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有限體

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數學中,有限體(英語:finite field)或伽羅瓦體(英語:Galois field,為紀念埃瓦里斯特·伽羅瓦命名)是包含有限個元素。與其他體一樣,有限體是進行加減乘除運算都有定義並且滿足特定規則的集合。有限體最常見的例子是當 p 為質數時,整數對 p 取模

有限體的元素個數稱為它的

有限體在許多數學和計算機科學領體的基礎,包括數論代數幾何伽羅瓦理論有限幾何學密碼學編碼理論

定理

  • 有限體的階(有限體中元素的個數)是一個質數
  • 對於每個質數p和每個正整數n在同構的意義下存在惟一的階的有限體,並且所有元素都是方程式 的根,該體的特徵p
  • 有限體的乘法群是循環群。即若F是有限體,則存在使得
  • 有限體是完美體,即它的任何代數擴張一定是可分擴張
  • 有限體的有限擴張一定是伽羅瓦擴張,並且對應的伽羅瓦群循環群

存在性與唯一性

q = pn 為質數冪, F 為多項式

於質數體 GF(p) 上的分裂體。換言之, F 是最低階的有限體,使得 PF 內有 q 個互異的根(注意 P形式導數英語formal derivative ,因此 P 無重根)。

利用二項式定理,可證恆等式

在特徵為 p 的體上成立(中一新生之夢)。此恆等式說明 P 任兩根之和或積仍為 P 的根。同時, P 的根的乘法反元素仍是根,因此 P 的根構成一個 q 階的體。由 F 的最小性,可知此體即為 F

由於分裂體在同構意義下唯一, q 階體也在同構意義下唯一(已證其為 的分裂體)。而且,若體 F 有一個階為 的子體,則其元素恰為 q 個根,所以 F 不能包含另一個階為 q 的子體。

E·H·摩爾於 1893 年證明了以下的分類定理,可作為本節的總結:[1]

有限體的階為質數冪。對任意一個質數冪 q, 都存在 q 階的體,並且任意兩個 q 階的體都同構。該些體中,任意的元素 x 都滿足
且多項式 XqX 可分解成

由此可知,GF(pn) 有同構於 GF(pm) 的子體若且唯若 m 整除 n;該情況下,僅有唯一的子體與 GF(pm) 同構。多項式 XpmX 整除 XpnX 也是若且唯若 m 整除 n.

弗羅貝尼烏斯自同構和伽羅瓦理論

p 為質數, q = pn 為質數冪。

GF(q) 中,恆等式 (x + y)p = xp + yp 說明映射

GF(q)GF(p)-線性體自同構,其保持子體 GF(p) 的元素。該映射稱為弗比尼斯自同構,得名於費迪南德·格奧爾格·弗比尼斯

φkφk 次疊代,則

此前已證明 φn 為恆同映射。若 0 < k < n, 則自同構 φk 並非恆同映射,否則多項式

就有多於 pk 個根,矛盾。

此外 GF(q) 並無其他 GF(p)-自同構。換言之,GF(pn) 恰有 nGF(p)-自同構,其為

伽羅瓦理論觀之, GF(pn)GF(p)伽羅瓦擴展,且其伽羅瓦群為循環群

弗羅貝尼烏斯映射為滿射,因此任意一個有限體都是完美體英語perfect field

一些小型的有限體

F2:

+ 0 1
0 0 1
1 1 0
· 0 1
0 0 0
1 0 1

F3:

+ 0 1 2
0 0 1 2
1 1 2 0
2 2 0 1
· 0 1 2
0 0 0 0
1 0 1 2
2 0 2 1

F4: 考慮 方程式的根不在F2中。記其中一根為A, 則且另一根為

+ 0 1 A B
0 0 1 A B
1 1 0 B A
A A B 0 1
B B A 1 0
· 0 1 A B
0 0 0 0 0
1 0 1 A B
A 0 A B 1
B 0 B 1 A

參考文獻

  1. ^ Moore, E. H., A doubly-infinite system of simple groups, E. H. Moore; et al (編), Mathematical Papers Read at the International Mathematics Congress Held in Connection with the World's Columbian Exposition, Macmillan & Co.: 208–242, 1896 
  • 《近世代數》

參見