域的特征
设 F 为域。考虑映射 ψ:Z→F,ψ(n)=n⋅1F。kerψ 是 Z 的理想,故 kerψ=(m)。定义 F 的特征:
char(F)={0m若 kerψ={0}若 kerψ=(m),m>0
特征必为 0 或素数
定理:域的特征只能是 0 或素数。
证明:若 char(F)=n=n1n2(合数),则 (n1⋅1)(n2⋅1)=n⋅1=0。在域中无零因子,必有 n1⋅1=0 或 n2⋅1=0,与 n 的最小性矛盾。
域的素域(Prime Field)是其最小的子域——即所有子域的交。
素域的分类
| 特征 | 素域 | 同构于 |
|---|
| 0 | {n⋅1m⋅1∣m,n∈Z,n=0} | Q |
| p | {0,1,2⋅1,…,(p−1)⋅1} | Fp=Zp |
结论:任何域都包含 Q 或 Fp 之一作为其素域。
素域的泛性质
设 F 为任意域。存在唯一的环同态 ι:P→F(P 为 Q 或 Fp),且 ι 是单同态。因此可将 P 视作 F 的子域。
Frobenius 同态
在特征 p>0 的域中,映射:
Fr:F→F,Fr(a)=ap
是域同态(Frobenius 自同态)。这由二项式定理在特征 p 时的简化得来:
(a+b)p=ap+bp(在特征 p 中)
Frobenius 自同态在有限域理论和代数数论中极为重要。
常见域的特征速查
| 域 | 特征 | 素域 |
|---|
| Q,R,C | 0 | Q |
| Fp | p | Fp 自身 |
| Fpn | p | Fp |
| Q(2) | 0 | Q |
| F(x)(有理函数域) | 同 F | 同 F 的素域 |