Алгебраические расширения полей

Алгебраические расширения полей

Алгебраические расширения полей

Введение.

В педагогических вузах введена программа единого курса алгебры и теории чисел. Главная цель этого курса—изучение основных алгебраических систем и воспитание алгебраической культуры, необходимой будущему учителю для глубокого понимания целей и задач как основного школьного курса математики, так и школьных факультативных курсов.

На наш взгляд, наиболее целесообразным является введение в школьное преподавание элементов современной абстрактной алгебры.

Начавшийся в ХХ веке процесс алгебраизации математики не прекращается, а это вызывает упорные попытки введения в школьное математическое образование основных алгебраических понятий.  

Математическая глубина и необычайно широкая сфера применения полей сочетаются с простотой ее основных положений – понятий полей, целый ряд важных теорем можно сформулировать и доказать, обладая начальными представлениями в области теории множеств. Поэтому теория полей как нельзя лучше подходит для того, чтобы показать школьникам образец современной математики.

Кроме того, изучение элементов теории поля полезно для школьников, способствует их интеллектуальному росту, проявляющемуся в развитии и обогащении различных сторон их мышления, качеств и черт личности, а также воспитанию у учащихся интереса к математике, к науке.

1. Простое алгебраическое расширение поля.

1.1.Простое расширение поля.

Пусть P[x] — кольцо полиномов от x над полем P, где P — подполе поля F. Напомним, что элемент a поля F называется алгебраическим над полем P, если a является корнем какого-нибудь полинома положительной степени из P [x].

Определение. Пусть P < F и a0F. Простым расширением поля P с помощью элемента a называется наименьшее подполе поля F, содержащее множество Р и элемент a. Простое расширение P с помощью a обозначается через P (a), основное множество поля P (a) обозначается через Р(a).

Пусть a0F, P [x] — кольцо полиномов от x и

P[x]={f(a)*f0P[x]},

т. е. P [a] есть множество всех выражений вида a0 + a1a+...+ anan, где а0, a1,...an0P и n — любое натуральное число.

Легко видеть, что алгебра +P[a], +, —, ., 1, — подкольцо поля P (a) — является кольцом; это кольцо обозначается символом P [a].

Теорема 1.1. Пусть P [x]— кольцо полиномов от х над P и P (a)— простое расширение поля P. Пусть y — отображение P[x] на P[a] такое, что y(f)=f(a) для любого f из P[x]. Тогда:

(а) для любого а из Р y (а) = а;

(b) y(x) = a;

(с) y является гомоморфизмом кольца P [x] на кольцо P [a];

(d) Ker y ={f0P[x]*f(a)=0};

(е) фактор-кольцо P [x]/Кег y изоморфно кольцу P [a].

Доказательство. Утверждения (а) и (Ь) непосредственно следуют из определения y. Отображение y сохраняет главные операции кольца P [x], так как для любых f и g из P[x]

y(f + g)=f(a)+g(a), y(fg)= f(a)g(a), y(1)=1.

Далее, по условию, y есть отображение Р[х] на Р[a]. Следовательно, y является гомоморфизмом кольца P [x] на кольцо P [a].

Утверждение (d) непосредственно следует из определения отображения y.

Поскольку y — гомоморфизм кольца P [x] на P [a], то фактор-кольцо P[x]/Кег y изоморфно кольцу P [a].

Следствие 1.2. Пусть a — трансцендентный элемент над полем P. Тогда кольцо полиномов P [x] изоморфно кольцу P [a].

Доказательство. В силу трансцендентности a над P Kery={0}. Поэтому P[x]/{0}– P [a]. Кроме того, фактор-кольцо кольца P [x] по нулевому идеалу изоморфно P [x]. Следовательно, P [x]– P [a].

1.2.Минимальный полином алгебраического элемента.

Пусть P [x] — кольцо полиномов над полем P.

Определение. Пусть a — алгебраический элемент над полем P. Минимальным полиномом элемента a, над P называется нормированный полином из P[x] наименьшей степени, корнем которого является a. Степень минимального полинома называется степенью элемента a над P.

Легко видеть, что для всякого элемента a, алгебраического над P , существует минимальный полином.

Предложение 1.3. Если а — алгебраический элемент над полем P, а g и j — его минимальные полиномы над P, то g=j.  

Доказательство. Степени минимальных полиномов g и j совпадают. Если g ¹ j, то элемент a (степени n над P) будет корнем полинома g - j, степень которого меньше степени полинома j (меньше n), что невозможно. Следовательно, g=j.  

Теорема 1.4. Пусть a — алгебраический элемент степени n над полем P (aóP) и g — его минимальный полином над P. Тогда:

(а) полином g неприводим в кольце P [x];

(b) если f (a) = 0, где f 0 P[x], то g делит f;

(с) фактор-кольцо P [x]/(g) изоморфно кольцу P [a];

(d) P [x]/(g) является полем;

(е) кольцо P [a] совпадает с полем P (a).

Доказательство. Допустим, что полином g приводим в кольце P [x], т. е. существуют в P[x] такие полиномы j и h, что

g = jh, 1£deg j, deg h1 над полем P; f и h — полиномы из кольца полиномов P [x]и h(a) ¹0. Требуется представить элемент f(a)/h(a)0P(a) в виде линейной комбинации степеней элемента a, т. е. в виде j(a),

где j0P[x].

Эта задача решается следующим образом. Пусть g — минимальный полином для a над P. Так как, по теореме 1.4, полином неприводим над P и h(a) ¹ 0, то g не делит h и, значит, полиномы h и g — взаимно простые. Поэтому существуют в P[x] такие полиномы u и v, что

uh+vg=1    (1)

Поскольку g(a) = 0, из (1) следует, что

u(a)g(a) = 1, 1/h(a) = u(a).

Следовательно, f(a)/h(a) = f(a)u(a), причем f,u 0P[x] и f(a)u(a)0P[a]. Итак, мы освободились от иррациональности в знаменателе дроби f(a)/h(a) .

Пример.

Освободиться от иррациональности в знаменателе дроби

.

Решение. В нашем случае a=. Минимальным многочленом этого числа является

p(x)=x3-2.

Многочлены p(x) и g(x)=-x2+x+1 взаимно просты. Поэтому существуют такие многочлены j и y, что

pj+gy=1.

Для отыскания j и y применим алгоритм Евклида к многочленам p и g:

  -x3-2     -x2+x+1   -x2+x+1 2x-1

  x3-x2-x   -x-1    -x2+1/2x         -1/2x+1/4

  x2+x-2 1/2x+1

  x2-x-1         1/2x-1/4

  2x-1     5/4

Таким образом,

p=g(-x-1)+(2x-1),

g=(2x-1)(-1/2x+1/4)+5/4.

Откуда находим

(2x-1)=p+g(x+1),

5/4=g-(p+g(x+1))(-1/2x+1/4)

или

p1/5(2x-1)+g(4/5+1/5(2x2+x-1))=1,

p1/5(2x-1)+g(2/5x2+1/5x+3/5)=1.

Таким образом,

y(x)= (2/5x2+1/5x+3/5).

Тогда

y(a)=y()=.

Следовательно

.

2.Составное алгебраическое расширение поля.

2.1. Конечное расширение поля.

Пусть P — подполе поля F. Тогда мы можем рассматривать F как векторное пространство над P, т. е. рассматривать векторное пространство +F, +, {wl½l 0P},,

где wl- операция умножения элементов из F на скаляр l0P.

Определение. Расширение F поля P называется конечным, если F, как векторное пространство над P, имеет конечную размерность. Эта размерность обозначается через [F : P].

Предложение 2.1. Если a — алгебраический элемент степени n над P, то [P (a):P]=n.

Это предложение непосредственно следует из теоремы 1.5.

Определение. Расширение F поля P называется алгебраическим, если каждый элемент из F является алгебраическим над P.

Теорема 2.2. Любое конечное расширение F поля P является алгебраическим над P.

Доказательство. Пусть n-размерность F над P. Теорема, очевидно, верна, если n = 0. Предположим, что n>0. Любые n+1 элементов из F линейно зависимы над P. В частности, линейно зависима система элементов 1, a, ..., an, т. е. существуют в P такие элементы  с0, с1,…,cn не все равные нулю, что с0×1+ с1a+…+cn an = 0.

Следовательно, элемент a является алгебраическим над P.  

Отметим, что существуют алгебраические расширения поля, не являющиеся конечными расширениями.

2.2. Составное алгебраическое расширение поля.  

Расширение F поля P называется составным, если существует

возрастающая цепочка подполей L i поля F такая, что

P = L0 — L1 —…— Lk= F и k>1.

Теорема 2.3. Пусть F — конечное расширение поля L и L — конечное расширение поля P. Тогда F является конечным расширением поля P и

[F : P] = [F : L]@[ L : P].  

Доказательство. Пусть

(1) a1,…,am — базис поля L над P (как векторного пространства) и

(2) b1,…,bn — базис поля F над L . Любой элемент d из F можно линейно выразить через базис:

(3) d = l1b1+...+lnbn (lk 0L).

Коэффициенты 1k можно линейно выразить через базис (1):

(4) lk = p1k a +…+ pmk am (pik0P).

Подставляя выражения для коэффициентов lk в (3), получаем

d = å pik aibk.

i0{1,…,m}

k0{1,…,n}

Таким образом, каждый элемент поля F представим в виде линейной комбинации элементов множества B, где

B = { a ibk½{1,..., m}, k 0 {l,..., n}}.

Отметим, что множество B состоит из nm элементов.

Покажем, что B есть базис F над полем P. Нам надо показать, что система элементов множества B линейно независима. Пусть

(5) åcikaibk = 0,

 I,k

где cik 0 P. Так как система (2) линейно независима над L , то из (5) следуют равенства

(6) с1ka 1+...+сmka m = 0 (k = 1,..., n).

Поскольку элементы a 1, ..., a m линейно независимы над P, то из (6) следуют равенства

c1k = 0,…,cmk = 0 (k = 1, ..., n),

показывающие, что все коэффициенты в (5) равны нулю. Таким образом, система элементов B линейно независима и является базисом F над P.

Итак установлено, что [F , P] = nm = [F: L]×[L: P]. Следовательно, F является конечным расширением поля P и имеет место формула (I).  

Определение. Расширение F поля P называется составным алгебраическим, если существует возрастающая цепочка подполей поля P

P = L0 — L1 —…— Lk= F и k>1 (1)

такая, что при i = 1,..., k поле L i является простым алгебраическим расширением поля  L i-1. Число k называется длиной цепочки (1).

Следствие 2.4. Составное алгебраическое расширение F поля P является конечным расширением поля P.

Доказательство легко проводится индукцией по длине цепочки (1) на основании теоремы 2.3.

Теорема 2.5. Пусть a1,..., ak — алгебраические над полем P элементы поля F . Тогда поле P(a1,..., ak) является конечным расширением поля P.

Доказательство. Пусть

L 0 = P, L 1 = P [a1], L 2= P [a1, a2,],..., L k = P [a1 ,..., ak].

Тогда L1 = P [a1] есть простое алгебраическое расширение поля L0; L2 есть простое алгебраическое расширение поля L1 , так как

L2 = P [a1,a2] = (P [a1])[a2] = L1[a2] = L1(a2) и т. д.

Таким образом,

P = L0 — L1 —…— Lk= F

где Li = Li-1(ai ) при i = 1, ..., k, т. е. каждый член цепочки (2) является простым алгебраическим расширением предшествующего члена цепочки. Итак, поле F является составным алгебраическим расширением поля P. Следовательно, в силу следствия 2.4 поле F является конечным расширением поля P .

Следствие 2.6. Составное алгебраическое расширение поля является алгебраическим расширением этого поля.

2.3. Простота составного алгебраического расширения поля.

Теорема 2.7. Пусть числовое поле F есть составное алгебраическое расширение поля P . Тогда F является простым алгебраическим расширением поля P.

Доказательство. Пусть P —L — F , причем L = P(a), F = L(b) и, следовательно, F = P(a, b).

Пусть f и g — минимальные полиномы над P соответственно для чисел a и b и deg f = m, deg g = n. Полиномы f и g неприводимы над P и, следовательно, не имеют в поле E комплексных чисел кратных корней. Пусть

a = a1 ,..., am — корни полинома f в C и

b = b1 ,..., bn — корни полинома g в C.

Рассмотрим конечное множество М:

M = {(ai-a)/(b-bk)½i0{1,…,m}, k0{2,…,n}}.

Поскольку P — числовое множество (и, значит, бесконечное), то в P существует число c, отличное от элементов множества М, c0P(М, cóМ. Пусть

(1) g = a + cb.

Тогда выполняются соотношения

(2) g ¹ ai +cbk = (i0{1,..., m}, k0{2, ..., n}).

В самом деле, в случае равенства a +сb = ai+сbk было бы

с = (ai-a)/(b-bk) 0 M

что противоречило бы выбору числа c.

Пусть F1 = P (g) и F1 — кольцо полиномов от x. Пусть h = f(g - cx) — полином из F1[x] (g, c0P(g) = F1). Покажем, что x-b есть наибольший общий делитель полиномов h и g в кольце F1[x]. Так как g(b) = 0, то x-b делит g в E[x]. Далее, в силу (1)

h(b) = f(g-cb) = f(a) = 0.

Поэтому x-b делит полином h в E[x]. Таким образом, x-b есть общий делитель h и g в кольце E[x].

Докажем, что g и h в С не имеет корней, отличных от b. В самом деле, допустим, что bk, k0{2 ,..., n}, есть их общий корень. Тогда h(bk) = f(g - сbk) = 0. Следовательно, найдется такой индекс i0{1 ,..., m}, что g = ai+cbk (k>1), а это противоречит (2). На основании этого заключаем, что x-b есть наибольший общий делитель g и h в E[x]. Поскольку x - b — нормированный полином, то отсюда следует, что x - b является наибольшим общим делителем g и h в кольце F1[x]. Поэтому

(x-b) 0 F1[x] и b 0 F1 = P(g).

Кроме того, a = g - cb 0 F1. Таким образом,

F = P(a, b)Ì F1, F1ÌF.

Следовательно, F = P(g). Далее, так как g (как и всякий элемент из F) есть алгебраический элемент над P и F = P (g), то поле F = P (g) является искомым простым алгебраическим расширением поля P.

2.4. Поле алгебраических чисел.

В классе подполей поля комплексных чисел одним из наиболее важных является поле алгебраических чисел.

Определение. Алгебраическим числом называется комплексное число, являющееся корнем полинома положительной степени с рациональными коэффициентами.

Отметим, что алгебраическое число есть любое комплексное число, алгебраическое над полем Q. В частности, любое рациональное число является алгебраическим.

Теорема 2.8. Множество A всех алгебраических чисел замкнуто в кольце E = +С, +, —, •, 1, комплексных чисел. Алгебра A = +А, +, —, •, 1, является полем, подполем поля E.

Доказательство. Пусть a и b — любые элементы из А. По следствию 2.6, поле Q(a, b) является алгебраическим над Q. Поэтому числа a+b, -а, ab, 1 являются алгебраическими, т. е. принадлежат множеству A. Таким образом, множество А замкнуто относительно главных операций кольца E. Поэтому алгебра A — подкольцо кольца E — является кольцом.

Кроме того, если a —ненулевой элемент из А, то a-1 0 Q (a, b) и поэтому а-1 принадлежит А. Следовательно, алгебра A есть поле, подполе поля E.  

Определение. Поле A = +А, +, —, •, 1, называется полем алгебраических чисел.

 

Пример.

Показать, что число a= является алгебраическим.

Решение. Из a= следует a-.

Возведем обе части последнего равенства в третью степень:

a3-3a29a-3=2

или

a3 +9a-2=3(a2+1).

Теперь обе части равенства возводим во вторую степень:

a6+18a4+81a2-4a3-36a+4=27a4+54a2+27

или

a6-9a4-4a3+27a2-36a-23=0.

Таким образом a является корнем многочлена

f(x)= a6-9a4-4a3+27a2-36a-23=0

с рациональными коэффициентами. Это значит что a — алгебраическое число.

2.5. Алгебраическая замкнутость поля алгебраических чисел.

Теорема 2.9. Поле алгебраических чисел алгебраически замкнуто.

Доказательство. Пусть A [x] — кольцо полиномов от x над полем A алгебраических чисел. Пусть

f = а0 + а1x+... + аnхn  (а0 ,…, аn 0 A)

— любой полином положительной степени из A[x]. Нам надо доказать, что f имеет корень в А. Так как f0C[x] и поле E алгебраически замкнуто, то f имеет корень в E т. е. существует такое комплексное число с, что f(с) = 0. Пусть  L= Q(а0, ..., аn) и L (с) — простое алгебраическое расширение поля L с помощью с. Тогда Q —L — L (c) есть конечное алгебраическое расширение поля L. По теореме 2.2, L есть конечное расширение поля Q. В силу теоремы 2.3 L (с) является конечным расширением поля Q. Отсюда, по теореме 2.2, следует, что поле L (с) является алгебраическим расширением поля Q и, значит, c0A. Таким образом, любой полином из A[x] положительной степени имеет в A корень, т. е. поле A алгебраически замкнуто.

3. Сепарабельные и несепарабельные расширения.

Пусть D — поле.

Выясним, может ли неразложимый в D[x] многочлен обладать кратными корнями?

Для того чтобы f(x) обладал кратными корнями, многочлены f(x) и fN(x) должны иметь общий отличный от константы множитель, который можно вычислить уже в D[x]. Если многочлен f(x) неразложим, то ни с каким многочленом меньшей степени f(x) не может иметь непостоянных общих множителей, следовательно, должно иметь место равенство f '(x) = 0.

Положим

          n                n     

f(x) =3anxn         fN(x) =3nanxn-1

          0                 1   

Так как fN(x) = О, в нуль должен обращаться каждый коэффициент:

nan = 0  (n = l, 2, ..., n).

В случае характеристики нуль отсюда следует, что an = 0 для всех n ¹ 0. Следовательно, непостоянный многочлен не может иметь кратных корней. В случае же характеристики p равенства nan = 0 возможны и для n ¹ 0, но тогда обязаны выполняться сравнения

nº0(p).

Таким образом, чтобы многочлен f(x) обладал кратными корнями, все его слагаемые должны обращаться в нуль, за исключением тех anxn, для которых nº0(p), т. е. f(x) должен иметь вид 

      f(x) = a0+apxp+a2px2p+…

Обратно: если f(x) имеет такой вид, то fN(x)=0.  

В этом случае мы можем записать:

f(x) = j(xp).

Тем самым доказано утверждение: В случае характеристики нуль неразложимый в D [x] многочлен f (x) имеет только простые корни, в случае оке характеристики p многочлен f(x) (если он отличен от константы) имеет кратные корни тогда и только тогда, когда его можно представить как многочлен j от xp.

В последнем случае может оказаться, что j(x) в свою очередь является многочленом от xp. Тогда f(x) является многочленом от xp2. Пусть f(x) — многочлен от xpe

f(x) = y( xpe),

но не является многочленом от xpe+1. Разумеется, многочлен y(у) неразложим. Далее, y¢(у) ¹ 0, потому что иначе y(у) имел бы вид c(ур) и, следовательно, f(x) представлялся бы в виде c(хpе+1), что противоречит предположению. Следовательно, y(у) имеет только простые корни.

Разложим многочлен y(у) в некотором расширении основного поля на линейные множители:     m  

           y(y) = J(y-bi).

              1 

Тогда

             m

           f(x) = J( xpe -bi)

             1  

Пусть ai— какой-нибудь корень многочлена xpe -bi. Тогда xipe = bi,

xpe -bi = xpe – aipe = (x-ai) pe.

Следовательно, ai является ре-кратным корнем многочлена xpe -bi и

             m

           f(x) = J( x -ai) ре.

             1  

Все корни многочлена f(x) имеют, таким образом, одну и ту же кратность ре.

Степень m многочлена y называется редуцированной степенью многочлена f(x) (или корня ai); число e называется показателем многочлена f (x) (или корня ai) над полем D. Между степенью, редуцированной степенью и показателем имеет место соотношение

             n = m ре,

где m равно числу различных корней многочлена f(x).  

Если q — корень неразложимого в кольце D[x] многочлена, обладающего лишь простыми корнями, то q называется сепарабельным элементом над D или элементом первого рода над D1). При этом неразложимый многочлен, все корни которого сепарабельны, называется сепарабельным. В противном случае алгебраический элемент q и неразложимый многочлен f(x) называются несепарабельными или элементом (соответственно, многочленом) второго рода. Наконец, алгебраическое расширение S, все элементы которого сепарабельны над D, называется сепарабельным над D, а любое другое алгебраическое расширение называется несепарабельным.

В случае характеристики нуль согласно сказанному выше каждый неразложимый многочлен (а потому и каждое алгебраическое расширение) является сепарабельным. Позднее мы увидим, что большинство наиболее важных и интересных расширений полей сепарабельны и что существуют целые классы полей, вообще не имеющих несепарабельных расширений (так называемые «совершенные поля»). По этой причине в дальнейшем все связанное специально с несепарабельными расширениями набрано мелким шрифтом.

Рассмотрим теперь алгебраическое расширение S = D (q). Когда степень n уравнения f(x) = 0, определяющего это расширение, равна степени (S : D), редуцированная степень m оказывается равной числу изоморфизмов поля S в следующем смысле: рассмотрим лишь такие изоморфизмы S@S', при которых элементы подполя D остаются неподвижными и, следовательно, S переводится в эквивалентное поле S' (изоморфизмы поля S над полем D) и при которых поле-образ S' лежит вместе с полем S внутри некоторого общего для них поля W. В этих условиях имеет место теорема:

При подходящем выборе поля W расширение S=D(q) имеет ровно m изоморфизмов над D и при любом выборе поля W поле S не может иметь более m таких изоморфизмов.

Доказательство. Каждый изоморфизм над D должен переводить элемент q в сопряженный с ним элемент q' из W. Выберем W так, чтобы f(x) разлагался над W на линейные множители; тогда окажется, что элемент q имеет ровно m сопряженных элементов q,q', ... При этом, как бы ни выбиралось поле W, элемент q не будет иметь в нем более m сопряженных. Заметим теперь, что каждый изоморфизм D(q)@D(q') над D полностью определяется заданием соответствия q®q'. Действительно, если q переходит в q' и все элементы из D остаются на месте, то элемент

3akqk    (ak0D)

должен переходить в

3akqNk

а этим определяется изоморфизм.

В частности, если q — сепарабельный элемент, то m = n и, следовательно, число изоморфизмов над основным полем равно степени расширения.

Если имеется какое-то фиксированное поле, содержащее все рассматриваемые поля, в котором содержатся все корни каждого уравнения f(x) = 0 (как, например, в поле комплексных чисел), то в качестве W можно раз и навсегда взять это поле и поэтому отбросить добавление «внутри некоторого W» во всех предложениях об изоморфизмах. Так всегда поступают в теории числовых полей. Позднее мы увидим, что и для абстрактных полей можно построить такое поле W.

Обобщением приведенной выше теоремы служит следующее утверждение:

Если расширение S получается из D последовательным присоединением m

алгебраических элементов a1, ..., am, причем каждое из ai,- является корнем

неразложимого над D(a1, ..., ai-1) уравнения редуцированной степени n'i, то

           m

расширение S имеет ровно Õni¢ изоморфизмов над D и ни в одном  

                  1

расширении нет большего числа таких изоморфизмов поля S.

Доказательство. Для m = 1 теорема уже была доказана выше. Предположим ее справедливой для расширения S1 = D(a1, ..., am-1): в некотором подходящем расширении

                m-1

W1 есть ровно Õ ni¢ изоморфизмов поля S над D.

           1      m-1

Пусть S1®S1— один из этих Õ ni¢ изоморфизмов. Утверждается, что в подходящим образом выбранном поле W он может быть продолжен до изоморфизма S = S1 (am) @ S= S(am) не более чем n¢m способами.

Элемент am удовлетворяет некоторому уравнению f1(x) = 0 над S1 с n¢m различными корнями. С помощью изоморфизма S1®S1многочлен f1(x) переводится в некоторый многочлен f1(x). Но тогда f1(x) в подходящем расширении имеет опять-таки n¢m различных корней и не больше. Пусть am— один из этих корней. В силу выбора элемента am изоморфизм S1@S1 продолжается до изоморфизма S (am) @ S (am) с am®am одним и только одним способом: действительно, это продолжение задается формулой

åckamk ®å ckamk

Так как выбор элемента am может быть осуществлен n'm способами, существует n'm продолжений такого сорта для выбранного изоморфизма å1®å1

Так как в свою очередь этот изоморфизм может быть выбран 

   m-1   

  Õ n'i способами,

   1

то всего существует (в том поле W, в котором содержатся все корни всех рассматриваемых уравнений)    

          m-1      m

          Õ n'i×n'm = Õ n'i

                1       1

изоморфизмов расширения S над полем D, что и требовалось доказать.

Если ni — полная (нередуцированная) степень элемента ai над D (a1,...,ai-1), то ni равно степени расширения D (a1, ... , ai) поля D(a1, ... , ai-1);

следовательно, степень (S : D) равна

                        m

Õ n'i .

                        1

Если сравнить это число с числом изоморфизмов  

               m

Õ n'i .

                        1

то получится следующее предложение:  

Число изоморфизмов расширения S = D(a1, ... , am) над D(в некотором подходящем расширении W) равно степени (S : D) тогда и только тогда, когда каждый элемент ai сепарабелен над полем D(a1, ... , ai-1). Если же хотя бы один элемент ai несепарабелен над соответствующим полем, то число изоморфизмов меньше степени расширения.

Из этой теоремы сразу получается несколько важных следствий. Прежде всего теорема утверждает, что свойство каждого элемента ai быть сепарабельным над предыдущим полем есть свойство самого расширения S независимо от выбора порождающих элементов ai. Так как произвольный элемент b поля может быть взят в качестве первого порождающего, элемент b оказывается сепарабельным, если все ai являются таковыми. Итак:

Если к полю D последовательно присоединяются элементы ai, ... ,an и каждый элемент ai оказывается сепарабельным над полем, полученным присоединением предыдущих элементов a1, a2 ,…,ai-1 то расширение

S = D(a1, ... ,an)

сепарабельно над D.

В частности, сумма, разность, произведение и частное сепарабедьных элементов сепарабельны.

Далее, если b сепарабелен над S, а поле S сепарабельно над D, то элемент b сепарабелен над D. Это объясняется тем, что b удовлетворяет некоторому уравнению с конечным числом коэффициентов a1, ... ,am из S и, следовательно, сепарабелен над D (a1, ... ,am). Тем самым сепарабельно и расширение

D (a1,..., am, b).

Наконец, имеет место следующее предложение: числа изоморфизмов конечного сепарабельного расширения S над полем D равно степени расширения (S : D).

4. Бесконечные расширения полей.

Каждое поле получается из своего простого подполя с помощью конечного или бесконечного расширения. В этой главе рассматриваются бесконечные расширения полей, сначала алгебраические, а затем — трансцендентные.

4.1. Алгебраически замкнутые поля

Среди алгебраических расширений заданного поля важную роль играют, конечно, максимальные алгебраические расширения, т. е. такие, которые не допускают дальнейшего алгебраического расширения. Существование таких расширений будет доказано в настоящем параграфе.

Чтобы поле W было максимальным алгебраическим расширением, необходимо следующее условие: каждый многочлен кольца W[x] полностью разлагается на линейные множители. Это условие является и достаточным. Действительно, если каждый многочлен в W[x] разлагается на линейные множители, то все простые многочлены в W[x] линейны и каждый элемент любого алгебраического расширения W' поля W оказывается корнем некоторого линейного многочлена x — a в W[x], т. е. совпадает с некоторым элементом a поля W.  

Поэтому дадим следующее определение:

Поле W называется алгебраически замкнутым, если любой многочлен в W[x] разлагается на линейные множители.

Равнозначное с этим определение таково: поле W, алгебраически замкнуто, если каждый отличный от константы многочлен из W[x] обладает в W хоть одним корнем, т. е. хоть одним линейным множителем в W[x].

Действительно, если такое условие выполнено и произвольно взятый многочлен f(x) разлагается на неразложимые множители, то все они должны быть линейными.

«Основная теорема алгебры» утверждает, что поле комплексных чисел алгебраически замкнуто. Следующим примером алгебраически замкнутого поля может служить поле всех комплексных алгебраических чисел, т. е. множество тех комплексных чисел, которые удовлетворяют какому-либо уравнению с рациональными коэффициентами. Комплексные корни уравнения с алгебраическими коэффициентами являются и в самом деле алгебраическими не только над полем алгебраических чисел, но и над полем рациональных чисел, т. е. сами являются алгебраическими числами.

Здесь мы покажем, как построить алгебраически замкнутое расширение произвольно заданного поля P и притом чисто алгебраическим путем. Штейницу принадлежит следующая

Основная теорема. Для каждого поля P существует алгебраически замкнутое алгебраическое расширение W. С точностью до эквивалентности это расширение определено однозначно: любые два алгебраически замкнутых алгебраических расширения W, W ' поля P эквивалентны.

Доказательству этой теоремы мы должны предпослать несколько лемм:

Лемма 1. Пусть W, — алгебраическое расширение поля Р. Достаточным условием для того, чтобы W было алгебраически замкнутым, является разложение на линейные множители любого многочлена из P[x] в кольце W[x].

Доказательство. Пусть f(x) — произвольный многочлен из W[x]. Если он не разлагается на линейные множители, то можно присоединить некоторый его корень a и прийти к собственному надполю W'. Элемент a является алгебраическим над W, а W является алгебраическим расширением поля P; следовательно, элемент a алгебраичен и над Р. Поэтому он является корнем некоторого многочлена g(x) из P[x]. Этот многочлен разлагается в W[x] на линейные множители. Следовательно, a —корень некоторого линейного множителя в W[x], т. е. принадлежит полю W, что противоречит предположению.

Лемма 2. Если поле P вполне упорядочено, то кольцо многочленов P[x] может быть вполне упорядочено и притом так, что в этом упорядочении поле P будет отрезком.

Доказательство. Определим отношение порядка между многочленами f(x) из P[x] следующим образом: пусть f(x)