返回

1. 设 E = ℚ ( 2 , 3 ) E = \mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3}) ,求 E E 关于 ℚ \mathbb{Q} 的伽罗瓦群。

解: E = ℚ ( 2 , 3 ) = ℚ ( 2 + 3 ) E = \mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3}) = \mathbb{Q}(\sqrt{2} + \sqrt{3}) ,且 f ( x ) = x 4 − 10 x 2 + 1 f(x) = x^{4} - 10x^{2} + 1 是 2 + 3 \sqrt{2} + \sqrt{3} 在 ℚ \mathbb{Q} 上的极小多项式。

又因 ( 2 + 3 ) 2 = 5 + 2 6 (\sqrt{2} + \sqrt{3})^{2} = 5 + 2\sqrt{6} , ( 2 + 3 ) 3 = 11 2 + 9 3 (\sqrt{2} + \sqrt{3})^{3} = 11\sqrt{2} + 9\sqrt{3} ,

从而 E = ℚ ( 2 , 3 ) = { a + b 2 + c 3 + d 6 ∣ a , b , c , d ∈ ℚ } E = \mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3}) = \{ a + b\sqrt{2} + c\sqrt{3} + d\sqrt{6} \mid a,b,c,d \in \mathbb{Q}\} 。

则对属于 Aut ℚ ( E ) \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) 的任意 φ \varphi , φ \varphi 由 φ ( 2 ) \varphi(\sqrt{2}) 、 φ ( 3 ) \varphi(\sqrt{3}) 决定。

因为 2 \sqrt{2} 是 g ( x ) = x 2 − 2 g(x) = x^{2} - 2 的根, 3 \sqrt{3} 是 h ( x ) = x 2 − 3 h(x) = x^{2} - 3 的根,

所以 φ ( 2 ) \varphi(\sqrt{2}) 、 φ ( 3 ) \varphi(\sqrt{3}) 分别是 g ( x ) g(x) 、 h ( x ) h(x) 的根,

因此 φ ( 2 ) = ± 2 \varphi(\sqrt{2}) = \pm \sqrt{2} , φ ( 3 ) = ± 3 \varphi(\sqrt{3}) = \pm \sqrt{3} 。从而

φ 0 = id , \varphi_{0} = \text{id},

φ 1 ( a + b 2 + c 3 + d 6 ) = a − b 2 + c 3 − d 6 , \varphi_{1}(a + b\sqrt{2} + c\sqrt{3} + d\sqrt{6}) = a - b\sqrt{2} + c\sqrt{3} - d\sqrt{6},

φ 2 ( a + b 2 + c 3 + d 6 ) = a − b 2 − c 3 + d 6 , \varphi_{2}(a + b\sqrt{2} + c\sqrt{3} + d\sqrt{6}) = a - b\sqrt{2} - c\sqrt{3} + d\sqrt{6},

φ 3 ( a + b 2 + c 3 + d 6 ) = a + b 2 − c 3 − d 6 . \varphi_{3}(a + b\sqrt{2} + c\sqrt{3} + d\sqrt{6}) = a + b\sqrt{2} - c\sqrt{3} - d\sqrt{6}.

故 Aut ℚ ( E ) = { φ 0 , φ 1 , φ 2 , φ 3 } \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) = \{\varphi_{0},\varphi_{1},\varphi_{2},\varphi_{3}\} 。

2. 设包含 F F 的 E E 是域的扩张, K K 、 M M 是中间域, H H 、 J J 是 Aut F ( E ) \text{Aut}_{F}(E) 的子群,

试证明: (1) 如果 K ⊆ M K \subseteq M ,那么 M ′ ⊆ K ′ M' \subseteq K' ;如果 H ⊆ J H \subseteq J ,那么 J ′ ⊆ H ′ J' \subseteq H' 。

(2) K ⊆ K ″ K \subseteq K'' , H ⊆ H ″ H \subseteq H'' 。

(3) K ′ = K ‴ K' = K''' , H ′ = H ‴ H' = H''' (其中 K ‴ = ( K ″ ) ′ K''' = (K'')' , H ‴ = ( H ″ ) ′ H''' = (H'')' )。

证明: (1) 因为 M ′ = Aut M ( E ) = { φ ∈ Aut ( E ) ∣ φ ( a ) = a , ∀ a ∈ M } M' = \text{Aut}_{M}(E) = \{\varphi \in \text{Aut}(E) \mid \varphi(a) = a,\forall a \in M\} ,

K ′ = Aut F ( E ) = { φ ∈ Aut ( E ) ∣ φ ( a ) = a , ∀ a ∈ K } K' = \text{Aut}_{F}(E) = \{\varphi \in \text{Aut}(E) \mid \varphi(a) = a,\forall a \in K\} 。

由于 K ⊆ M K \subseteq M ,从而对属于 M ′ M' 的任意 φ \varphi ,都有 φ ( a ) = a \varphi(a) = a ,其中 a ∈ M a \in M ,

因此 φ ( a ) = a \varphi(a) = a , a ∈ K a \in K ,即 φ ∈ K ′ \varphi \in K' ,于是 K ′ ⊇ M ′ K' \supseteq M' 。

因为 H ′ = { x ∈ E ∣ σ ( x ) = x , ∀ σ ∈ H } H' = \{ x \in E \mid \sigma(x) = x,\forall\sigma \in H\} , J ′ = { x ∈ E ∣ σ ( x ) = x , ∀ σ ∈ J } J' = \{ x \in E \mid \sigma(x) = x,\forall\sigma \in J\} , H ⊆ J H \subseteq J ,

所以对属于 J ′ J' 的任意 x x 都有 σ ( x ) = x \sigma(x) = x ,任意 σ ∈ J \sigma \in J ,

因此对属于 H H 的任意 σ \sigma 也有 σ ( x ) = x \sigma(x) = x ,即 x ∈ H ′ x \in H' ,故 J ′ ⊆ H ′ J' \subseteq H' 。

(2) K ″ = ( K ′ ) ′ = { x ∈ E ∣ σ ( x ) = x , ∀ σ ∈ K ′ } K'' = (K')' = \{ x \in E \mid \sigma(x) = x,\forall\sigma \in K'\} 。

由于对属于 K K 的任意 x x ,对属于 K ′ K' 的任意 σ \sigma 都有 σ ( x ) = x \sigma(x) = x ,

从而 x ∈ K ″ x \in K'' ,故 K ⊆ K ″ K \subseteq K'' 。

由于 H H 为 Aut F ( E ) \text{Aut}_{F}(E) 的子群, H ′ = { x ∈ E ∣ σ ( x ) = x , ∀ σ ∈ H } H' = \{ x \in E \mid \sigma(x) = x,\forall\sigma \in H\} ,

因此 H ″ = ( H ′ ) ′ = { φ ∈ Aut F ( E ) ∣ φ ( x ) = x , ∀ x ∈ H ′ } H'' = (H')' = \{\varphi \in \text{Aut}_{F}(E) \mid \varphi(x) = x,\forall x \in H'\} 。

于是对属于 H H 的任意 σ \sigma ,对属于 H ′ H' 的任意 x x ,都有 σ ( x ) = x \sigma(x) = x ,

从而 σ ∈ H ″ \sigma \in H'' ,故 H ⊆ H ″ H \subseteq H'' 。

(3) 由 (2) 知 K ⊆ K ″ K \subseteq K'' ,再由 (1) 知 K ′ ⊇ ( K ″ ) ′ K' \supseteq (K'')' ,即 K ′ ⊇ K ‴ K' \supseteq K''' 。

对 K ′ K' 应用 (2) 得 K ′ ⊆ ( K ′ ) ″ = K ‴ K' \subseteq (K')'' = K''' ,故 K ′ = K ‴ K' = K''' 。

由 (2) 知 H ⊆ H ″ H \subseteq H'' ,又由 (1) 知 ( H ″ ) ′ ⊆ H ′ (H'')' \subseteq H' ,即 H ‴ ⊆ H ′ H''' \subseteq H' 。

对 H ′ H' 应用 (2) 得 H ′ ⊆ ( H ′ ) ″ = H ‴ H' \subseteq (H')'' = H''' ,因此 H ′ = H ‴ H' = H''' 。

3. 设包含 F F 的 E E 是域的有限扩张,

试证明包含 F F 的 E E 的伽罗瓦群的子群都是闭群。

证明: 设 H H 是包含 F F 的 E E 的伽罗瓦群的子群,根据 [第四章引理 6.1], | F ′ : E ′ | ≤ | E : F | |F':E'| \leq |E:F| ,从而 | H : E ′ | ≤ | E : F | |H:E'| \leq |E:F| 。

因为 E ′ E' 是闭群,所以根据 [第四章定理 6.1(2)] 知 H H 是闭群。

4. 设包含 F F 的 E E 是有限伽罗瓦扩张,试证明 | Aut F ( E ) | = | E : F | |\text{Aut}_{F}(E)| = |E:F| 。

证明: 由 [第四章引理 6.1] 得 | F ′ : E ′ | ≤ | E : F | |F':E'| \leq |E:F| ,

由 [第四章定理 6.1(2)] 有 | E ″ : F ″ | = | F ′ : E ′ | |E'':F''| = |F':E'| 。

因为包含 F F 的 E E 是伽罗瓦扩张,所以 F ″ = F F'' = F ,因此 | E : F | = | F ′ : E ′ | = | Aut F ( E ) | |E:F| = |F':E'| = |\text{Aut}_{F}(E)| 。

5. 设包含 F F 的 E E 是有限伽罗瓦扩张, K K 是包含 F F 的 E E 的中间域,

证明 K K 是闭域。

证明: 因为包含 F F 的 E E 是有限伽罗瓦扩张,所以 F F 是闭域, | K : F | ≤ | E : F | |K:F| \leq |E:F| ,根据 [第四章定理 6.1(1)], K K 为闭域。

6. 设 a a 、 b b 是不含平方因数的整数,试证明包含 ℚ \mathbb{Q} 的 ℚ ( a , b ) \mathbb{Q}(\sqrt{a},\sqrt{b}) 是伽罗瓦扩张,并确定其对应的伽罗瓦群。

证明: ℚ ( a , b ) = ℚ ( a + b ) \mathbb{Q}(\sqrt{a},\sqrt{b}) = \mathbb{Q}(\sqrt{a} + \sqrt{b}) ,

且 f ( x ) = x 4 + ( 2 a 2 − 4 a − 4 a b + 2 b 2 ) x 2 + ( a − b ) 2 f(x) = x^{4} + (2a^{2} - 4a - 4ab + 2b^{2})x^{2} + (a - b)^{2} 是 a + b \sqrt{a} + \sqrt{b} 在 ℚ \mathbb{Q} 上的极小多项式。

又因 ℚ ( a , b ) = { k 0 + k 1 a + k 2 b + k 3 a b ∣ k i ∈ ℚ , i = 0 , 1 , 2 , 3 } \mathbb{Q}(\sqrt{a},\sqrt{b}) = \{ k_{0} + k_{1}\sqrt{a} + k_{2}\sqrt{b} + k_{3}\sqrt{ab} \mid k_{i} \in \mathbb{Q},i = 0,1,2,3\} ,

则任意 φ ∈ Aut ℚ ( E ) \varphi \in \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) , φ \varphi 由 φ ( a ) \varphi(\sqrt{a}) 、 φ ( b ) \varphi(\sqrt{b}) 决定。

因为 a \sqrt{a} 是 g ( x ) = x 2 − a g(x) = x^{2} - a 的根, b \sqrt{b} 是 h ( x ) = x 2 − b h(x) = x^{2} - b 的根,

所以 φ ( a ) \varphi(\sqrt{a}) 、 φ ( b ) \varphi(\sqrt{b}) 分别是 g ( x ) g(x) 、 h ( x ) h(x) 的根,

因此 φ ( a ) = ± a \varphi(\sqrt{a}) = \pm \sqrt{a} , φ ( b ) = ± b \varphi(\sqrt{b}) = \pm \sqrt{b} 。

因此 Aut ℚ ℚ ( a + b ) = { φ 0 , φ 1 , φ 2 , φ 3 } \text{Aut}_{\mathbb{Q}}\mathbb{Q}(\sqrt{a} + \sqrt{b}) = \{\varphi_{0},\varphi_{1},\varphi_{2},\varphi_{3}\} 。

由固域定义可知包含 ℚ \mathbb{Q} 的 ℚ ( a , b ) \mathbb{Q}(\sqrt{a},\sqrt{b}) 是伽罗瓦扩张。

7. 设 Char F = 0 \text{Char}F = 0 , E E 是 F [ x ] F\lbrack x\rbrack 中属于 F [ x ] F\lbrack x\rbrack 的不可约元 f ( x ) f(x) 在 F F 上的分裂域,

试证明 E E 是 F F 的伽罗瓦扩张。

证明: 因为包含 F F 的 E E 是有限扩张,所以由 [第四章推论 3.2] 可知,

包含 F F 的 E E 是单代数扩张。设 E = F ( α ) E = F(\alpha) , α \alpha 在 F F 上的极小多项式为 g ( x ) g(x) ,

则 Aut F ( E ) \text{Aut}_{F}(E) 中的任意元素 σ \sigma 由 σ ( α ) \sigma(\alpha) 决定,且 σ ( α ) \sigma(\alpha) 是 g ( x ) g(x) 的根。

由 [第四章定理 4.3] 可知,包含 F F 的 E E 是正规扩张,进而 g ( x ) g(x) 的根都属于 E E 。因此, | Aut F ( E ) | |\text{Aut}_{F}(E)| 等于 g ( x ) g(x) 的不同根的个数。

由 [第三章定理 9.4] 可知, g ( x ) g(x) 没有重根,所以 | Aut F ( E ) | = d e g g ( x ) = | E : F | |\text{Aut}_{F}(E)| = degg(x) = |E:F| 。

因为 F ⊆ F ″ F \subseteq F'' ,所以 E E 是 f ( x ) f(x) 在 F ″ F'' 上的分裂域,因此 | Aut F ″ ( E ) | = | E : F ″ | |\text{Aut}_{F''}(E)| = |E:F''| 。

再由 Aut F ″ ( E ) = Aut F ( E ) \text{Aut}_{F''}(E) = \text{Aut}_{F}(E) 及 | E : F | = | E : F ″ | ⋅ | F ″ : F | |E:F| = |E:F''| \cdot |F'':F| 可得 | F ″ : F | = 1 |F'':F| = 1 ,即 F = F ″ F = F'' 。从而,包含 F F 的 E E 是伽罗瓦扩张。

习题 1 设 F F 是域,证明 E = { a ∈ F ∣ σ ( a ) = a , ∀ σ ∈ Aut ( F ) } E = \{ a \in F \mid \sigma(a) = a,\forall\sigma \in \text{Aut}(F)\} 是域。

证明: 显然 0 0 、 1 ∈ F 1 \in F 。若 a a 、 b ∈ E b \in E ,则对属于 Aut ( F ) \text{Aut}(F) 的任意 σ \sigma ,

有 σ ( a − b ) = σ ( a ) − σ ( b ) = a − b \sigma(a - b) = \sigma(a) - \sigma(b) = a - b , σ ( a b − 1 ) = σ ( a ) σ ( b ) − 1 = a b − 1 \sigma(ab^{- 1}) = \sigma(a)\sigma(b)^{- 1} = ab^{- 1} ,

即 a − b a - b 、 a b − 1 ∈ Aut ( F ) ab^{- 1} \in \text{Aut}(F) 。因此 E E 是域,称为 F F 的固定域。

习题 2 设 α \alpha 是 x 3 − 2 x^{3} - 2 的一个根,求 ℚ ( α ) \mathbb{Q}(\alpha) 的自同构群。

解: 设 φ \varphi 是 ℚ ( α ) \mathbb{Q}(\alpha) 的自同构,则对整数 m m ,有 φ ( m ) = m φ ( 1 ) = m \varphi(m) = m\varphi(1) = m ,

从而 φ \varphi 是 ℚ \mathbb{Q} 的恒等映射。

由 α \alpha 是 x 3 − 2 x^{3} - 2 的一个根可得 φ ( α ) \varphi(\alpha) 是 x 3 − 2 x^{3} - 2 的一个根,于是 φ ( α ) = α \varphi(\alpha) = \alpha 。

由于 x 3 − 2 x^{3} - 2 是有理数域上的不可约多项式,

故 ℚ ( α ) \mathbb{Q}(\alpha) 的元素形式为 a 0 + a 1 α + a 2 α 2 a_{0} + a_{1}\alpha + a_{2}\alpha^{2} 。

因此 φ \varphi 是恒等映射, ℚ ( α ) \mathbb{Q}(\alpha) 的自同构群只有一个元素。

习题 3 设 F F 是特征不等于 2 的域,

α \alpha 是 F F 上不可约多项式 x 2 − a x^{2} - a 的一个根,求 Aut F ( F ( α ) ) \text{Aut}_{F}(F(\alpha)) 。

解: 设 φ ∈ Aut F ( F ( α ) ) \varphi \in \text{Aut}_{F}(F(\alpha)) ,由 α \alpha 是 x 2 − a x^{2} - a 的一个根可得 φ ( α ) \varphi(\alpha) 是 x 2 − a x^{2} - a 的一个根,

于是 φ ( α ) = ± α \varphi(\alpha) = \pm \alpha 。由于 x 2 − a x^{2} - a 是不可约多项式,故 F ( α ) F(\alpha) 的元素形式为 c + d α c + d\alpha ,其中 c c 、 d ∈ F d \in F 。因此 φ ( c + d α ) = c + d α \varphi(c + d\alpha) = c + d\alpha 或 φ ( c + d α ) = c − d α \varphi(c + d\alpha) = c - d\alpha 。

习题 4 设 α \alpha 是域 F F 上的代数元, f ( x ) f(x) 是 α \alpha 在域 F F 上的极小多项式,

试证明 | Aut F ( F ( α ) ) | |\text{Aut}_{F}(F(\alpha))| 等于 F ( α ) F(\alpha) 中 f ( x ) f(x) 的互异根的个数。

特别地,当且仅当 f ( x ) f(x) 无重根时, | Aut F ( F ( α ) ) | ≤ | F ( α ) : F | = d e g f ( x ) |\text{Aut}_{F}(F(\alpha))| \leq |F(\alpha):F| = degf(x) ,且等号成立,且 f ( x ) f(x) 的所有根均在 F ( α ) F(\alpha) 中。

证明: 若 σ ∈ Aut F ( F ( α ) ) \sigma \in \text{Aut}_{F}(F(\alpha)) ,则由 α \alpha 是 f ( x ) f(x) 的根知,

属于 F ( α ) F(\alpha) 的 σ ( α ) \sigma(\alpha) 是 f ( x ) f(x) 的一个根。

反之,若属于 F ( α ) F(\alpha) 的 β \beta 是 f ( x ) f(x) 的一个根,则 F ( β ) ⊆ F ( α ) F(\beta) \subseteq F(\alpha) ,

再由 | F ( β ) : F | = d e g f ( x ) = | F ( α ) : F | |F(\beta):F| = degf(x) = |F(\alpha):F| 知 F ( β ) = F ( α ) F(\beta) = F(\alpha) ,

从而存在域同构 σ : F ( α ) → F ( β ) \sigma:F(\alpha) \rightarrow F(\beta) ,使得 σ ( α ) = β \sigma(\alpha) = \beta , σ | F = id \sigma|_{F} = \text{id} 。故 σ ∈ Aut F ( F ( α ) ) \sigma \in \text{Aut}_{F}(F(\alpha)) 。

习题 5 设 F F 是域,属于 F [ x ] F\lbrack x\rbrack 的 f ( x ) f(x) 在 F F 上的分裂域为 E E ,

且在 E E 上 f ( x ) f(x) 无重根,

试证明属于 Aut F ( E ) \text{Aut}_{F}(E) 的 σ \sigma 是 f ( x ) f(x) 的所有根构成集合上的一个置换。

证明: 只需证明 f ( x ) f(x) 的根在 σ \sigma 下的像是 f ( x ) f(x) 的根。

若 α \alpha 是 f ( x ) f(x) 的根,由 σ ( f ( α ) ) = f ( σ ( α ) ) \sigma(f(\alpha)) = f(\sigma(\alpha)) 知 σ ( α ) \sigma(\alpha) 是 f ( x ) f(x) 的一个根。

习题 6 设 K ⊇ E ⊇ F K \supseteq E \supseteq F , E E 是 F F 的正规扩张, σ \sigma 是 K K 的 F F -自同构,则 σ ( E ) = E \sigma(E) = E 。

证明: 设 α ∈ E \alpha \in E , f ( x ) f(x) 为 α \alpha 在 F F 上的极小多项式,于是 0 = σ ( f ( α ) ) = f ( σ ( α ) ) 0 = \sigma(f(\alpha)) = f(\sigma(\alpha)) 。由于 E E 是 F F 的正规扩张,故 σ ( α ) ∈ E \sigma(\alpha) \in E ,因此 σ ( E ) ⊆ E \sigma(E) \subseteq E 。

于是 E = σ ( σ − 1 ( E ) ) ⊆ σ ( E ) ⊆ E E = \sigma(\sigma^{- 1}(E)) \subseteq \sigma(E) \subseteq E ,因此 σ ( E ) = E \sigma(E) = E 。

习题 7 设 K ⊇ F K \supseteq F , f ( x ) ∈ F [ x ] f(x) \in F\lbrack x\rbrack , f ( x ) f(x) 在 F F 上的分裂域为 E E ,

在 K K 上的分裂域为 L L ,试证明 Aut K ( L ) \text{Aut}_{K}(L) 同构于 Aut F ( E ) \text{Aut}_{F}(E) 的一个子群。

证明: f ( x ) f(x) 在 L L 和 E E 中都可以分解为一次因式的乘积,

而由在包含 L L 和 E E 的域中 f ( x ) f(x) 的分解式是唯一的,

可设 f ( x ) f(x) 在 L L 和 E E 中分解为 f ( x ) = a ( x − a 1 ) ⋯ ( x − a n ) f(x) = a(x - a_{1})\cdots(x - a_{n}) ,

则 E = F ( a 1 , ⋯ , a n ) ⊆ K ( a 1 , ⋯ , a n ) = L E = F(a_{1},\cdots,a_{n}) \subseteq K(a_{1},\cdots,a_{n}) = L 。

若 σ ∈ Aut K ( L ) \sigma \in \text{Aut}_{K}(L) ,由上题知 σ ( E ) = E \sigma(E) = E ,

从而可以定义映射 φ : Aut K ( L ) → Aut F ( E ) \varphi:\text{Aut}_{K}(L) \rightarrow \text{Aut}_{F}(E) , σ ↦ σ | E \sigma \mapsto \sigma|_{E} 。

当 σ | E \sigma|_{E} 是恒等映射时, σ \sigma 是恒等映射,即 σ ↦ σ | E \sigma \mapsto \sigma|_{E} 是单射,且保持运算,

从而是单同态。故 Aut K ( L ) \text{Aut}_{K}(L) 同构于 Aut F ( E ) \text{Aut}_{F}(E) 的一个子群。

习题 8 求 x 8 − 1 x^{8} - 1 在 ℚ \mathbb{Q} 上的分裂域 E E ,计算 | E : ℚ | |E:\mathbb{Q}| ,并确定伽罗瓦群 Aut ℚ ( E ) \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) 。

解: 令 α k = c o s k π 4 + i sin ⁡ k π 4 \alpha_{k} = cos\frac{k\pi}{4} + i\sin\frac{k\pi}{4} , k = 0 , 1 , ⋯ , 7 k = 0,1,\cdots,7 ,

则 x 8 − 1 x^{8} - 1 在 ℚ \mathbb{Q} 上的分裂域 E E 为 ℚ ( i , 2 ) \mathbb{Q}(i,\sqrt{2}) ,得 | E : ℚ | = | ℚ ( i , 2 ) : ℚ ( i ) | ⋅ | ℚ ( i ) : ℚ | = 4 |E:\mathbb{Q}| = |\mathbb{Q}(i,\sqrt{2}):\mathbb{Q}(i)| \cdot |\mathbb{Q}(i):\mathbb{Q}| = 4 。若 σ ∈ Aut ℚ ( E ) \sigma \in \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) ,则 σ ( 2 ) = ± 2 \sigma(\sqrt{2}) = \pm \sqrt{2} , σ ( i ) = ± i \sigma(i) = \pm i 。

习题 9 令 E = ℚ ( 2 , 3 ) E = \mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3}) ,

确定包含 ℚ \mathbb{Q} 的 E E 的所有子域及 Aut ℚ ( E ) \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) 的所有子群。

解: E = ℚ ( 2 , 3 ) E = \mathbb{Q}(\sqrt{2},\sqrt{3}) 是 ℚ \mathbb{Q} 上不可约多项式 f ( x ) = x 4 − 10 x 2 + 1 f(x) = x^{4} - 10x^{2} + 1 的分裂域,

因此包含 ℚ \mathbb{Q} 的 E E 是伽罗瓦扩张。 Aut ℚ ( E ) = { φ 0 , φ 1 , φ 2 , φ 3 } \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) = \{\varphi_{0},\varphi_{1},\varphi_{2},\varphi_{3}\} ,

其中 φ 0 = 1 \varphi_{0} = 1 , φ 1 ( 2 ) = − 2 \varphi_{1}(\sqrt{2}) = - \sqrt{2} , φ 1 ( 3 ) = 3 \varphi_{1}(\sqrt{3}) = \sqrt{3} , φ 2 ( 2 ) = − 2 \varphi_{2}(\sqrt{2}) = - \sqrt{2} , φ 2 ( 3 ) = − 3 \varphi_{2}(\sqrt{3}) = - \sqrt{3} , φ 3 = φ 1 φ 2 \varphi_{3} = \varphi_{1}\varphi_{2} 。

Aut ℚ ( E ) \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) 有 5 个子群: ⟨ 1 ⟩ \langle 1\rangle 、 ⟨ φ 1 ⟩ \langle\varphi_{1}\rangle 、 ⟨ φ 2 ⟩ \langle\varphi_{2}\rangle 、 ⟨ φ 3 ⟩ \langle\varphi_{3}\rangle 和 Aut ℚ ( E ) \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) 。

{ 1 } \{ 1\} 的固定域为 E E , ⟨ φ 1 ⟩ \langle\varphi_{1}\rangle 的固定域为 ℚ ( 3 ) \mathbb{Q}(\sqrt{3}) , ⟨ φ 2 ⟩ \langle\varphi_{2}\rangle 的固定域为 ℚ ( 6 ) \mathbb{Q}(\sqrt{6}) ,

⟨ φ 3 ⟩ \langle\varphi_{3}\rangle 的固定域为 ℚ ( 2 ) \mathbb{Q}(\sqrt{2}) , Aut ℚ ( E ) \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) 的固定域为 ℚ \mathbb{Q} 。

因为 Aut ℚ ( E ) \text{Aut}_{\mathbb{Q}}(E) 的子群都是正规子群,

所以包含 F F 的 E E 的中间域对 ℚ \mathbb{Q} 的扩张都是正规扩张。

习题 10

令 θ \theta 是本原 n n 次单位根,证明 | Aut ℚ ℚ ( θ ) | |\text{Aut}_{\mathbb{Q}}\mathbb{Q}(\theta)| 是 φ ( n ) \varphi(n) (欧拉函数)的因数。

证明: σ ∈ Aut ℚ ℚ ( θ ) \sigma \in \text{Aut}_{\mathbb{Q}}\mathbb{Q}(\theta) ,则 σ ( θ ) \sigma(\theta) 也是本原 n n 次单位根,

即存在唯一 k ( σ ) k(\sigma) 使得 σ ( θ ) = θ k ( σ ) \sigma(\theta) = \theta^{k(\sigma)} ,其中 1 ≤ k ( σ ) ≤ n 1 \leq k(\sigma) \leq n 且 ( k ( σ ) , n ) = 1 (k(\sigma),n) = 1 。

令 G = { k ¯ ∣ ( k , n ) = 1 } G = \{\overline{k} \mid (k,n) = 1\} ,易证 G G 关于 ℤ n \mathbb{Z}_{n} 的乘法运算是群。

定义映射 φ : Aut ℚ ℚ ( θ ) → G \varphi:\text{Aut}_{\mathbb{Q}}\mathbb{Q}(\theta) \rightarrow G , σ ↦ k ( σ ) ¯ \sigma \mapsto \overline{k(\sigma)} 。

若 τ ∈ Aut ℚ ℚ ( θ ) \tau \in \text{Aut}_{\mathbb{Q}}\mathbb{Q}(\theta) 且 τ ( θ ) = θ k ( τ ) \tau(\theta) = \theta^{k(\tau)} ,

则 θ k ( τ σ ) = ( τ σ ) ( θ ) = τ ( σ ( θ ) ) = τ ( θ k ( σ ) ) = θ k ( τ ) k ( σ ) \theta^{k(\tau\sigma)} = (\tau\sigma)(\theta) = \tau(\sigma(\theta)) = \tau(\theta^{k(\sigma)}) = \theta^{k(\tau)k(\sigma)} ,即 n ∣ k ( τ σ ) − k ( τ ) k ( σ ) n \mid k(\tau\sigma) - k(\tau)k(\sigma) 。

于是 φ ( τ σ ) = φ ( τ ) φ ( σ ) \varphi(\tau\sigma) = \varphi(\tau)\varphi(\sigma) , φ \varphi 是群同态。

若 k ( σ ) ¯ = 1 ¯ \overline{k(\sigma)} = \overline{1} ,则 σ = 1 \sigma = 1 ,即 φ \varphi 是群单同态。

于是 Aut ℚ ℚ ( θ ) \text{Aut}_{\mathbb{Q}}\mathbb{Q}(\theta) 可视为 G G 的子群, | G | = φ ( n ) |G| = \varphi(n) 。