- •Гдава I. Элементы теории полей
- •§ 1. Алгебраические числа и минимальные многочлены
- •§ 2. Простые расширения числовых полей и их строение.
- •§ 3. Конечные расширения и их связь с простыми алгебраическими расширениями
- •§ 4. Составные расширения
- •§ 5. Составные алгебраические расширения.
- •§ 6. Простота составного алгебраического расширения.
§ 2. Простые расширения числовых полей и их строение.
Напомним, что если
является подполем поля
,
то
называется расширением поля
.
В дальнейшем мы укажем некоторые типы
расширений и изучим их структуру. Начнем
с так называемых простых расширений.
Пусть
– фиксированное поле и
– число. Рассмотрим множество всех
полей, содержащих поле
и число
.
Это множество не пусто, так как само
поле
комплексных чисел принадлежит этому
множеству. Пересечение всех этих полей
также является полем, содержащим
и
,
причем это наименьшее по включению
поле, содержащее
и
.
Определение 2.
Пересечение всех полей, содержащих поле
и число
,
называется простым
расширением поля
с помощью
числа
и обозначается через
.
Сам процесс расширения называется
присоединением к полю
числа
.
Если – алгебраическое над полем число, то называют простым алгебраическим расширением, в противном случае – простым трансцендентным расширением поля .
Теорема 1 (о строении простого расширения). 1) Простое расширение состоит из всевозможных чисел, представимых в виде частного значений многочленов из кольца от числа , т.е.
(1)
2) Простое алгебраическое расширение состоит из чисел, представимых в виде значения многочленов из кольца от числа , т.е.
.
(2)
□ 1) Обозначим
через
правую часть равенства (1). Так как
и
,
в силу свойств поля
числа
,
(3)
принадлежат
для любых
неотрицательных чисел
и
,
т.е.
.
Обратно, так как
замкнуто относительно вычитания и
деления, то
есть подполе поля
и, следовательно, поле. Кроме того,
полагая в (3)
,
получим, что
.
Далее, считая в (3)
пробегающим все поле
,
,
заключаем, что
.
Но поскольку
– наименьшее поле, содержащее
и
,
имеем включение
.
Учитывая теперь доказанное выше включение
,
получаем равенство
.
Таким образом, справедливость равенства
(1) доказана.
2) Пусть теперь
– алгебраическое над полем
число и
обозначает правую часть равенства (2).
Ясно, что
.
Так как
замкнуто относительно вычитания и
умножения, то оно является подкольцом
поля
.
Это кольцо коммутативное и имеет
единицу. Докажем, что для каждого числа
из
обратное к нему число
также принадлежит
.
Тем самым будет доказано, что
является полем.
Пусть
– минимальный многочлен алгебраического
числа
.
Так как
,
,
то
не делится на
.
Поскольку, кроме того,
неприводим над полем
,
многочлены
и
являются взаимно простыми. Но тогда в
существуют
такие многочлены
и
,
что
.
(4)
Полагая здесь
,
получим
или
.
Итак,
– поле, которое, очевидно, содержит
и
.
В силу минимальности
имеем
и, следовательно,
.
◘
Замечание 1.
Если
– трансцендентно над полем
,
то не все числа поля
можно представить в виде
.
Например, число
представимо в таком виде. Действительно,
если предположить противное, т.е.
,
то
,
т.е.
есть корень многочлена
,
что противоречит трансцендентности
.
Примеры.
Найти
.
Так как
алгебраическое над полем
число, то по теореме 1
.
Учитывая, что натуральные степени
числа
содержатся среди чисел
,
заключаем, что
при любом
.
Отсюда легко получаем, что
=С.
Найти
.
Так как
– трансцендентное число, то по теореме
1
.
