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素域与特征

域的特征

定义

FF 为域。考虑映射 ψ:ZF\psi: \mathbb{Z} \to Fψ(n)=n1F\psi(n) = n \cdot 1_Fkerψ\ker \psiZ\mathbb{Z} 的理想,故 kerψ=(m)\ker \psi = (m)。定义 FF特征

char(F)={0若 kerψ={0}m若 kerψ=(m),m>0\operatorname{char}(F) = \begin{cases} 0 & \text{若 } \ker \psi = \{0\} \\ m & \text{若 } \ker \psi = (m), m > 0 \end{cases}

特征必为 00 或素数

定理:域的特征只能是 00 或素数。

证明:若 char(F)=n=n1n2\operatorname{char}(F) = n = n_1 n_2(合数),则 (n11)(n21)=n1=0(n_1 \cdot 1)(n_2 \cdot 1) = n \cdot 1 = 0。在域中无零因子,必有 n11=0n_1 \cdot 1 = 0n21=0n_2 \cdot 1 = 0,与 nn 的最小性矛盾。

素域

定义

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
00{m1n1m,nZ,n0}\{\frac{m \cdot 1}{n \cdot 1} \mid m, n \in \mathbb{Z}, n \neq 0\}Q\mathbb{Q}
pp{0,1,21,,(p1)1}\{0, 1, 2 \cdot 1, \ldots, (p-1) \cdot 1\}Fp=Zp\mathbb{F}_p = \mathbb{Z}_p

结论:任何域都包含 Q\mathbb{Q}Fp\mathbb{F}_p 之一作为其素域。

素域的泛性质

FF 为任意域。存在唯一的环同态 ι:PF\iota: P \to FPPQ\mathbb{Q}Fp\mathbb{F}_p),且 ι\iota 是单同态。因此可将 PP 视作 FF 的子域。

Frobenius 同态

在特征 p>0p > 0 的域中,映射:

Fr:FF,Fr(a)=ap\operatorname{Fr}: F \to F, \quad \operatorname{Fr}(a) = a^p

是域同态(Frobenius 自同态)。这由二项式定理在特征 pp 时的简化得来:

(a+b)p=ap+bp(在特征 p 中)(a + b)^p = a^p + b^p \quad (\text{在特征 } p \text{ 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

特征素域
Q,R,C\mathbb{Q}, \mathbb{R}, \mathbb{C}00Q\mathbb{Q}
Fp\mathbb{F}_pppFp\mathbb{F}_p 自身
Fpn\mathbb{F}_{p^n}ppFp\mathbb{F}_p
Q(2)\mathbb{Q}(\sqrt{2})00Q\mathbb{Q}
F(x)F(x)(有理函数域)FFFF 的素域