这是《抽象代数》的最终章。至此,终于能够解答第一章提出的问题:五次方程是否存在求根公式? 使用 Galois 理论可以一般地回答代数方程的根式可解性问题。
设多项式 p(x) ∈ F[x],那么代数方程 p(x) = 0 根式可解意味着 x 可以由 F 中的元素经过有限次加、减、乘、除和开方运算表示。这等于说方程的根在 F 经过有限次根式扩张 (radical extension) 得到的数域中,通过 Galois 对应可以得到相应的 Galois 群是可解群 (solvable group)。通过证明存在五次方程具有不可解的 Galois 群,就证明了它不存在根式解;于是,五次方程一般的求根公式也就不存在。
继续阅读 →《抽象代数》第三十二章讲的是 Galois 理论的核心内容。设 K 是 F 的分裂域,Galois 群是所有 K→K 且固定 F 的同构构成的群(群的运算为映射的复合),记作 Gal(K:F)。Galois 理论的关键内容是,K 和 F 的所有中间域 I (即 K⊆I⊆F) 和 Gal(K:F) 中的子群有着一一对应的关系。
继续阅读 →《抽象代数》的第三十一章讨论了一些零散的知识,为后续章节讨论 Galois 理论做铺垫。本章定义的新概念是分裂域(splitting field;书中称为 root field),它是包含某个多项式 p(x) 的所有根的最小域。
继续阅读 →《抽象代数》第三十章讨论了抽象代数的一个应用。古希腊三大几何难题——三等分角、立方倍积、化圆为方——在尺规作图的框架下的不可行性,用域扩张的理论可以得到优雅的证明。
继续阅读 →《抽象代数》第二十九章利用前一章的向量空间知识定义了一个重要概念:域扩张的次数。在有限扩域的情况下,域扩张的次数就是最小多项式的次数。例如,复数域 ℂ=ℝ(i) 是实数域 ℝ 的二次扩域(记作 [ℂ : ℝ] = 2),因为 i 的最小多项式是 x²+1。
本章的另一个重要结论是对于嵌套的有限扩域 F ⊆ K ⊆ E,有 [E : F] = [E : K][K : F],这在形式上和群论中子群的指数的关系很类似。
继续阅读 →《抽象代数》第二十八章讲的是向量空间的基础知识。本书对读者(比如我)的基础知识要求不高,专门用了一个章节讨论这些通常在线性代数课中应已涵盖的内容。在后续的章节中,常会把用域 F 中的元素视为数,扩域 K 中的元素视为“向量”,使他们构成一个向量空间,然后用向量空间的性质证明一些结论。
继续阅读 →《抽象代数》第二十七章讲的是域扩张 (extension of fields)。F[x] 中的多项式在 F 中不一定有根,但是,在比 F 更大的域 K 中可以有根。在初等数学中就有这样的例子:x²-2 和 x²+1 都是 ℚ[x] 中的多项式,但是它们的根分别在扩域 ℝ 和 ℂ 中。
本章研究了代数元、多项式和域扩张之间的联系。
- 凡是能作为 F[x] 中某个多项式的根的元素就是 F 的代数元 (algebraic);否则是超越元 (transcendental)。
- F 的任意代数元 a 都对应 F[x] 中的一个最小多项式 (minimum polynomial) p(x),使得 a 是 p(x) 的根。
- 对于 F[x] 中的任意多项式 p(x),总能找到适当的扩张 K ⊇ F,使得 p(x) 在 K 中有根。这就是域扩张基本定理。
继续阅读 →《抽象代数》第二十六章研究 F[x] 中将 x 代入具体数值,多项式作为函数时的行为。一个重要的结论是多项式的根与因式的关系:\[f(a) = 0 \iff (x-a) \mid f(x)\]这看上去是显然的。
特别地,这一章研究了几个常见的多项式环的可约性问题和求根问题:
- 给出了整系数多项式可能的有理根,以及在 ℚ 上不可约的 Eisenstein 判据。
- 给出了代数基本定理:不是常数的复系数多项式一定有复数根。进一步可知 ℂ[x] 中的多项式都可以分解为一次式的乘积;ℝ[x] 中的多项式都可以分解为一次式和不可约二次式的乘积。
继续阅读 →《抽象代数》第二十五章研究多项式的因式分解。常见的多项式环 ℚ[x]、ℝ[x] 和 ℂ[x] 都可以放到一般的 F[x] 中研究,其中 F 是域。
和整数类似,域上的多项式也可以做带余除法:a(x) = b(x)q(x) + r(x),其中 r(x)=0 或者 deg r(x) < deg b(x)。因此,F[x] 和整数环 ℤ 有很多类似的性质;它们属于同一类特殊的环,按特殊到一般的顺序列举如下:
- 可以做带余除法的整环是欧几里得整环 (Euclidean domain),由此可以推出任意理想都由其中次数最小的元素生成,因此是主理想。
- 理想都是主理想的整环是主理想整环 (Principal ideal domain, PID)。主理想整环中可以推导出 Bézout 引理和欧几里得引理,进一步可以证明唯一分解定理。
- 唯一分解定理成立的整环是唯一分解整环 (Unique factorization domain, UFD)。
继续阅读 →《抽象代数》第二十四章讲的是另一种常见的环:多项式环 (rings of polynomials)。环中的元素即初等代数研究的多项式
\[a(x) = a_0+a_1x+a_2x^2+\cdots+a_nx^n\]
其中,每一项的系数 \(a_i\) 都取自某个环 \(A\)。所有这样构成的多项式形成的环记作 \(A[x]\)。当 \(A\) 是含单位元的交换环(或整环)时,\(A[x]\) 也是含单位元的交换环(或整环);当 \(A\) 是域时,\(A[x]\) 总是可以做多项式除法。
可以从另一个角度看待多项式:向环 \(A\) 中引入新元素,构成一个新环。例如 \(\newcommand\Z{\mathbb Z}\Z[i]=\{a+b\sqrt{-1} : a,b\in\Z\}\) 包含了所有的所谓 Gauss 整数;这是通过向整数环引入虚数单位 \(\sqrt{-1}\) 得到的。
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