 6 6 2 ) ( x + 6 6 − i 3 6 6 2 ) x^3 - \sqrt{6} = (x - \sqrt[6]{6})(x^2 + \sqrt[6]{6}x + \sqrt[3]{6})\\ =(x-\sqrt 6)(x+\frac{\sqrt[6]6+i\sqrt3\sqrt[6]{6}}2)(x+\frac{\sqrt[6]6-i\sqrt3\sqrt[6]{6}}2) x3−6=(x−66)(x2+66x+36)=(x−6)(x+266+i366)(x+266−i366)
根域 = Q ( x ) / ( x 6 − 6 ) 根域=Q(x)/(x^6-6) 根域=Q(x)/(x6−6),扩张次数为 [ Q ( 6 6 , i 3 ) : Q ( 6 6 ) ] [ Q ( 6 6 ) : Q ] = 2 × 6 [Q(\sqrt[6]6,i\sqrt3):Q(\sqrt[6]6)][Q(\sqrt[6]6):Q]=2\times 6 [Q(66,i3):Q(66)][Q(66):Q]=2×6
(2) Z 5 / ( x 3 + 4 x + 3 ) Z_5/(x^3+4x+3) Z5/(x3+4x+3),扩张次数为3
在商域 Z 5 / ( x 3 + 4 x + 3 ) Z_5/(x^3+4x+3) Z5/(x3+4x+3)中多项式存在根a(由引理15.1)
设 K = Z 5 / ( x 3 + 4 x + 3 ) K=Z_5/(x^3+4x+3) K=Z5/(x3+4x+3),a为多项式在K中的根,p(x)的根域包含商域K(由定理15.7)
考虑 a 125 − a = 0 → x 4 + 4 x + 3 ∣ x 125 − x a^{125}-a=0\to x^4+4x+3|x^{125}-x a125−a=0→x4+4x+3∣x125−x<?>
x^125-x的所有解构成域K,所以K是其根域(例15.6)
习题15.23
写出下列域的特征数:
(
1
)
G
F
(
5
)
;
(
2
)
Q
(
7
3
)
(1)GF(5);(2)Q(\sqrt[3]7)
(1)GF(5);(2)Q(37)
解:(定理:扩域和原域特征数相同)
(1) G F ( 5 ) = Z 5 / ( p ( x ) ) = { a ∣ a ∈ Z 5 } GF(5)=Z_5/(p(x))=\{a|a\in Z_5\} GF(5)=Z5/(p(x))={a∣a∈Z5},GF(5)是Z_5的扩域,其特征数是p=5
(2)任意正数或负数累加不会等于0,所以 Q ( 7 3 ) Q(\sqrt[3]7) Q(37)是Q的扩域,特征数为0
习题15.24
写出下述域的加法与乘法表:
(
1
)
G
F
(
5
)
;
(
2
)
G
F
(
9
)
;
(
3
)
G
F
(
8
)
。
(1)\ GF(5);\ (2)\ GF(9);\ (3)\ GF(8)。
(1) GF(5); (2) GF(9); (3) GF(8)。
解:
(1) G F ( 5 ) = Z 5 / ( p ( x ) ) = { a ∣ a ∈ Z 5 } GF(5)=Z_5/(p(x))=\{a|a\in Z_5\} GF(5)=Z5/(p(x))={a∣a∈Z5}, p ( x ) = x + 4 p(x)=x+4 p(x)=x+4
![]()
(2) G F ( 9 ) = Z 3 / ( p ( x ) ) = { a + b x ∣ a , b ∈ Z 3 } GF(9)=Z_3/(p(x))=\{a+bx|a,b\in Z_3\} GF(9)=Z3/(p(x))={a+bx∣a,b∈Z3}, p ( x ) = x 2 + x − 1 p(x)=x^2+x-1 p(x)=x2+x−1
![]()
(3) G F ( 2 3 ) = Z 2 / ( p ( x ) ) = { a + b x + c x 2 ∣ a ∈ Z 2 } GF(2^3)=Z_2/(p(x))=\{a+bx+cx^2|a\in Z_2\} GF(23)=Z2/(p(x))={a+bx+cx2∣a∈Z2}, p ( x ) p(x) p(x)取 x 3 + x + 1 x^3+x+1 x3+x+1
补充:求解 G F ( 2 3 ) GF(2^3) GF(23)的本原多项式
由于 G F ( 8 ) ∗ GF(8)^* GF(8)∗的阶为7,显然当一个循环群是素数阶时,其内的所有元素都是群的生成元
任取不可约多项式 p ( x ) = x 3 + x + 1 p(x)=x^3+x+1 p(x)=x3+x+1,易知其中的 a a a是一个本原元,由例15.30(2)
f ( x ) = ( x − a ) ( x − a 2 ) ( x − a 4 ) = x 3 − ( a + a 2 + a 4 ) x 2 + ( a 3 + a 5 + a 6 ) − a 7 = x 3 − ( 1 + a + 1 + a + a 2 + 1 + a 2 ) x − ( 1 + a ) 2 a = x 3 − 3 x − ( a + 1 + a ) = x 3 + x + 1 \begin{aligned} f(x)&=(x-a)(x-a^2)(x-a^4)\\ &=x^3-(a+a^2+a^4)x^2+(a^3+a^5+a^6)-a^7\\ &=x^3-(1+a+1+a+a^2+1+a^2)x-(1+a)^2a\\ &=x^3-3x-(a+1+a)\\ &=x^3+x+1 \end{aligned} f(x)=(x−a)(x−a2)(x−a4)=x3−(a+a2+a4)x2+(a3+a5+a6)−a7=x3−(1+a+1+a+a2+1+a2)x−(1+a)2a=x3−3x−(a+1+a)=x3+x+1
猜想:当a为本原元时是否可以说明p(x)即本原多项式![]()
习题15.26
求
G
F
(
9
)
GF(9)
GF(9)中非零元的幂表示并化简,其中a为本原元
( 1 ) a + a 7 + a 4 a 2 + a 5 + a 11 + a − 2 (1)\frac{a+a^7+a^4}{a^2+a^5}+a^{11}+a^{-2} (1)a2+a5a+a7+a4+a11+a−2
( 2 ) a 2 − a 3 − a 7 a 6 − a 7 − a − 6 (2)\frac{a^2-a^3-a^7}{a^6}-a^7-a^{-6} (2)a6a2−a3−a7−a7−a−6
解:
首先列出GF(9)中的用本原元a表示所有元素的表,这里假设 p ( x ) = x 2 + x − 1 p(x)=x^2+x-1 p(x)=x2+x−1
疑问:如何快速找到域的本原多项式
猜想:先找一个本原元,再由本原元生成本原多项式
p(x)=x2+x-1 0=0 a0=1 a1=a a2=1+2a a3=2+2a a4=2 a5=2a a6=2+a a7=1+a a8=1 ( 1 ) a + a 7 + a 4 a 2 + a 5 + a 11 + a − 2 = a + 1 + a + 2 1 + 2 a + 2 a + 2 + 2 a + 2 + a = 2 a 1 + a + 1 = a 5 a 7 + 1 = 2 + a + 1 = a \begin{aligned} (1)\frac{a+a^7+a^4}{a^2+a^5}+a^{11}+a^{-2}&=\frac{a+1+a+2}{1+2a+2a}+2+2a+2+a\\ &=\frac{2a}{1+a}+1\\&=\frac{a^5}{a^7}+1\\&=2+a+1\\&=a \end{aligned} (1)a2+a5a+a7+a4+a11+a−2=1+2a+2aa+1+a+2+2+2a+2+a=1+a2a+1=a7a5+1=2+a+1=a
( 2 ) a 2 − a 3 − a 7 a 6 − a 7 − a − 6 = 1 + 2 a − 2 − 2 a − 1 − a 2 + a − 1 − a − 1 − 2 a = 1 + 2 a 2 + a + 1 = a 2 a 6 + 1 = a 4 + 1 = 0 \begin{aligned} (2)\frac{a^2-a^3-a^7}{a^6}-a^7-a^{-6}&=\frac{1+2a-2-2a-1-a}{2+a}-1-a-1-2a\\ &=\frac{1+2a}{2+a}+1\\ &=\frac{a^2}{a^6}+1\\ &=a^4+1\\ &=0 \end{aligned} (2)a6a2−a3−a7−a7−a−6=2+a1+2a−2−2a−1−a−1−a−1−2a=2+a1+2a+1=a6a2+1=a4+1=0
期中复习题
设有~群G上的等价关系,并且对于G中任意三个元素a,x,x’,若ax~ax’,则必有x~x’
证明:G中与单位元等价的元素全体构成G的一个子群
与G中单位元等价的元素 H = { x ∈ G ∣ x ~ e } H=\{x\in G|x~e\} H={x∈G∣x~e}
x e = e = x x − 1 xe=e=xx^{-1} xe=e=xx−1
因此 e ~ x − 1 e~x^{-1} e~x−1
期中试卷
一、判断
4
设
[
A
;
+
,
∗
]
[A;+,*]
[A;+,∗]是至少两个元素的有单位元环,且对乘法满足幂等律,则A的特征数为2
证明:
2e*2e=2e
(e+e+e+e)=e+e
2e=0
综上,特征数是二
5
f(x)是域
Z
p
Z_p
Zp上的n次不可约多项式,则f(x)的根域GF(pn)
证明:正确
Z p / f ( x ) = G F ( p n ) Z_p/f(x)=GF(p^n) Zp/f(x)=GF(pn)
因为对f(x)的一个代数元a, Z p ( a ) = Z p / f ( x ) Z_p(a)=Z_p/f(x) Zp(a)=Zp/f(x),所以根域是包含K的
由对f(x)任意的代数元a,有 a p n − a = 1 → f ( x ) ∣ x p n − 1 a^{p^n}-a=1\to f(x)|x^{p^n}-1 apn−a=1→f(x)∣xpn−1
x p n − x x^{p^n}-x xpn−x的所有解构成域K,f(x)的所有解在GF内,所以GF是其根域
推论15.6 GF(pm)中的元素恰为多项式 x p n − x x^{p^n}-x xpn−x的pm个根
二、置换的运算
设有置换 σ = ( 1 3 4 5 ) ( 1 2 4 5 ) , τ = ( 2 3 4 ) ( 4 5 6 ) \sigma=(1\ 3\ 4\ 5)(1\ 2\ 4\ 5),\tau=(2\ 3\ 4)(4\ 5\ 6) σ=(1 3 4 5)(1 2 4 5),τ=(2 3 4)(4 5 6)
(1)求 σ τ \sigma\tau στ和 τ − 1 σ \tau^{-1}\sigma τ−1σ
(2)确定置换 σ τ \sigma\tau στ和 τ − 1 σ \tau^{-1}\sigma τ−1σ的奇偶性
(1)
σ = ( 1 3 ) ( 3 4 ) ( 4 5 ) ( 1 2 ) ( 2 4 ) ( 4 5 ) = ( 1 2 5 3 4 ) \sigma=(1\ 3)(3\ 4)(4\ 5)(1\ 2)(2\ 4)(4\ 5)=(1\ 2\ 5\ 3\ 4) σ=(1 3)(3 4)(4 5)(1 2)(2 4)(4 5)=(1 2 5 3 4)
τ = ( 2 3 4 ) ( 4 5 6 ) = ( 2 3 4 5 6 ) \tau=(2\ 3\ 4)(4\ 5\ 6)=(2\ 3\ 4\ 5\ 6) τ=(2 3 4)(4 5 6)=(2 3 4 5 6)
τ − 1 = ( 6 5 4 3 2 ) \tau^{-1}=(6\ 5\ 4\ 3\ 2) τ−1=(6 5 4 3 2)
σ τ \sigma\tau στ
(2)
确定
三、对于环 [ Z 8 ; + , ∗ ] [Z_8;+,*] [Z8;+,∗]
(1)求出所有的零因子
(2)证明环的所有可逆元全体构成的集合U关于乘法运算是群
证明:
(1)
2,4
(2)
U={1,3,5,7},显然是群,3,5,7的逆元都是自己
四、在有理数集Q上定义如下运算"&“和”·"
a&b=a+b-3,a·b=a+b-a*b/3
(1)证明 [ Q ; & , ⋅ ] [Q;\&,\cdot] [Q;&,⋅]是有单位元交换环
&是可交换,有单位元3,a有逆元6-a,可结合,是交换群
·有单位元是0,显然可交换,a有逆元为 3 a a − 3 \frac{3a}{a-3} a−33a,可结合
&和·可分配
五、A,B是环R的两个理想,并且 B ⊆ A B\subseteq A B⊆A,证明
(1)A/B是R/B的理想
(2) ( R / B ) / ( A / B ) ≅ R / A (R/B)/(A/B)\cong R/A (R/B)/(A/B)≅R/A
略
六、f是环R1到环R2的同态映射,易知f(R1)是R2的子环,若S是f(R1)的理想
(1)证明 f − 1 ( S ) f^{-1}(S) f−1(S)是R1的理想
(2) R 1 / f − 1 ( S ) ≅ f ( R 1 ) / S R_1/f^{-1}(S)\cong f(R_1)/S R1/f−1(S)≅f(R1)/S
(1)
f-1是R2到R1的映射,S是R2的子环的理想
对a,b\in f-1(S),f(a),f(b)\in S
f(a)+f(b)=f(a+b)\in S,a+b\in f-1(S)
a\in f-1(S),r\in R1,f(a)\in S
因为S是f(R1)上的理想,f®\in f(R1),f(a)*f®\in S
f ( a r ) ∈ S → a r ∈ f − 1 ( S ) f(ar)\in S\to ar\in f^{-1}(S) f(ar)∈S→ar∈f−1(S)
(2)
f(R1)/S={S+f®|r\in R1}
ϕ ( r ) = S + f ( r ) \phi(r)=S+f(r) ϕ(r)=S+f(r)
证明是映射,同态映射以及满射
x ∈ K e r ϕ , ϕ ( x ) = S + f ( x ) = S , x ∈ f − 1 ( S ) x\in Ker\phi,\phi(x)=S+f(x)=S,x\in f^{-1}(S) x∈Kerϕ,ϕ(x)=S+f(x)=S,x∈f−1(S)
K e r ϕ = { x ∣ f ( x ) = 0 ′ } Ker\phi=\{x|f(x)=0'\} Kerϕ={x∣f(x)=0′}
x ∈ f − 1 ( S ) , f ( x ) ∈ S , ϕ ( x ) = S + f ( x ) x\in f^{-1}(S),f(x)\in S,\phi(x)=S+f(x) x∈f−1(S),f(x)∈S,ϕ(x)=S+f(x)