Mathematics · Libro 5 · Bachelor Year 3

Matemáticas universitarias — Grado 3

Matemáticas universitarias — Grado 3 · Bachelor Year 3

4Extensiones de cuerpos y teoría de Galois

¿Puede resolverse toda ecuación por radicales, como sugieren la fórmula de la ecuación de segundo grado y las fórmulas de Cardano para la cúbica? ¿Puede trisecarse un ángulo con regla y compás? Ambas preguntas, abiertas durante siglos, quedan respondidas — negativamente — por una sola idea de Évariste Galois: asociar a cada polinomio un grupo finito de simetrías de sus raíces y leer la respuesta en el grupo. Este capítulo construye el diccionario: extensiones de cuerpos y grados, cuerpos de descomposición y clausuras algebraicas, cuerpos finitos (una teoría completa — y la prometida ciclicidad de Fq×\mathbb F_q^\times), separabilidad y, por fin, la correspondencia de Galois misma, con demostraciones completas. La cosecha: la imposibilidad de las construcciones clásicas, la estructura de los cuerpos ciclotómicos y la imposibilidad de resolver por radicales la ecuación de quinto grado — la simplicidad de A5A_5 del Capítulo 1 dando en el blanco.

4.1 Extensiones, grado, algebraicidad

Definición 4.1

Una extensión de cuerpos L/KL/K es un cuerpo LL que contiene KK como subcuerpo; entonces LL es un KK-espacio vectorial, y el grado [L:K][L:K] es su dimensión. La extensión es finita si [L:K]<∞[L:K] < \infty. La característica de un cuerpo es el generador ≥0\geq 0 del núcleo de Z→K\Z \to K, n↦n⋅1n \mapsto n\cdot 1: es 00 o un primo pp; en consecuencia, KK contiene un menor subcuerpo (el cuerpo primo) isomorfo a Q\Q o a Fp=Z/pZ\mathbb F_p = \Z/p\Z.

Teorema 4.2 (Fórmula de los grados)

Si K⊆L⊆MK \subseteq L \subseteq M, entonces [M:K]=[M:L] [L:K][M:K] = [M:L]\,[L:K]: si (ei)(e_i) es una base de LL sobre KK y (fj)(f_j) una base de MM sobre LL, entonces (eifj)(e_if_j) es una base de MM sobre KK.

Demostración. Genera: x∈Mx \in M se escribe x=∑jλjfjx = \sum_j \lambda_jf_j (λj∈L\lambda_j \in L), y cada λj=∑iμijei\lambda_j = \sum_i \mu_{ij}e_i (μij∈K\mu_{ij} \in K): x=∑i,jμijeifjx = \sum_{i,j}\mu_{ij}e_if_j. Es independiente: ∑i,jμijeifj=0\sum_{i,j}\mu_{ij}e_if_j = 0 se reescribe ∑j(∑iμijei)fj=0\sum_j (\sum_i \mu_{ij}e_i)f_j = 0; las sumas interiores están en LL, luego se anulan (los fjf_j son independientes sobre LL); entonces todos los μij=0\mu_{ij} = 0 (los eie_i son independientes sobre KK). ∎

Definición 4.3

Sean L/KL/K y α∈L\alpha \in L. Si algún P∈K[X]P \in K[X] no nulo cumple P(α)=0P(\alpha) = 0, se dice que α\alpha es algebraico sobre KK; el generador mónico πα\pi_\alpha del ideal {P:P(α)=0}\{P : P(\alpha) = 0\} de K[X]K[X] es su polinomio mínimo, un polinomio irreducible (π=QR\pi = QR con Q(α)=0Q(\alpha) = 0 obliga a que RR sea constante, por la minimalidad del grado). En caso contrario, α\alpha es trascendente. Escribimos K(α)K(\alpha) para el menor subcuerpo de LL que contiene KK y α\alpha, y K[α]K[\alpha] para el menor subanillo.

Teorema 4.4

Si α\alpha es algebraico sobre KK con d=deg⁡παd = \deg\pi_\alpha, entonces

K(α)=K[α]≅K[X]/(πα),[K(α):K]=d,K(\alpha) = K[\alpha] \cong K[X]/(\pi_\alpha), \qquad [K(\alpha) : K] = d,

con base 1,α,…,αd−11, \alpha, \dots, \alpha^{d-1}. Recíprocamente, si [L:K]<∞[L:K] < \infty, todo α∈L\alpha \in L es algebraico de grado deg⁡πα\deg \pi_\alpha divisor de [L:K][L:K].

Demostración. La evaluación K[X]→LK[X] \to L, P↦P(α)P \mapsto P(\alpha), tiene imagen K[α]K[\alpha] y núcleo (πα)(\pi_\alpha); como πα\pi_\alpha es irreducible, K[X]/(πα)K[X]/(\pi_\alpha) es un cuerpo (la Proposición 2.4: en el DIP K[X]K[X], un irreducible genera un ideal maximal), luego K[α]K[\alpha] es un cuerpo que contiene KK y α\alpha: coincide con K(α)K(\alpha). Las clases de 1,X,…,Xd−11, X, \dots, X^{d-1} forman una base del cociente (división euclídea), de donde la base y el grado. Recíprocamente, si [L:K]=n<∞[L:K] = n < \infty: los 1,α,…,αn1, \alpha, \dots, \alpha^n son dependientes, lo que da un polinomio anulador; y entonces [K(α):K]=deg⁡πα[K(\alpha):K] = \deg\pi_\alpha divide a nn por la fórmula de los grados. ∎

Corolario 4.5

Si α,β\alpha, \beta son algebraicos sobre KK, también lo son α±β\alpha \pm \beta, αβ\alpha\beta, α/β\alpha/\beta (β≠0\beta \ne 0): los elementos de LL algebraicos sobre KK forman un subcuerpo de LL. Además, la algebraicidad es transitiva: algebraico sobre algebraico es algebraico.

Demostración. K(α,β)=(K(α))(β)K(\alpha, \beta) = (K(\alpha))(\beta) es finita sobre K(α)K(\alpha) (β\beta es algebraico sobre K⊆K(α)K \subseteq K(\alpha)) y K(α)/KK(\alpha)/K es finita: por la fórmula de los grados, [K(α,β):K]<∞[K(\alpha,\beta):K] < \infty, y todo elemento de K(α,β)K(\alpha, \beta) — incluidos los cuatro citados — es algebraico (el Teorema 4.4). Transitividad: si β\beta es algebraico sobre LL y L/KL/K es algebraica, los coeficientes c0,…,cm−1c_0, \dots, c_{m-1} de πβ/L\pi_{\beta/L} generan una extensión finita F=K(c0,…,cm−1)F = K(c_0, \dots, c_{m-1}) de KK (fórmula de los grados reiterada), y F(β)/FF(\beta)/F es finita: [F(β):K]<∞[F(\beta):K] < \infty, luego β\beta es algebraico sobre KK. ∎

Ejemplo 4.6

[Q(2):Q]=2[\Q(\sqrt2):\Q] = 2, [Q(23):Q]=3[\Q(\sqrt[3]2):\Q] = 3 (X3−2X^3 - 2 es irreducible: Eisenstein), [Q(ζp):Q]=p−1[\Q(\zeta_p):\Q] = p - 1 para ζp=e2iπ/p\zeta_p = \eu^{2\iu\pi/p} (Φp\Phi_p es irreducible, el Ejemplo 2.26). La fórmula de los grados es ya un arma: 23∉Q(2)\sqrt[3]2 \notin \Q(\sqrt2), pues 3∤23 \nmid 2.

4.2 Cuerpos de descomposición; clausura algebraica

Teorema 4.7 (Cuerpos de descomposición)

Sea P∈K[X]P \in K[X] no constante. Existe un cuerpo de descomposición de PP sobre KK: una extensión L=K(α1,…,αn)L = K(\alpha_1, \dots, \alpha_n) generada por raíces de PP en la que PP se descompone en factores lineales. Es único salvo KK-isomorfismo, y [L:K]≤(deg⁡P)![L:K] \leq (\deg P)!.

Demostración. Existencia, por inducción sobre deg⁡P\deg P: tómese un factor irreducible QQ de PP; el cuerpo K1=K[X]/(Q)K_1 = K[X]/(Q) contiene la raíz α1=Xˉ\alpha_1 = \bar X de QQ y, por tanto, de PP; escríbase P=(X−α1)P1P = (X - \alpha_1)P_1 sobre K1K_1 y aplíquese la inducción a P1P_1 sobre K1K_1; los grados multiplican a lo sumo n(n−1)⋯=n!n(n-1)\cdots = n!.

La unicidad se sigue del lema de extensión de isomorfismos, más fuerte: sean σ ⁣:K→K′\sigma \colon K \to K' un isomorfismo, P∈K[X]P \in K[X], PσP^\sigma el polinomio con los coeficientes trasladados y L,L′L, L' cuerpos de descomposición de P,PσP, P^\sigma; entonces σ\sigma se extiende a un isomorfismo L→L′L \to L'. Inducción sobre [L:K][L:K]: si PP se descompone en KK, entonces L=KL = K y L′=K′L' = K' (PσP^\sigma se descompone en K′K', y L′L' está generado por sus raíces). En caso contrario, elíjase una raíz α∈L∖K\alpha \in L \setminus K de un factor irreducible QQ de PP con deg⁡Q≥2\deg Q \geq 2; QσQ^\sigma es un factor irreducible de PσP^\sigma, con una raíz β∈L′\beta \in L'; entonces

K(α)≅K[X]/(Q)→ σ K′[X]/(Qσ)≅K′(β)K(\alpha) \cong K[X]/(Q) \xrightarrow{\ \sigma\ } K'[X]/(Q^\sigma) \cong K'(\beta)

extiende σ\sigma con α↦β\alpha \mapsto \beta. Ahora LL es un cuerpo de descomposición de PP sobre K(α)K(\alpha), y L′L' lo es de PσP^\sigma sobre K′(β)K'(\beta), con [L:K(α)]<[L:K][L : K(\alpha)] < [L:K]: la inducción extiende aún más hasta L→L′L \to L'. ∎

Definición 4.8

Un cuerpo Ω\Omega es algebraicamente cerrado si todo polinomio no constante de Ω[X]\Omega[X] tiene una raíz en Ω\Omega (y por tanto se descompone). Una clausura algebraica de KK es una extensión algebraica Kˉ/K\bar K/K con Kˉ\bar K algebraicamente cerrado.

Teorema 4.9 (Steinitz)

Todo cuerpo KK tiene una clausura algebraica, única salvo KK-isomorfismo.

Demostración. Existencia (construcción de Artin). Sea R=K[(Xf)f]R = K[(X_f)_f] el anillo de polinomios con una variable XfX_f por cada f∈K[X]f \in K[X] mónico no constante, y sea II el ideal generado por todos los f(Xf)f(X_f). II es propio: una relación 1=∑i=1rgi fi(Xfi)1 = \sum_{i=1}^r g_i\, f_i(X_{f_i}) involucra un número finito de polinomios; en un cuerpo de descomposición común EE de f1⋯frf_1\cdots f_r, tómense raíces αi\alpha_i de fif_i y evalúese Xfi↦αiX_{f_i} \mapsto \alpha_i (las demás variables ↦0\mapsto 0): 1=01 = 0, absurdo. Sea m⊇I\mathfrak m \supseteq I maximal (el Teorema 2.8; Zorn) y sea K1=R/mK_1 = R/\mathfrak m: una extensión de cuerpos de KK en la que todo f∈K[X]f \in K[X] no constante tiene una raíz, a saber Xˉf\bar X_f, y que es algebraica sobre KK (está generada por los Xˉf\bar X_f, cada uno algebraico). Iterando: K⊆K1⊆K2⊆⋯K \subseteq K_1 \subseteq K_2 \subseteq \cdots, donde Kn+1K_{n+1} hace con KnK_n lo que K1K_1 hizo con KK, y sea Ω=⋃nKn\Omega = \bigcup_n K_n, que es un cuerpo. Todo g∈Ω[X]g \in \Omega[X] no constante tiene sus finitos coeficientes en algún KnK_n; un factor irreducible de gg sobre KnK_n tiene una raíz en Kn+1⊆ΩK_{n+1} \subseteq \Omega: Ω\Omega es algebraicamente cerrado y algebraico sobre KK (cada KnK_n lo es, por transitividad, el Corolario 4.5): Ω\Omega es una clausura algebraica.

Unicidad. Sean Ω,Ω′\Omega, \Omega' dos clausuras algebraicas. Considérese el conjunto de los pares (E,τ)(E, \tau) con K⊆E⊆ΩK \subseteq E \subseteq \Omega y τ ⁣:E→Ω′\tau\colon E \to \Omega' una KK-inmersión, ordenado por extensión; es no vacío ((K,id)(K, \mathrm{id})) e inductivo (unión de una cadena), de modo que Zorn da un (E0,τ0)(E_0, \tau_0) maximal. Si E0≠ΩE_0 \neq \Omega, tómese α∈Ω∖E0\alpha \in \Omega\setminus E_0: πα/E0\pi_{\alpha/E_0} se transforma en un polinomio sobre τ0(E0)\tau_0(E_0) que tiene una raíz β\beta en el algebraicamente cerrado Ω′\Omega', y τ0\tau_0 se extiende a E0(α)→Ω′E_0(\alpha) \to \Omega' (α↦β\alpha \mapsto \beta), en contra de la maximalidad. Existe, pues, una KK-inmersión τ ⁣:Ω→Ω′\tau \colon \Omega \to \Omega'; su imagen, isomorfa a Ω\Omega, es algebraicamente cerrada, y Ω′\Omega' es algebraico sobre ella: para x∈Ω′x \in \Omega', πx/τ(Ω)\pi_{x/\tau(\Omega)} se descompone sobre τ(Ω)\tau(\Omega), luego x∈τ(Ω)x \in \tau(\Omega). Así pues, τ\tau es sobreyectiva: es un isomorfismo. ∎

Observación 4.10

Para K=QK = \Q puede evitarse la maquinaria transfinita: los números algebraicos Qˉ={z∈C:z algebraic over Q}\bar\Q = \{z \in \C : z \text{ algebraic over } \Q\} forman una clausura algebraica — un subcuerpo de C\C por el Corolario 4.5, algebraicamente cerrado porque C\C lo es (d’Alembert–Gauss, demostrado mediante análisis complejo en el Capítulo 16) y porque las raíces de polinomios sobre Qˉ\bar\Q son algebraicas sobre Q\Q por transitividad.

4.3 Cuerpos finitos

Teorema 4.11

Sea pp primo, n≥1n \geq 1, q=pnq = p^n.

  1. Un cuerpo finito tiene por cardinal una potencia de primo y, para cada qq, existe exactamente un cuerpo Fq\mathbb F_q de qq elementos salvo isomorfismo: el cuerpo de descomposición de Xq−XX^q - X sobre Fp\mathbb F_p.
  2. El Frobenius F ⁣:x↦xpF \colon x \mapsto x^p es un automorfismo de Fq\mathbb F_q, y el grupo de automorfismos de Fq\mathbb F_q es cíclico de orden nn, generado por FF.
  3. Fpm\mathbb F_{p^m} se sumerge en Fpn\mathbb F_{p^n} si y solo si m∣nm \mid n.

Demostración. (1) Un cuerpo finito EE tiene característica p>0p > 0 y es un Fp\mathbb F_p-espacio vectorial de dimensión finita: ∣E∣=pn\abs E = p^n. Su grupo multiplicativo tiene orden q−1q - 1, luego todo x∈Ex \in E cumple xq=xx^q = x: EE consta de qq raíces de Xq−XX^q - X y, por tanto, es un cuerpo de descomposición suyo sobre Fp\mathbb F_p — lo que determina EE salvo isomorfismo (el Teorema 4.7). Recíprocamente, en un cuerpo de descomposición LL de Xq−XX^q - X, el conjunto EE de sus raíces es un subcuerpo: (x+y)q=xq+yq(x + y)^q = x^q + y^q iterando el sueño del principiante (a+b)p=ap+bp(a+b)^p = a^p + b^p (p∣(pk)p \mid \binom pk), y (xy)q=xqyq(xy)^q = x^qy^q, (x−1)q=(xq)−1(x^{-1})^q = (x^q)^{-1}; y tiene exactamente qq elementos porque Xq−XX^q - X es separable: su derivada es qXq−1−1=−1qX^{q-1} - 1 = -1 (pues p∣qp \mid q), coprima con él, de modo que no hay raíces múltiples. Así, L=EL = E tiene qq elementos.

(2) FF es un morfismo de cuerpos (sueño del principiante), inyectivo (son cuerpos) y, por tanto, biyectivo sobre el conjunto finito Fq\mathbb F_q. Se tiene Fn=idF^n = \mathrm{id} (xq=xx^q = x) y ninguna potencia menor es la identidad: Fm=idF^m = \mathrm{id} significaría que los qq elementos son raíces de Xpm−XX^{p^m} - X, lo que obliga a pm≥qp^m \geq q. Así pues, ⟨F⟩\langle F\rangle es cíclico de orden nn; y no hay más automorfismos, por la cota ∣Aut⁡∣≤[ Fq:Fp ]=n\abs{\operatorname{Aut}} \leq [\,\mathbb F_q : \mathbb F_p\,] = n que se demuestra más abajo (la Proposición 4.16 con L=FqL = \mathbb F_q, K=FpK = \mathbb F_p: los automorfismos fijan el cuerpo primo).

(3) Si Fpm⊆Fpn\mathbb F_{p^m} \subseteq \mathbb F_{p^n}, la fórmula de los grados da pn=(pm)dp^n = (p^m)^d: m∣nm \mid n. Recíprocamente, si m∣nm \mid n, entonces pm−1∣pn−1p^m - 1 \mid p^n - 1 (suma geométrica), luego Xpm−XX^{p^m} - X divide a Xpn−XX^{p^n} - X (mismo argumento sobre los exponentes: Xa−1∣Xb−1X^{a} - 1 \mid X^{b} - 1 cuando a∣ba \mid b), y las raíces del primero dentro de Fpn\mathbb F_{p^n} forman el subcuerpo pedido, de cardinal pmp^m (separabilidad como en (1)). ∎

Teorema 4.12 (Ciclicidad)

Todo subgrupo finito del grupo multiplicativo de un cuerpo es cíclico. En particular, Fq×≅Z/(q−1)Z\mathbb F_q^\times \cong \Z/(q-1)\Z.

Demostración. Sea G≤K×G \leq K^\times finito. Por el teorema de estructura (el Corolario 3.13), G≅Z/d1×⋯×Z/dsG \cong \Z/d_1 \times \dots \times \Z/d_s con d1∣⋯∣dsd_1 \mid \dots \mid d_s. Todo x∈Gx \in G cumple entonces xds=1x^{d_s} = 1; pero Xds−1X^{d_s} - 1 tiene a lo sumo dsd_s raíces en el cuerpo KK: ∣G∣=d1⋯ds≤ds\abs G = d_1\cdots d_s \leq d_s, lo que obliga a s=1s = 1: GG es cíclico. ∎

Ejemplo 4.13

F8=F2[X]/(X3+X+1)\mathbb F_8 = \mathbb F_2[X]/(X^3 + X + 1): la cúbica no tiene raíces en F2\mathbb F_2, luego es irreducible. Escribiendo ω=Xˉ\omega = \bar X: F8×\mathbb F_8^\times es cíclico de orden 77, de modo que todo elemento ≠0,1\neq 0, 1 lo genera. Los subcuerpos de Fp12\mathbb F_{p^{12}} forman el retículo de divisores de 1212: Fp,Fp2,Fp3,Fp4,Fp6,Fp12\mathbb F_p, \mathbb F_{p^2}, \mathbb F_{p^3}, \mathbb F_{p^4}, \mathbb F_{p^6}, \mathbb F_{p^{12}} — un primer caso completo de la correspondencia de Galois.

4.4 Separabilidad e inmersiones

Definición 4.14

Un polinomio P∈K[X]P \in K[X] es separable si no tiene raíces múltiples en un cuerpo de descomposición — equivalentemente, gcd⁡(P,P′)=1\gcd(P, P') = 1 (una raíz múltiple es una raíz común; recíprocamente, sobre el cuerpo de descomposición una raíz común es múltiple; y el máximo común divisor no cambia al hacer una extensión de cuerpos, según el argumento del Corolario 3.17). Un elemento algebraico es separable si lo es su polinomio mínimo; una extensión L/KL/K es separable si lo son todos sus elementos.

Proposición 4.15

Un P∈K[X]P \in K[X] irreducible es separable salvo que P′=0P' = 0, lo que obliga a char⁡K=p>0\operatorname{char} K = p > 0 y P∈K[Xp]P \in K[X^p]. En consecuencia, toda extensión algebraica de un cuerpo de característica 00, y de un cuerpo finito, es separable (tales cuerpos se llaman perfectos).

Demostración. gcd⁡(P,P′)\gcd(P, P') divide a PP; si no es 11, la irreducibilidad obliga a gcd⁡=P\gcd = P (salvo una constante), luego P∣P′P \mid P' con deg⁡P′<deg⁡P\deg P' < \deg P: P′=0P' = 0. Escribiendo P=∑akXkP = \sum a_kX^k: kak=0ka_k = 0 para todo kk, de modo que en característica 00, PP es constante (excluido); y en característica pp, ak=0a_k = 0 salvo que p∣kp \mid k: P=Q(Xp)P = Q(X^p). Sobre un cuerpo finito, todo elemento es una potencia pp-ésima (el Frobenius es sobreyectivo), luego Q(Xp)=∑bkpXpk=(∑bkXk)pQ(X^p) = \sum b_k^p X^{pk} = (\sum b_kX^k)^p no es irreducible: allí tampoco puede ocurrir P′=0P' = 0 para PP irreducible. ∎

Proposición 4.16 (Recuento de inmersiones)

Sea L=K(α1,…,αr)L = K(\alpha_1, \dots, \alpha_r) finita sobre KK y sea σ ⁣:K→Ω\sigma \colon K \to \Omega una inmersión en un cuerpo algebraicamente cerrado. Entonces el número de extensiones de σ\sigma a LL es a lo sumo [L:K][L:K], con igualdad si L/KL/K es separable. En particular, ∣Aut⁡K(L)∣≤[L:K]\abs{\operatorname{Aut}_K(L)} \leq [L:K].

Demostración. Inducción sobre [L:K][L:K] mediante pasos simples. Para L=K(α)L = K(\alpha): una extensión τ\tau queda determinada por τ(α)\tau(\alpha), que ha de ser una raíz en Ω\Omega de πασ\pi_\alpha^\sigma; y recíprocamente cada una de esas raíces da una extensión (K(α)≅K[X]/(πα)K(\alpha) \cong K[X]/(\pi_\alpha)). El número de extensiones es el número de raíces distintas de πασ\pi_\alpha^\sigma en Ω\Omega: a lo sumo deg⁡πα=[K(α):K]\deg\pi_\alpha = [K(\alpha):K], con igualdad si y solo si πα\pi_\alpha es separable (la separabilidad de πσ\pi^\sigma y la de π\pi coinciden: σ\sigma conserva el máximo común divisor con la derivada). En general, factorícese L=K(α1)(α2,… )L = K(\alpha_1)(\alpha_2, \dots): las extensiones de σ\sigma a K(α1)K(\alpha_1) son ≤[K(α1):K]\leq [K(\alpha_1):K], y cada una se extiende de ≤[L:K(α1)]\leq [L : K(\alpha_1)] maneras por inducción; multiplíquese (fórmula de los grados). En el caso separable, ambos recuentos son igualdades: los polinomios mínimos sobre el cuerpo mayor K(α1)K(\alpha_1) dividen a los de KK y, por tanto, siguen siendo separables. ∎

Teorema 4.17 (Elemento primitivo)

Toda extensión finita separable es simple: L=K(γ)L = K(\gamma) para algún γ\gamma.

Demostración. Si KK es finito, también lo es LL, y sirve un generador γ\gamma del grupo cíclico L×L^\times (el Teorema 4.12). Sea KK infinito; por inducción basta tratar L=K(α,β)L = K(\alpha, \beta). Sea n=[L:K]n = [L:K]; por la Proposición 4.16 hay nn KK-inmersiones distintas σ1,…,σn ⁣:L→Ω\sigma_1, \dots, \sigma_n \colon L \to \Omega (Ω\Omega una clausura algebraica). El polinomio

D(T)=∏i<j[(σi(α)−σj(α))+T(σi(β)−σj(β))]D(T)=\prod_{i<j}\bigl[\bigl(\sigma_i(\alpha)-\sigma_j(\alpha) \bigr) + T\bigl(\sigma_i(\beta) - \sigma_j(\beta)\bigr)\bigr]

no es idénticamente nulo: un factor se anula idénticamente solo si σi,σj\sigma_i, \sigma_j coinciden tanto en α\alpha como en β\beta y, por tanto, en LL — excluido para i≠ji \neq j. Como KK es infinito, tómese c∈Kc \in K con D(c)≠0D(c) \ne 0: entonces los nn elementos σi(α+cβ)\sigma_i(\alpha + c\beta) son distintos dos a dos, luego γ=α+cβ\gamma = \alpha + c\beta tiene al menos nn conjugados distintos en Ω\Omega, es decir, deg⁡πγ≥n\deg \pi_\gamma \geq n: [K(γ):K]≥n=[L:K][K(\gamma):K] \geq n = [L:K] obliga a L=K(γ)L = K(\gamma). ∎

4.5 La correspondencia de Galois

Definición 4.18

Una extensión finita L/KL/K es de Galois si es el cuerpo de descomposición de un polinomio separable sobre KK. Su grupo de Galois es Gal⁡(L/K)=Aut⁡K(L)\operatorname{Gal}(L/K) = \operatorname{Aut}_K(L), el grupo de los automorfismos de cuerpo de LL que fijan KK punto a punto.

Proposición 4.19

Si L/KL/K es de Galois, entonces ∣Gal⁡(L/K)∣=[L:K]\abs{\operatorname{Gal}(L/K)} = [L:K]; además, L/FL/F es de Galois para todo cuerpo intermedio K⊆F⊆LK \subseteq F \subseteq L, y toda FF-inmersión L→Ω⊇LL \to \Omega \supseteq L tiene imagen LL (normalidad).

Demostración. Sea LL el cuerpo que descompone el polinomio separable PP sobre KK, y fijemos una clausura algebraica Ω⊇L\Omega \supseteq L. L/KL/K es separable: está generado por raíces de PP; la separabilidad de todo elemento se sigue del caso de igualdad de más abajo, pero argumentemos directamente — la Proposición 4.16 aplicada a los generadores (raíces del separable PP, cuyos polinomios mínimos dividen a PP) da exactamente [L:K][L:K] extensiones de K↪ΩK \hookrightarrow \Omega (en el paso inductivo, el polinomio mínimo de una raíz de PP sobre un cuerpo intermedio sigue dividiendo a PP y, por tanto, es separable). Cada una de esas inmersiones τ ⁣:L→Ω\tau \colon L \to \Omega permuta las raíces de PP (τ\tau fija los coeficientes), y LL está generado por ellas: τ(L)=L\tau(L) = L. Así pues, inmersiones == automorfismos: ∣Gal⁡(L/K)∣=[L:K]\abs{\operatorname{Gal}(L/K)} = [L:K]. Para FF intermedio: LL es también el cuerpo de descomposición de PP sobre FF, y PP sigue siendo separable: L/FL/F es de Galois; el mismo argumento da la normalidad sobre FF. ∎

Lema 4.20 (Artin)

Sea GG un grupo finito de automorfismos de un cuerpo LL y sea K=LG={x:σ(x)=x ∀σ∈G}K = L^G = \{x : \sigma(x) = x\ \forall\sigma \in G\} su cuerpo fijo. Entonces [L:LG]≤∣G∣[L : L^G] \leq \abs G.

Demostración. Sean n=∣G∣n = \abs G, G={σ1,…,σn}G = \{\sigma_1, \dots, \sigma_n\}, y supongamos que x1,…,xn+1∈Lx_1, \dots, x_{n+1} \in L son linealmente independientes sobre KK. El sistema lineal homogéneo de nn ecuaciones con n+1n+1 incógnitas (cj)(c_j) sobre LL,

∑j=1n+1cj σi(xj)=0(i=1,…,n),\sum_{j=1}^{n+1} c_j\,\sigma_i(x_j) = 0 \qquad (i = 1, \dots, n),

tiene una solución no nula; elíjase una con el menor número de entradas no nulas, digamos c1,…,cr≠0c_1, \dots, c_r \neq 0 (renumerando), r≥2r \geq 2 (una sola cjσi(xj)=0c_j\sigma_i(x_j) = 0 es imposible), normalizada con cr=1c_r = 1. No todos los cjc_j están en KK: la ecuación correspondiente a σi=id\sigma_i = \mathrm{id} contradiría la independencia; digamos c1∉Kc_1 \notin K, de modo que τ(c1)≠c1\tau(c_1) \ne c_1 para algún τ∈G\tau \in G. Apliquemos τ\tau a todas las ecuaciones: como τσi\tau\sigma_i recorre GG, el vector (τ(cj))j(\tau(c_j))_j es otra solución; restando, (cj−τ(cj))j(c_j - \tau(c_j))_j es una solución con menos entradas no nulas (la entrada rr-ésima 1−1=01 - 1 = 0 se anula, y la primera no) y no nula: contradicción. Así pues, n+1n+1 elementos cualesquiera son dependientes: [L:K]≤n[L:K] \leq n. ∎

Teorema 4.21 (Teorema fundamental de la teoría de Galois)

Sea L/KL/K una extensión de Galois de grupo G=Gal⁡(L/K)G = \operatorname{Gal}(L/K).

  1. LG=KL^G = K.
  2. Las aplicaciones H↦LHH \mapsto L^H y F↦Gal⁡(L/F)F \mapsto \operatorname{Gal}(L/F) son biyecciones mutuamente inversas y que invierten las inclusiones entre los subgrupos de GG y los cuerpos intermedios K⊆F⊆LK \subseteq F \subseteq L; además, [L:LH]=∣H∣[L : L^H] = \abs H y [LH:K]=[G:H][L^H : K] = [G : H].
  3. H⊴GH \trianglelefteq G si y solo si LH/KL^H/K es de Galois, y entonces la restricción induce Gal⁡(LH/K)≅G/H\operatorname{Gal}(L^H/K) \cong G/H.

Demostración. (1) Claramente K⊆LGK \subseteq L^G. Recíprocamente, sea α∈L∖K\alpha \in L \setminus K; exhibiremos σ∈G\sigma \in G con σ(α)≠α\sigma(\alpha) \ne \alpha. El polinomio mínimo πα\pi_\alpha sobre KK tiene grado ≥2\geq 2 y es separable (L/KL/K es separable, la Proposición 4.19), luego tiene otra raíz β≠α\beta \neq \alpha en una clausura algebraica Ω⊇L\Omega \supseteq L. Extiéndase la KK-inmersión K(α)→ΩK(\alpha) \to \Omega, α↦β\alpha \mapsto \beta, a una inmersión τ ⁣:L→Ω\tau\colon L \to \Omega (la Proposición 4.16); por normalidad (la Proposición 4.19), τ(L)=L\tau(L) = L, luego τ∈G\tau \in G, β=τ(α)∈L\beta = \tau(\alpha) \in L y τ(α)≠α\tau(\alpha) \neq \alpha.

(2) Para un subgrupo HH: L/LHL/L^H es de Galois (la Proposición 4.19) y Gal⁡(L/LH)⊇H\operatorname{Gal}(L/L^H) \supseteq H trivialmente, luego [L:LH]=∣Gal⁡(L/LH)∣≥∣H∣[L:L^H] = \abs{\operatorname{Gal}(L/L^H)} \geq \abs H; el lema de Artin da [L:LH]≤∣H∣[L:L^H] \leq \abs H: hay igualdad, y Gal⁡(L/LH)=H\operatorname{Gal}(L/L^H) = H. Para un cuerpo intermedio FF: como L/FL/F es de Galois, (1) aplicado a L/FL/F da LGal⁡(L/F)=FL^{\operatorname{Gal}(L/F)} = F. Las dos aplicaciones son mutuamente inversas y es evidente que invierten las inclusiones. Grados: [L:LH]=∣H∣[L:L^H] = \abs H acaba de demostrarse, y [LH:K]=[L:K]/[L:LH]=∣G∣/∣H∣[L^H:K] = [L:K]/[L:L^H] = \abs G/\abs H.

(3) Para σ∈G\sigma \in G y H≤GH \leq G: σ(LH)=LσHσ−1\sigma(L^H) = L^{\sigma H\sigma^{-1}} (comprobación directa). Por la biyección, σ(LH)=LH\sigma(L^H) = L^H para todo σ\sigma si y solo si H⊴GH \trianglelefteq G. Ahora bien, si H⊴GH \trianglelefteq G, póngase F=LHF = L^H: todo σ∈G\sigma \in G se restringe a un automorfismo de FF, lo que da un morfismo ρ ⁣:G→Aut⁡K(F)\rho \colon G \to \operatorname{Aut}_K(F) de núcleo {σ:σ↾F=id}=Gal⁡(L/F)=H\{\sigma : \sigma\restriction_F = \mathrm{id}\} = \operatorname{Gal}(L/F) = H. Así, G/HG/H se sumerge en Aut⁡K(F)\operatorname{Aut}_K(F), de donde ∣Aut⁡K(F)∣≥[G:H]=[F:K]\abs{\operatorname{Aut}_K(F)} \geq [G:H] = [F:K]; la desigualdad contraria vale siempre (la Proposición 4.16): ∣Aut⁡K(F)∣=[F:K]\abs{\operatorname{Aut}_K(F)} = [F:K] y ρ\rho es sobreyectivo. Queda ver que F/KF/K es de Galois: FF es separable sobre KK (dentro del separable L/KL/K) y F=K(γ)F = K(\gamma) (el Teorema 4.17); el polinomio ∏σ∈G/H(X−σ(γ))\prod_{\sigma \in G/H}\bigl(X - \sigma(\gamma)\bigr) (producto sobre las imágenes distintas, que están en FF: σ(F)=LσHσ−1=LH=F\sigma(F) = L^{\sigma H\sigma^{-1}} = L^H = F por la normalidad de HH) tiene los coeficientes fijados por GG y, por tanto, en KK por (1): es un polinomio separable de K[X]K[X] descompuesto por FF, y sus raíces generan FF: F/KF/K es de Galois. Recíprocamente, si F=LHF = L^H con F/KF/K de Galois, la normalidad de FF (la Proposición 4.19, aplicada a las inmersiones F→ΩF \to \Omega restringidas de elementos de GG) da σ(F)=F\sigma(F) = F para todo σ∈G\sigma \in G, es decir, H⊴GH \trianglelefteq G. ∎

La correspondencia de Galois para el cuerpo de descomposición L de X3 - 2 sobre ℚ (j = 2 π/3): los subgrupos de Gal(L/ℚ) S_3 (a la izquierda, con el orden invertido) se corresponden con los cuerpos intermedios (a la derecha). El único subgrupo normal propio (1\,2\,3) corresponde a la única subextensión ℚ( √3)/ℚ que es de Galois; los tres subgrupos conjugados (i\,j) corresponden a los tres cuerpos cúbicos conjugados ℚ(jk√[3]2), ninguno de los cuales es normal sobre ℚ.
La correspondencia de Galois para el cuerpo de descomposición LL de X3−2X^3 - 2 sobre Q\Q (j=e2iπ/3j = \eu^{2\iu\pi/3}): los subgrupos de Gal⁡(L/Q)≅S3\operatorname{Gal}(L/\Q) \cong S_3 (a la izquierda, con el orden invertido) se corresponden con los cuerpos intermedios (a la derecha). El único subgrupo normal propio ⟨(1 2 3)⟩\langle(1\,2\,3)\rangle corresponde a la única subextensión Q(i3)/Q\Q(\iu\sqrt3)/\Q que es de Galois; los tres subgrupos conjugados ⟨(i j)⟩\langle(i\,j)\rangle corresponden a los tres cuerpos cúbicos conjugados Q(jk23)\Q(j^k\sqrt[3]2), ninguno de los cuales es normal sobre Q\Q.

4.6 Extensiones ciclotómicas

Definición 4.22

Sean n≥1n \geq 1 y ζn=e2iπ/n\zeta_n = \eu^{2\iu\pi/n}. El polinomio ciclotómico de índice nn es Φn=∏gcd⁡(k,n)=1, 1≤k≤n(X−ζnk)\Phi_n = \prod_{\gcd(k,n)=1,\ 1 \le k \le n} \bigl(X - \zeta_n^k\bigr), de grado φ(n)\varphi(n); agrupando las raíces de Xn−1X^n - 1 según su orden exacto, Xn−1=∏d∣nΦdX^n - 1 = \prod_{d \mid n}\Phi_d, lo que muestra por inducción que Φn∈Z[X]\Phi_n \in \Z[X] (división euclídea de polinomios enteros mónicos).

Teorema 4.23

Φn\Phi_n es irreducible sobre Q\Q; por tanto [Q(ζn):Q]=φ(n)[\Q(\zeta_n) : \Q] = \varphi(n) y

Gal⁡(Q(ζn)/Q)  ≅  (Z/nZ)×,σa(ζn)=ζna.\operatorname{Gal}\bigl(\Q(\zeta_n)/\Q\bigr) \;\cong\; (\Z/n\Z)^\times, \qquad \sigma_a(\zeta_n) = \zeta_n^a .

Así pues, la extensión Q(ζn)/Q\Q(\zeta_n)/\Q es de Galois con grupo abeliano.

Demostración. Sea f=πζnf = \pi_{\zeta_n}, de modo que Φn=fg\Phi_n = fg con f,g∈Z[X]f, g \in \Z[X] mónicos (lema de Gauss, el Lema 2.23: los contenidos se multiplican y todos los polinomios son mónicos). Afirmación: si ζ\zeta es una raíz de ff y p∤np \nmid n es primo, entonces ζp\zeta^p es raíz de ff. En caso contrario, ζp\zeta^p sería raíz de gg (es una raíz nn-ésima primitiva de la unidad), luego ζ\zeta sería raíz de g(Xp)g(X^p), y f∣g(Xp)f \mid g(X^p) en Z[X]\Z[X] (polinomio mínimo y de nuevo Gauss). Redúzcase módulo pp: gˉ(Xp)=gˉ(X)p\bar g(X^p) = \bar g(X)^p (el Frobenius sobre Fp[X]\mathbb F_p[X]: coeficiente a coeficiente ap=aa^p = a, y sueño del principiante), luego fˉ∣gˉ p\bar f \mid \bar g^{\,p}: fˉ\bar f y gˉ\bar g comparten un factor irreducible y Φˉn=fˉgˉ\bar\Phi_n = \bar f\bar g tiene un factor múltiple. Entonces también lo tiene Xn−1ˉX^n - \bar 1; pero su derivada nˉXn−1\bar nX^{n-1} es coprima con él (p∤np \nmid n, y 00 no es raíz): contradicción.

Toda raíz primitiva ζnk\zeta_n^k (gcd⁡(k,n)=1\gcd(k, n) = 1) se obtiene de ζn\zeta_n mediante potencias sucesivas de primos que no dividen a nn (factorícese kk): la afirmación se propaga, de modo que toda raíz primitiva es raíz de ff: f=Φnf = \Phi_n, irreducible. En consecuencia, [Q(ζn):Q]=φ(n)[\Q(\zeta_n):\Q] = \varphi(n), y Q(ζn)\Q(\zeta_n) es el cuerpo de descomposición del separable Xn−1X^n - 1 (todas las raíces son potencias de ζn\zeta_n): es de Galois. Un automorfismo σ\sigma envía ζn\zeta_n a otra raíz primitiva ζna(σ)\zeta_n^{a(\sigma)}, y σ↦a(σ)\sigma \mapsto a(\sigma) es un morfismo inyectivo en (Z/nZ)×(\Z/n\Z)^\times; ambos grupos tienen orden φ(n)\varphi(n): es un isomorfismo. ∎

4.7 Regla y compás

Definición 4.24

Identifiquemos el plano con C\C y partamos de {0,1}\{0, 1\}. Un punto es construible si puede obtenerse mediante un número finito de intersecciones de rectas que pasan por dos puntos ya construidos y de circunferencias centradas en un punto construido con radio igual a la distancia entre dos puntos construidos.

Teorema 4.25 (Wantzel)

z∈Cz \in \C es construible si y solo si existe una torre Q=F0⊆F1⊆⋯⊆Fr\Q = F_0 \subseteq F_1 \subseteq \dots \subseteq F_r con [Fi+1:Fi]=2[F_{i+1} : F_i] = 2 y z∈Frz \in F_r. En particular, un número construible es algebraico de grado una potencia de 22 sobre Q\Q.

Demostración. (⇒\Rightarrow) Las coordenadas de la intersección de dos rectas que pasan por puntos con coordenadas en un subcuerpo F⊆RF \subseteq \R resuelven un sistema lineal sobre FF: permanecen en FF. Las intersecciones recta–circunferencia y circunferencia–circunferencia llevan, tras eliminar la parte lineal (restando las dos ecuaciones de las circunferencias se obtiene una recta), a una ecuación de segundo grado sobre FF: las nuevas coordenadas están en FF o en F(d)F(\sqrt d) para cierto d∈Fd \in F, d>0d > 0. Por inducción, todo punto construido tiene sus coordenadas en una torre de extensiones cuadráticas de Q\Q; y z=x+iyz = x + \iu y está también en una torre cuadrática (adjúntese i\iu: un paso cuadrático más). La consecuencia sobre el grado: [Q(z):Q][\Q(z):\Q] divide a [Fr:Q]=2r[F_r : \Q] = 2^r (fórmula de los grados).

(⇐\Leftarrow) Los números construibles forman un cuerpo: sumas y diferencias mediante paralelogramos (las paralelas son construibles: trácense dos veces perpendiculares — la perpendicular clásica por un punto usa una circunferencia y dos arcos); productos y cocientes mediante las configuraciones del teorema de Tales (dadas longitudes a,ba, b, constrúyanse abab y a/ba/b con triángulos semejantes sobre dos semirrectas). Y el cuerpo es cerrado por raíces cuadradas: para a>0a > 0, la circunferencia de diámetro 1+a1 + a y la perpendicular en el punto de unión se cortan a altura a\sqrt a (teorema de la altura en un triángulo rectángulo); para un w=ρeiθw = \rho\eu^{\iu\theta} complejo, constrúyase ρ\sqrt\rho y bisóquese θ\theta (la bisección de un ángulo es una construcción con compás). Las partes real e imaginaria de los elementos de una torre cuadrática son, por tanto, construibles por inducción sobre la torre: cada paso adjunta las raíces de una ecuación de segundo grado, expresables mediante operaciones de cuerpo y una raíz cuadrada de un número ya construido (la fórmula cuadrática; en característica 00). ∎

Corolario 4.26

Los tres problemas clásicos no tienen solución con regla y compás:

  1. Duplicación del cubo: 23\sqrt[3]2 tiene grado 33, que no es potencia de 22.
  2. Trisección del ángulo: trisecar 60∘60^\circ exige cos⁡20∘\cos 20^\circ, raíz del irreducible 8X3−6X−18X^3 - 6X - 1: grado 33.
  3. Cuadratura del círculo: π\sqrt\pi es trascendente (lo es π\pi — teorema de Lindemann, admitido aquí: su demostración pertenece a un curso de teoría de la trascendencia).

Además, el nn-ágono regular es construible si y solo si φ(n)\varphi(n) es una potencia de 22 (Gauss–Wantzel; el «si» usa el método del problema de fin de semana, y el «solo si» es el Teorema 4.25 aplicado a ζn\zeta_n, de grado φ(n)\varphi(n)). Para n=7n = 7: φ(7)=6\varphi(7) = 6: el heptágono regular es imposible; para n=17n = 17: φ(17)=16=24\varphi(17) = 16 = 2^4: es construible — y el problema de fin de semana lo construye.

Demostración. (1) X3−2X^3 - 2 es irreducible (Eisenstein). (2) De cos⁡3θ=4cos⁡3θ−3cos⁡θ\cos 3\theta = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta con 3θ=60∘3\theta = 60^\circ: 8c3−6c=18c^3 - 6c = 1 para c=cos⁡20∘c = \cos 20^\circ; la cúbica 8X3−6X−18X^3 - 6X - 1 no tiene raíces racionales (los candidatos ±1,±12,±14,±18\pm1, \pm\frac 12, \pm\frac14, \pm\frac18 fallan), luego es irreducible: grado 33. Un ángulo general de 60∘60^\circ es construible, de modo que un trisector construiría cc. (3) Si π\sqrt\pi fuera construible sería algebraico, y también lo sería π\pi. Para el nn-ágono: el grado de ζn\zeta_n es φ(n)\varphi(n) (el Teorema 4.23); la necesidad se sigue de Wantzel; y para la suficiencia, el grupo de Galois, abeliano de orden 2m2^m, admite una cadena de subgrupos de índice 22 (todo 22-grupo finito la admite: el Ejercicio 1.10), cuyos cuerpos fijos forman una torre cuadrática que termina en Q(ζn)\Q(\zeta_n) (el Teorema 4.21); se concluye por Teorema 4.25. ∎

4.8 Resolubilidad por radicales

Definición 4.27

Una extensión L/KL/K (característica 00 en toda esta sección) es radical si existe una torre K=F0⊆⋯⊆Fr=LK = F_0 \subseteq \dots \subseteq F_r = L con Fi+1=Fi(αi)F_{i+1} = F_i(\alpha_i), αini∈Fi\alpha_i^{n_i} \in F_i: cada paso adjunta una raíz nin_i-ésima. Un polinomio P∈K[X]P \in K[X] es resoluble por radicales si su cuerpo de descomposición está contenido en alguna extensión radical de KK.

Lema 4.28

Supongamos que KK contiene una raíz nn-ésima primitiva de la unidad ζ\zeta, es decir, un ζ\zeta de orden nn en K×K^\times, y sea a∈K×a \in K^\times. Entonces K(an)/KK(\sqrt[n]a)/K es de Galois con grupo cíclico. Recíprocamente — no lo necesitaremos —, toda extensión cíclica de grado nn es de esta forma. Además, K(ζn)/KK(\zeta_n)/K es de Galois con grupo abeliano, para todo KK de característica 00.

Demostración. Xn−aX^n - a es separable (gcd⁡\gcd con nXn−1nX^{n-1}: a≠0a \neq 0) y se descompone en K(α)K(\alpha), αn=a\alpha^n = a: sus raíces son los ζkα∈K(α)\zeta^k\alpha \in K(\alpha). Luego K(α)/KK(\alpha)/K es de Galois; la aplicación σ↦σ(α)/α∈μn=⟨ζ⟩\sigma \mapsto \sigma(\alpha)/\alpha \in \mu_n = \langle \zeta\rangle es un morfismo inyectivo (στ(α)=σ(τ(α)/α⋅α)=τ(α)/α⋅σ(α)\sigma\tau(\alpha) = \sigma(\tau(\alpha)/\alpha \cdot \alpha) = \tau(\alpha)/\alpha\cdot\sigma(\alpha), pues el cociente está en KK) en un grupo cíclico: Gal⁡\operatorname{Gal} es cíclico. El recíproco es la teoría de Kummer, que no necesitaremos (véase la observación siguiente). Para K(ζn)K(\zeta_n): descompone el separable Xn−1X^n - 1, y σ↦a(σ)\sigma \mapsto a(\sigma) con σ(ζn)=ζna(σ)\sigma(\zeta_n) = \zeta_n^{a(\sigma)} sumerge el grupo en el abeliano (Z/nZ)×(\Z/n\Z)^\times igual que en el Teorema 4.23 (la inyectividad solo necesita que ζn\zeta_n genere las raíces de la unidad implicadas). ∎

Teorema 4.29 (Galois)

Sea KK de característica 00 y sea P∈K[X]P \in K[X] con cuerpo de descomposición LL. Si PP es resoluble por radicales, entonces Gal⁡(L/K)\operatorname{Gal}(L/K) es un grupo resoluble. (El recíproco también es cierto; no lo necesitaremos.)

Demostración. Paso 1: agrandar la torre radical hasta hacerla de Galois. Sea L⊆ML \subseteq M con M/KM/K radical, de exponentes de radicación n1,…,nrn_1, \dots, n_r y n=n1⋯nrn = n_1\cdots n_r. Adjuntemos primero ζn\zeta_n: la torre K⊆K(ζn)⊆M(ζn)K \subseteq K(\zeta_n) \subseteq M(\zeta_n) sigue siendo radical (ζn\zeta_n es una raíz de la unidad: un paso radical, ζnn=1\zeta_n^n = 1) y sus pasos posteriores al primero ocurren sobre cuerpos que contienen las raíces de la unidad necesarias. Sustitúyase después M(ζn)M(\zeta_n) por el compuesto NN de todos los σ(M(ζn))\sigma(M(\zeta_n)), donde σ\sigma recorre las (finitas) KK-inmersiones de M(ζn)M(\zeta_n) en una clausura algebraica fija: NN es el cuerpo de descomposición del producto de los polinomios mínimos de un sistema generador (característica 00: finita y separable), luego N/KN/K es de Galois; y NN es radical sobre KK: cada σ(M(ζn))\sigma(M(\zeta_n)) es radical sobre KK (aplíquese σ\sigma a una torre radical), y un compuesto de extensiones radicales es radical (concaténense las torres: si F′/KF'/K es radical con torre que adjunta βj\beta_j, los pasos de tipo F′′(βj)F''(\beta_j) siguen siendo radicales sobre cualquier base mayor).

Paso 2: leer la resolubilidad en la torre de Galois. Supongamos, pues, L⊆NL \subseteq N con N/KN/K de Galois y radical, con torre K⊆K(ζn)=E0⊆E1⊆⋯⊆Es=NK \subseteq K(\zeta_n) = E_0 \subseteq E_1 \subseteq \dots \subseteq E_s = N y cada Ei+1=Ei(aini)E_{i+1} = E_i(\sqrt[n_i]{a_i}) con ζni∈E0⊆Ei\zeta_{n_i} \in E_0 \subseteq E_i. Sean G=Gal⁡(N/K)G = \operatorname{Gal}(N/K) y Gi=Gal⁡(N/Ei)G_i = \operatorname{Gal}(N/E_i): una cadena decreciente G⊇G0⊇G1⊇⋯⊇Gs={e}G \supseteq G_0 \supseteq G_1 \supseteq \dots \supseteq G_s = \{e\}. Cada Ei+1/EiE_{i+1}/E_i es de Galois con grupo cíclico (el Lema 4.28), luego, por el teorema fundamental aplicado a la extensión de Galois N/EiN/E_i (el Teorema 4.21(3), con grupo ambiente GiG_i): Gi+1⊴GiG_{i+1} \trianglelefteq G_i con Gi/Gi+1≅Gal⁡(Ei+1/Ei)G_i/G_{i+1} \cong \operatorname{Gal}(E_{i+1}/E_i) cíclico. Análogamente, E0/KE_0/K es de Galois con grupo abeliano G/G0G/G_0 (el Lema 4.28). La cadena exhibe GG como resoluble (la Proposición 1.29). Por último, Gal⁡(L/K)\operatorname{Gal}(L/K) es un cociente de GG: L/KL/K es de Galois (PP es separable en característica 00) y la restricción G→Gal⁡(L/K)G \to \operatorname{Gal}(L/K) es sobreyectiva (el Teorema 4.21(3) con H=Gal⁡(N/L)H = \operatorname{Gal}(N/L)); y los cocientes de grupos resolubles son resolubles. ∎

Corolario 4.30 (Insolubilidad de la ecuación de quinto grado)

Hay polinomios de grado 55 sobre Q\Q que no son resolubles por radicales: por ejemplo X5−4X+2X^5 - 4X + 2, cuyo grupo de Galois es S5S_5 (el Ejercicio 4.11), un grupo no resoluble (el Corolario 1.34). No puede existir ninguna fórmula general por radicales para el grado ≥5\geq 5.

Observación 4.31

El recíproco del Teorema 4.29 — que un grupo de Galois resoluble implica la resolubilidad por radicales — se demuestra descendiendo por la serie derivada y viendo que toda extensión cíclica (con suficientes raíces de la unidad) es radical, mediante las resolventes de Lagrange; explica por qué los grados 2,3,42, 3, 4 tienen fórmulas: S2,S3,S4S_2, S_3, S_4 son resolubles (el Ejemplo 1.30). Lo dejamos admitido a este nivel; un tratamiento completo corresponde a un curso de máster, pero el Ejercicio 4.8 lo hace concreto para la cúbica.

4.9 Ejercicios

Ejercicio 4.1 ★

Demostrar que [Q(2,3):Q]=4[\Q(\sqrt2, \sqrt3):\Q] = 4, que Q(2+3)=Q(2,3)\Q(\sqrt2 + \sqrt3) = \Q(\sqrt2, \sqrt3), y calcular el polinomio mínimo de 2+3\sqrt2 + \sqrt3 sobre Q\Q.

Solución

Solución de Ejercicio 4.1.

3∉Q(2)\sqrt3 \notin \Q(\sqrt2): de 3=a+b2\sqrt3 = a + b\sqrt2 (a,b∈Qa, b \in \Q), elevando al cuadrado se obtiene 3=a2+2b2+2ab23 = a^2 + 2b^2 + 2ab\sqrt2, luego ab=0ab = 0; b=0b = 0 haría racional 3\sqrt3, y a=0a = 0 daría 6=2b∈Q\sqrt6 = 2b \in \Q — ambas falsas (argumentos habituales de factorización en primos). Por tanto [Q(2,3):Q(2)]=2[\Q(\sqrt2,\sqrt3) : \Q(\sqrt2)] = 2 y la fórmula de los grados da grado 44.

Sea γ=2+3\gamma = \sqrt2 + \sqrt3. Entonces γ2=5+26\gamma^2 = 5 + 2\sqrt6 y (γ2−5)2=24(\gamma^2 - 5)^2 = 24: γ\gamma anula a X4−10X2+1X^4 - 10X^2 + 1. Además γ3=112+93\gamma^3 = 11\sqrt2 + 9\sqrt3, luego γ3−9γ=22\gamma^3 - 9\gamma = 2\sqrt2: 2∈Q(γ)\sqrt2 \in \Q(\gamma), y después 3=γ−2∈Q(γ)\sqrt3 = \gamma - \sqrt2 \in \Q(\gamma): Q(γ)=Q(2,3)\Q(\gamma) = \Q(\sqrt2,\sqrt3), de grado 44. La cuártica anuladora, al tener el grado del polinomio mínimo, es el polinomio mínimo: X4−10X2+1X^4 - 10X^2 + 1 (en particular es irreducible sobre Q\Q).

Ejercicio 4.2 ★

Sea α=23\alpha = \sqrt[3]2. Demostrar que Q(α)/Q\Q(\alpha)/\Q no es normal (exhíbase una inmersión Q(α)→C\Q(\alpha) \to \C cuya imagen no sea Q(α)\Q(\alpha)), determinar el cuerpo de descomposición LL de X3−2X^3 - 2 y [L:Q][L:\Q], y comprobar que Aut⁡Q(Q(α))={id}\operatorname{Aut}_\Q(\Q(\alpha)) = \{\mathrm{id}\}: para las extensiones que no son de Galois, el grupo de automorfismos puede ser mucho menor que el grado.

Solución

Solución de Ejercicio 4.2.

Las tres raíces de X3−2X^3 - 2 en C\C son α,jα,j2α\alpha, j\alpha, j^2\alpha con j=e2iπ/3j = \eu^{2\iu\pi/3}. La aplicación α↦jα\alpha \mapsto j\alpha define una Q\Q-inmersión Q(α)→C\Q(\alpha) \to \C (el Teorema 4.4: ambos generan extensiones de grado 33 con el mismo polinomio mínimo), cuya imagen Q(jα)⊈R\Q(j\alpha) \not\subseteq \R es distinta de Q(α)⊆R\Q(\alpha) \subseteq \R: Q(α)/Q\Q(\alpha)/\Q no es normal. El cuerpo de descomposición es L=Q(α,j)L = \Q(\alpha, j), con [L:Q]=[L:Q(α)] [Q(α):Q]=2⋅3=6[L:\Q] = [L:\Q(\alpha)]\,[\Q(\alpha):\Q] = 2 \cdot 3 = 6 (jj cumple X2+X+1X^2 + X + 1, irreducible sobre el cuerpo real Q(α)\Q(\alpha)). Un automorfismo de Q(α)\Q(\alpha) ha de enviar α\alpha a una raíz de X3−2X^3 - 2 dentro de Q(α)⊆R\Q(\alpha) \subseteq \R: solo α\alpha sirve, luego Aut⁡Q(Q(α))={id}\operatorname{Aut}_\Q(\Q(\alpha)) = \{\mathrm{id}\}, de orden 1<31 < 3.

Ejercicio 4.3 ★

Construir F9\mathbb F_9 como F3[X]/(X2+1)\mathbb F_3[X]/(X^2+1) y hallar un generador de F9×\mathbb F_9^\times. Listar los polinomios mónicos irreducibles de grados 1,2,31, 2, 3 sobre F2\mathbb F_2, y comprobar que X8−X=X(X+1)(X3+X+1)(X3+X2+1)X^8 - X = X(X+1)(X^3+X+1)(X^3+X^2+1) sobre F2\mathbb F_2.

Solución

Solución de Ejercicio 4.3.

X2+1X^2 + 1 no tiene raíces en F3\mathbb F_3 (0,1,2↦1,2,20, 1, 2 \mapsto 1, 2, 2), luego F9=F3[X]/(X2+1)\mathbb F_9 = \mathbb F_3[X]/(X^2+1) es un cuerpo de 99 elementos; escribamos ω=Xˉ\omega = \bar X, ω2=−1\omega^2 = -1. El grupo F9×\mathbb F_9^\times es cíclico de orden 88; ω\omega tiene orden 44, pero 1+ω1 + \omega sirve: (1+ω)2=1+2ω+ω2=2ω(1+\omega)^2 = 1 + 2\omega + \omega^2 = 2\omega, (1+ω)4=4ω2=ω2=−1≠1(1+\omega)^4 = 4\omega^2 = \omega^2 = -1 \ne 1: orden 88.

Sobre F2\mathbb F_2 — grado 11: XX, X+1X + 1; grado 22: X2+X+1X^2 + X + 1 (las otras tres cuadráticas tienen raíces); grado 33: X3+X+1X^3 + X + 1 y X3+X2+1X^3 + X^2 + 1 (sin raíces en F2\mathbb F_2; las otras seis cúbicas tienen raíces). Comprobación:

(X3+X+1)(X3+X2+1)=X6+X5+X4+X3+X2+X+1,(X^3{+}X{+}1)(X^3{+}X^2{+}1) = X^6 + X^5 + X^4 + X^3 + X^2 + X + 1,

y X(X+1)(X6+⋯+1)=X(X7+1)=X8+X=X8−XX(X{+}1)(X^6 + \dots + 1) = X(X^7 + 1) = X^8 + X = X^8 - X sobre F2\mathbb F_2 — exactamente los irreducibles de grado divisor de 33, como predice el Ejercicio 4.6 (falta el grado 22: 2∤32 \nmid 3).

Ejercicio 4.4 ★★

(a) Hallar todas las raíces primitivas módulo 77 y módulo 1111 (es decir, los generadores de F7×\mathbb F_7^\times, F11×\mathbb F_{11}^\times). (b) Demostrar que, para pp impar, x∈Fp×x \in \mathbb F_p^\times es un cuadrado si y solo si x(p−1)/2=1x^{(p-1)/2} = 1 (criterio de Euler), y recuperar el criterio para −1-1 del Problema 2.1.

Solución

Solución de Ejercicio 4.4.

(a) Módulo 77: las potencias de 33 son 3,2,6,4,5,13, 2, 6, 4, 5, 1: orden 66, es un generador; las raíces primitivas son los 3k3^k con gcd⁡(k,6)=1\gcd(k, 6) = 1: 33 y 35=53^5 = 5. Módulo 1111: potencias de 22: 2,4,8,5,10,9,7,3,6,12, 4, 8, 5, 10, 9, 7, 3, 6, 1: es un generador; raíces primitivas 2k2^k, gcd⁡(k,10)=1\gcd(k, 10) = 1: 2,23=8,27=7,29=62, 2^3 = 8, 2^7 = 7, 2^9 = 6.

(b) Escríbase x=gkx = g^k con gg un generador (el Teorema 4.12). Entonces xx es un cuadrado si y solo si kk es par (los cuadrados son los g2lg^{2l}, y g2l=gkg^{2l} = g^{k} si y solo si k≡2l mod p−1k \equiv 2l \bmod p-1, resoluble si y solo si kk es par, por ser p−1p - 1 par). Y x(p−1)/2=gk(p−1)/2=1x^{(p-1)/2} = g^{k(p-1)/2} = 1 si y solo si (p−1)∣kp−12(p-1) \mid k\frac{p-1}2, si y solo si kk es par: las dos condiciones coinciden. Para x=−1=g(p−1)/2x = -1 = g^{(p-1)/2}: es un cuadrado si y solo si p−12\frac{p-1}2 es par, si y solo si p≡1(mod4)p \equiv 1 \pmod 4 — de nuevo el Problema 2.1.

Ejercicio 4.5 ★★

Demostrar que Fpm∩Fpn=Fpgcd⁡(m,n)\mathbb F_{p^m} \cap \mathbb F_{p^n} = \mathbb F_{p^{\gcd(m,n)}} y FpmFpn=Fplcm⁡(m,n)\mathbb F_{p^m}\mathbb F_{p^n} = \mathbb F_{p^{\operatorname{lcm}(m,n)}} dentro de una clausura algebraica fija Fˉp\bar{\mathbb F}_p, y describir Gal⁡(Fpn/Fpm)\operatorname{Gal}(\mathbb F_{p^n}/\mathbb F_{p^m}) para m∣nm \mid n.

Solución

Solución de Ejercicio 4.5.

Dentro de Fˉp\bar{\mathbb F}_p, Fpk={x:xpk=x}\mathbb F_{p^k} = \{x : x^{p^k} = x\} es el conjunto de puntos fijos de FkF^k. La intersección Fpm∩Fpn\mathbb F_{p^m} \cap \mathbb F_{p^n} queda fijada por FmF^m y por FnF^n, luego por Fgcd⁡(m,n)F^{\gcd(m,n)} (gcd⁡=am+bn\gcd = am + bn: sobre un elemento fijo, Fam+bn=(Fm)a(Fn)bF^{am + bn} = (F^m)^a(F^n)^b actúa trivialmente — los exponentes pueden tomarse positivos por periodicidad); así que está en Fpgcd⁡(m,n)\mathbb F_{p^{\gcd(m,n)}}, que recíprocamente está contenido en ambos (el Teorema 4.11(3)). El compuesto FpmFpn\mathbb F_{p^m}\mathbb F_{p^n}: todo cuerpo que contenga a ambos tiene grado divisible por mm y por nn, luego por lcm⁡(m,n)\operatorname{lcm}(m,n); y Fplcm⁡\mathbb F_{p^{\operatorname{lcm}}} contiene a ambos: es el compuesto. Para m∣nm \mid n: Gal⁡(Fpn/Fpm)\operatorname{Gal}(\mathbb F_{p^n}/\mathbb F_{p^m}) consta de las potencias de FF que fijan Fpm\mathbb F_{p^m}, es decir, de FmF^m: cíclico de orden n/mn/m, generado por Fm ⁣:x↦xpmF^m \colon x \mapsto x^{p^m} (orden como en Teorema 4.11(2)).

Ejercicio 4.6 ★★

Sea Id(q)I_d(q) el número de polinomios mónicos irreducibles de grado dd sobre Fq\mathbb F_q. Demostrar

Xqn−X  =  ∏d∣n ∏P irred. monic, deg⁡P=dP,luegoqn=∑d∣nd Id(q).X^{q^n} - X \;=\; \prod_{d \mid n}\ \prod_{P \text{ irred. monic, } \deg P = d} P , \qquad\text{luego}\qquad q^n = \sum_{d \mid n} d\, I_d(q).

Deducir I1,I2,I3,I4I_1, I_2, I_3, I_4 explícitamente, y que Id(q)≥1I_d(q) \geq 1 para todo dd (de modo que las extensiones Fqd/Fq\mathbb F_{q^d}/\mathbb F_q existen como cocientes Fq[X]/(P)\mathbb F_q[X]/(P) para todo dd).

Solución

Solución de Ejercicio 4.6.

Xqn−XX^{q^n} - X es separable (derivada −1-1) y su conjunto de raíces es Fqn\mathbb F_{q^n}. Sea PP mónico irreducible de grado dd. Si d∣nd \mid n: Fq[X]/(P)≅Fqd⊆Fqn\mathbb F_q[X]/(P) \cong \mathbb F_{q^d} \subseteq \mathbb F_{q^n}, luego PP tiene una raíz α∈Fqn\alpha \in \mathbb F_{q^n}; αqn=α\alpha^{q^n} = \alpha, y P=παP = \pi_\alpha divide a Xqn−XX^{q^n} - X. Si P∣Xqn−XP \mid X^{q^n} - X: una raíz α∈Fqn\alpha \in \mathbb F_{q^n} genera Fqd⊆Fqn\mathbb F_{q^d} \subseteq \mathbb F_{q^n}, luego d∣nd \mid n (el Teorema 4.11(3)). Los irreducibles distintos son coprimos y el producto es separable: cada PP aparece con exponente exactamente 11, y toda raíz de Xqn−XX^{q^n}-X es raíz de su polinomio mínimo: la factorización se cumple. Comparando grados: qn=∑d∣nd Id(q)q^n = \sum_{d\mid n} d\,I_d(q).

En consecuencia, I1=qI_1 = q; q2=I1+2I2q^2 = I_1 + 2I_2 da I2=q2−q2I_2 = \frac{q^2 - q}2; q3=I1+3I3q^3 = I_1 + 3I_3 da I3=q3−q3I_3 = \frac{q^3 - q}3; q4=I1+2I2+4I4q^4 = I_1 + 2I_2 + 4I_4 da I4=q4−q24I_4 = \frac{q^4 - q^2}4. Existencia: nIn=qn−∑d∣n, d<ndId≥qn−∑d≤n/2qd>qn−qn/2+1≥0nI_n = q^n - \sum_{d \mid n,\, d < n} dI_d \geq q^n - \sum_{d \leq n/2} q^d > q^n - q^{n/2 + 1} \geq 0 para n≥2n \geq 2 (y I1=q≥1I_1 = q \geq 1): In≥1I_n \geq 1 siempre.

Ejercicio 4.7 ★★

Determinar Gal⁡(Q(2,3)/Q)\operatorname{Gal}(\Q(\sqrt2,\sqrt3)/\Q) y el retículo completo de cuerpos intermedios. La misma pregunta para el cuerpo de descomposición de (X2−2)(X2−3)(X2−6)(X^2-2)(X^2-3)(X^2-6) — ¿qué se observa?

Solución

Solución de Ejercicio 4.7.

L=Q(2,3)L = \Q(\sqrt2, \sqrt3) es el cuerpo de descomposición de (X2−2)(X2−3)(X^2 - 2)(X^2 - 3), que es separable: de Galois de grado 44 (el Ejercicio 4.1). Un automorfismo envía 2↦±2\sqrt2 \mapsto \pm\sqrt2 y 3↦±3\sqrt3 \mapsto \pm\sqrt3: a lo sumo 44 posibilidades, y ∣G∣=4\abs G = 4 las realiza todas: G≅(Z/2Z)2G \cong (\Z/2\Z)^2, con elementos id,σ(2↦−2),τ(3↦−3),στ\mathrm{id}, \sigma (\sqrt2 \mapsto -\sqrt2), \tau (\sqrt3\mapsto-\sqrt3), \sigma\tau. Subgrupos de orden 22: ⟨σ⟩,⟨τ⟩,⟨στ⟩\langle\sigma\rangle, \langle\tau\rangle, \langle\sigma\tau\rangle, con cuerpos fijos Q(3)\Q(\sqrt3), Q(2)\Q(\sqrt2), Q(6)\Q(\sqrt6) (obsérvese que στ\sigma\tau fija 6=23\sqrt6 = \sqrt2\sqrt3). El retículo: Q\Q abajo, los tres cuerpos cuadráticos en medio y LL arriba — y nada más (el Teorema 4.21). Para (X2−2)(X2−3)(X2−6)(X^2-2)(X^2-3)(X^2-6): el cuerpo de descomposición es el mismo LL (6=23\sqrt6 = \sqrt2\sqrt3), de modo que la respuesta es idéntica: la correspondencia de Galois es un invariante de la extensión, no del polinomio elegido para presentarla.

Ejercicio 4.8 ★★

(La cúbica, resuelta por su grupo) Sea P=X3+pX+q∈Q[X]P = X^3 + pX + q \in \Q[X] irreducible con raíces x1,x2,x3x_1, x_2, x_3 y cuerpo de descomposición LL. Sean δ=(x1−x2)(x1−x3)(x2−x3)\delta = (x_1 - x_2)(x_1 - x_3)(x_2 - x_3) y Δ=δ2=−4p3−27q2\Delta = \delta^2 = -4p^3 - 27q^2 (admítase esta identidad clásica o compruébese desarrollando funciones simétricas). (a) Demostrar que Gal⁡(L/Q)≅A3\operatorname{Gal}(L/\Q) \cong A_3 o S3S_3, según que Δ\Delta sea o no un cuadrado en Q\Q. (b) Con j=ζ3j = \zeta_3, defínanse las resolventes de Lagrange u=x1+jx2+j2x3u = x_1 + jx_2 + j^2x_3 y v=x1+j2x2+jx3v = x_1 + j^2x_2 + jx_3. Demostrar que u3+v3=−27qu^3 + v^3 = -27q y uv=−3puv = -3p, y despejar u3,v3u^3, v^3: las fórmulas de Cardano salen solas. ¿Dónde se ha usado la resolubilidad de S3S_3?

Solución

Solución de Ejercicio 4.8.

(a) GG actúa fiel y transitivamente (irreducibilidad) sobre las tres raíces: G↪S3G \hookrightarrow S_3 con 3∣∣G∣3 \mid \abs G: G≅A3G \cong A_3 o S3S_3. Todo σ∈G\sigma \in G permuta los xix_i, y σ(δ)=ε(σ) δ\sigma(\delta) = \varepsilon(\sigma)\,\delta (δ\delta es alternante en las raíces). Si Δ\Delta es un cuadrado en Q\Q: δ∈Q×\delta \in \Q^\times (obsérvese que δ≠0\delta \neq 0: separable), luego ε(σ)=1\varepsilon(\sigma) = 1 para todo σ\sigma: G⊆A3G \subseteq A_3 y, por tanto, =A3= A_3. Si no lo es: δ∉Q\delta \notin \Q, luego algún σ\sigma cumple ε(σ)=−1\varepsilon(\sigma) = -1: G=S3G = S_3. (En ambos casos Q(δ)=LG∩A3\Q(\delta) = L^{G \cap A_3}.)

(b) Con x1+x2+x3=0x_1 + x_2 + x_3 = 0: u+v=2x1−(x2+x3)=3x1u + v = 2x_1 - (x_2 + x_3) = 3x_1. Además,

uv=∑ixi2+(j+j2)∑i<kxixk=(∑xi)2−3∑i<kxixk=−3p,uv = \sum_i x_i^2 + (j + j^2)\sum_{i<k}x_ix_k = \Bigl(\sum x_i\Bigr)^2 - 3\sum_{i<k}x_ix_k = -3p,

usando j+j2=−1j + j^2 = -1 y ∑i<kxixk=p\sum_{i<k}x_ix_k = p. Entonces

u3+v3=(u+v)3−3uv(u+v)=27x13+9p⋅3x1=27 (x13+px1)=−27q.u^3 + v^3 = (u+v)^3 - 3uv(u+v) = 27x_1^3 + 9p\cdot 3x_1 = 27\,(x_1^3 + px_1) = -27q .

Así pues, u3,v3u^3, v^3 son las raíces de Y2+27qY−27p3=0Y^2 + 27qY - 27p^3 = 0 (producto (uv)3=−27p3(uv)^3 = -27p^3): u3=−27q+729q2+108p32u^3 = \frac{-27q + \sqrt{729q^2 + 108p^3}}2, y x1=u+v3x_1 = \frac{u + v}3 con v=−3p/uv = -3p/u: Cardano. La resolubilidad de S3S_3 es el esqueleto: la torre Q⊆Q(δ)⊆Q(δ,j,u)\Q \subseteq \Q(\delta) \subseteq \Q(\delta, j, u) adjunta primero una raíz cuadrada (δ\delta, cuerpo fijo de A3A_3: el paso S3→S3/A3S_3 \to S_3/A_3) y después una raíz cúbica (uu, pues u3∈Q(δ,j)u^3 \in \Q(\delta, j): el paso A3→{e}A_3 \to \{e\}) — la serie derivada S3⊃A3⊃{e}S_3 \supset A_3 \supset \{e\} hecha carne.

Ejercicio 4.9 ★★

En Q(ζ5)\Q(\zeta_5): demostrar que el único subcuerpo cuadrático es Q(5)\Q(\sqrt5), mediante las sumas de Gauss η0=ζ5+ζ54\eta_0 = \zeta_5 + \zeta_5^4, η1=ζ52+ζ53\eta_1 = \zeta_5^2 + \zeta_5^3: calcúlense η0+η1\eta_0 + \eta_1 y η0η1\eta_0\eta_1 y dedúzcase cos⁡2π5=5−14\cos\frac{2\pi}5 = \frac{\sqrt5 - 1}4. Concluir que el pentágono regular es construible.

Solución

Solución de Ejercicio 4.9.

η0+η1=ζ5+ζ52+ζ53+ζ54=−1\eta_0 + \eta_1 = \zeta_5 + \zeta_5^2 + \zeta_5^3 + \zeta_5^4 = -1 (la suma de todas las raíces 55-ésimas de la unidad es 00). η0η1=(ζ+ζ4)(ζ2+ζ3)=ζ3+ζ4+ζ6+ζ7=ζ3+ζ4+ζ+ζ2=−1\eta_0\eta_1 = (\zeta + \zeta^4)(\zeta^2 + \zeta^3) = \zeta^3 + \zeta^4 + \zeta^6 + \zeta^7 = \zeta^3 + \zeta^4 + \zeta + \zeta^2 = -1 (índices módulo 55). Luego η0,η1\eta_0, \eta_1 son las raíces de Y2+Y−1Y^2 + Y - 1: −1±52\frac{-1 \pm \sqrt5}2. Como η0=2cos⁡2π5>0\eta_0 = 2\cos\frac{2\pi}5 > 0: η0=5−12\eta_0 = \frac{\sqrt5 - 1}2, de donde cos⁡2π5=5−14\cos\frac{2\pi}5 = \frac{\sqrt5 - 1}4 y η1=−1−52\eta_1 = \frac{-1-\sqrt5}2. El grupo Gal⁡(Q(ζ5)/Q)≅(Z/5Z)×\operatorname{Gal}(\Q(\zeta_5)/\Q) \cong (\Z/5\Z)^\times es cíclico de orden 44: tiene un único subgrupo de orden 22 ({±1}\{\pm 1\}, es decir, ζ↦ζ±1\zeta \mapsto \zeta^{\pm1}), luego Q(ζ5)\Q(\zeta_5) tiene un único subcuerpo cuadrático (el Teorema 4.21), que contiene η0∉Q\eta_0 \notin \Q: es Q(η0)=Q(5)\Q(\eta_0) = \Q(\sqrt5). Constructibilidad: cos⁡2π5\cos\frac{2\pi}5 está en la torre cuadrática Q⊆Q(5)\Q \subseteq \Q(\sqrt5), y ζ5\zeta_5 un paso cuadrático más arriba: el Teorema 4.25 construye el pentágono.

Ejercicio 4.10 ★★★

Sean K=Fp(S,T)K = \mathbb F_p(S, T) (funciones racionales en dos indeterminadas) y L=K(S1/p,T1/p)L = K(S^{1/p}, T^{1/p}). (a) Demostrar que [L:K]=p2[L:K] = p^2 y que αp∈K\alpha^p \in K para todo α∈L\alpha \in L. (b) Deducir que L/KL/K no es simple: no existe elemento primitivo — la inseparabilidad es fatal para Teorema 4.17.

Solución

Solución de Ejercicio 4.10.

(a) Escribamos s=S1/ps = S^{1/p}, t=T1/pt = T^{1/p} (elementos de una clausura algebraica elegida, con sp=Ss^p = S, tp=Tt^p = T). Xp−SX^p - S es irreducible sobre las fracciones de K=Fp(S,T)=(Fp(T))(S)K = \mathbb F_p(S, T) = (\mathbb F_p(T))(S): Eisenstein en el elemento primo SS del DFU Fp(T)[S]\mathbb F_p(T)[S] (el Teorema 2.25). Luego [K(s):K]=p[K(s):K] = p; análogamente, Xp−TX^p - T es Eisenstein en TT sobre las fracciones de K(s)=Fp(s)(T)K(s) = \mathbb F_p(s)(T) — TT sigue siendo primo en Fp(s)[T]\mathbb F_p(s)[T] —, lo que da [L:K(s)]=p[L : K(s)] = p y [L:K]=p2[L:K] = p^2. Para α∈L\alpha \in L: L=K[s,t]L = K[s, t], luego α=∑cijsitj\alpha = \sum c_{ij}s^it^j (cij∈Kc_{ij} \in K) y, por el morfismo de Frobenius, αp=∑cijpSiTj∈K\alpha^p = \sum c_{ij}^p S^iT^j \in K.

(b) Si L=K(α)L = K(\alpha), entonces [K(α):K]=p2[K(\alpha):K] = p^2; pero αp=a∈K\alpha^p = a \in K significa que α\alpha anula a Xp−aX^p - a, luego deg⁡πα≤p<p2\deg\pi_\alpha \leq p < p^2: contradicción. No hay elemento primitivo: el Teorema 4.17 necesita realmente la separabilidad (aquí todo πα\pi_\alpha divide a algún Xp−a=(X−α)pX^p - a = (X - \alpha)^p: la extensión es puramente inseparable).

Ejercicio 4.11 ★★★

Sean P=X5−4X+2P = X^5 - 4X + 2 y GG su grupo de Galois sobre Q\Q, que actúa sobre las 55 raíces. (a) Demostrar que PP es irreducible y deducir 5∣∣G∣5 \mid \abs G; concluir que GG contiene un 55-ciclo (Cauchy, Teorema 1.13). (b) Demostrar, estudiando las variaciones de x↦x5−4x+2x \mapsto x^5 - 4x + 2, que PP tiene exactamente 33 raíces reales; deducir que la conjugación compleja se restringe a una trasposición de GG. (c) Demostrar que un subgrupo de S5S_5 que contiene una trasposición y un 55-ciclo es S5S_5 (conjúguese la trasposición por potencias del ciclo). Concluir que G≅S5G \cong S_5 y, con el Teorema 4.29, que PP no es resoluble por radicales.

Solución

Solución de Ejercicio 4.11.

(a) Eisenstein en 22 (2∣4,22 \mid 4, 2; 4∤24 \nmid 2): PP es irreducible. Si α\alpha es una raíz, [Q(α):Q]=5[\Q(\alpha):\Q] = 5 divide a [L:Q]=∣G∣[L:\Q] = \abs G (LL el cuerpo de descomposición): Cauchy (el Teorema 1.13) da un elemento de orden 55 en G≤S5G \leq S_5; y en S5S_5 solo los 55-ciclos tienen orden 55 (los órdenes son mínimos comunes múltiplos de longitudes de ciclos).

(b) P′(x)=5x4−4P'(x) = 5x^4 - 4 se anula en ±(4/5)1/4≈±0.946\pm(4/5)^{1/4} \approx \pm 0.946: un máximo local y después un mínimo local. Valores: P(−2)=−22<0P(-2) = -22 < 0, P(0)=2>0P(0) = 2 > 0, P(1)=−1<0P(1) = -1 < 0, P(2)=26>0P(2) = 26 > 0: tres cambios de signo, y a lo sumo tres raíces reales (dos puntos críticos): exactamente 33 raíces reales y, por tanto, un par de raíces complejas conjugadas. Tómese el cuerpo de descomposición LL dentro de C\C: la conjugación compleja aplica LL en sí mismo (permuta las raíces, que generan LL) y fija Q\Q, de modo que define un elemento de GG; fija las tres raíces reales e intercambia las otras dos: una trasposición.

(c) Sean τ=(a b)\tau = (a\,b) y σ\sigma un 55-ciclo de GG. Alguna potencia σk\sigma^k envía aa a bb (k≠0 mod 5k \ne 0 \bmod 5), y σk\sigma^k vuelve a ser un 55-ciclo: renombrando, supongamos σ=(1 2 3 4 5)\sigma = (1\,2\,3\,4\,5) y τ=(1 2)\tau = (1\,2). Conjugando, σmτσ−m=(σm(1) σm(2))\sigma^m\tau\sigma^{-m} = (\sigma^m(1)\ \sigma^m(2)): las trasposiciones adyacentes (1 2),(2 3),(3 4),(4 5),(5 1)(1\,2), (2\,3), (3\,4), (4\,5), (5\,1) están todas en GG; y las trasposiciones adyacentes generan S5S_5 (toda trasposición (i j)(i\,j) es producto de adyacentes, y las trasposiciones generan). Así G=S5G = S_5, que no es resoluble (el Corolario 1.34), y el Teorema 4.29 concluye: X5−4X+2X^5 - 4X + 2 no es resoluble por radicales.

Ejercicio 4.12 ★★★

(La cuártica diédrica) Sean α=24\alpha = \sqrt[4]2 y L=Q(α,i)L = \Q(\alpha, \iu), el cuerpo de descomposición de X4−2X^4 - 2 sobre Q\Q. (a) Demostrar que [L:Q]=8[L : \Q] = 8 y que G=Gal⁡(L/Q)G = \operatorname{Gal}(L/\Q) está generado por σ ⁣:α↦iα, i↦i\sigma\colon \alpha \mapsto \iu\alpha,\ \iu \mapsto \iu y la conjugación compleja τ\tau, con σ4=τ2=e\sigma^4 = \tau^2 = e y τστ=σ−1\tau\sigma\tau = \sigma^{-1}: G≅D4G \cong D_4. (b) Listar el retículo de subgrupos de D4D_4 (diez subgrupos) y emparejar cada uno con su cuerpo fijo; compruébese en particular que Q(2)\Q(\sqrt2), Q(i)\Q(\iu), Q(i2)\Q(\iu\sqrt2) son los tres subcuerpos cuadráticos, y localícense Q(α)\Q(\alpha), Q(iα)\Q(\iu\alpha), Q(2,i)\Q(\sqrt2, \iu). (c) ¿Qué cuerpos intermedios son de Galois sobre Q\Q? Contrástese la respuesta con los subgrupos normales de D4D_4 y explíquese por qué Q(α)/Q\Q(\alpha)/\Q falla mientras que Q(2)/Q\Q(\sqrt2)/\Q funciona.

Solución

Solución de Ejercicio 4.12.

(a) X4−2X^4 - 2 es irreducible (Eisenstein en 22): [Q(α):Q]=4[\Q(\alpha):\Q] = 4; i∉Q(α)⊆R\iu \notin \Q(\alpha) \subseteq \R, luego [L:Q(α)]=2[L : \Q(\alpha)] = 2 y [L:Q]=8[L:\Q] = 8. La extensión es de Galois (es el cuerpo de descomposición de un polinomio separable: las raíces son ikα\iu^k\alpha), de modo que ∣G∣=8\abs G = 8. Un automorfismo envía α\alpha a una de las cuatro raíces y i\iu a ±i\pm\iu: a lo sumo 88 aplicaciones, todas realizadas. Los σ\sigma (de orden 44: σ2(α)=−α\sigma^2(\alpha) = -\alpha, σ4=e\sigma^4 = e) y τ\tau (de orden 22) del enunciado cumplen

τστ(α)=τσ(α)=τ(iα)=−iα=σ−1(α),τστ(i)=i⋅(−1)(−1)=i,\tau\sigma\tau(\alpha) = \tau\sigma(\alpha) = \tau(\iu\alpha) = -\iu\alpha = \sigma^{-1}(\alpha), \qquad \tau\sigma\tau(\iu) = \iu\cdot(-1)(-1) = \iu ,

con más cuidado: τστ(i)=τσ(−i)=τ(−i)=i=σ−1(i)\tau\sigma\tau(\iu) = \tau\sigma(-\iu) = \tau(-\iu) = \iu = \sigma^{-1}(\iu). Luego τστ=σ−1\tau\sigma\tau = \sigma^{-1}: la presentación de D4D_4.

(b) Los diez subgrupos de D4=⟨σ,τ⟩D_4 = \langle\sigma, \tau\rangle: {e}\{e\}; cinco de orden 22: ⟨σ2⟩\langle\sigma^2\rangle, ⟨τ⟩\langle\tau\rangle, ⟨σ2τ⟩\langle\sigma^2\tau\rangle, ⟨στ⟩\langle\sigma\tau\rangle, ⟨σ3τ⟩\langle\sigma^3\tau\rangle; tres de orden 44: ⟨σ⟩\langle\sigma\rangle, {e,σ2,τ,σ2τ}\{e, \sigma^2, \tau, \sigma^2\tau\}, {e,σ2,στ,σ3τ}\{e, \sigma^2, \sigma\tau, \sigma^3\tau\}; y D4D_4. Cuerpos fijos (grado = índice): {e}↔L\{e\} \leftrightarrow L; los subgrupos de orden 22 ↔\leftrightarrow los cinco cuerpos cuárticos

⟨τ⟩↔Q(α),⟨σ2τ⟩↔Q(iα),⟨σ2⟩↔Q(2,i),⟨στ⟩↔Q((1+i)α),⟨σ3τ⟩↔Q((1−i)α).\langle\tau\rangle \leftrightarrow \Q(\alpha),\quad \langle\sigma^2\tau\rangle \leftrightarrow \Q(\iu\alpha), \quad \langle\sigma^2\rangle \leftrightarrow \Q(\sqrt2, \iu),\quad \langle\sigma\tau\rangle \leftrightarrow \Q\bigl((1+\iu)\alpha\bigr),\quad \langle\sigma^3\tau\rangle \leftrightarrow \Q\bigl((1-\iu)\alpha\bigr) .

Comprobaciones: τ\tau fija el real α\alpha; σ2τ\sigma^2\tau envía α↦−α\alpha \mapsto -\alpha y i↦−i\iu \mapsto -\iu, fijando iα\iu\alpha; y, puesto que στ(α)=iα\sigma\tau(\alpha) = \iu\alpha, στ(i)=−i\sigma\tau(\iu) = -\iu:

στ((1+i)α)=(1−i) iα=(1+i)α,σ3τ((1−i)α)=(1+i)(−i)α=(1−i)α:\sigma\tau\bigl((1+\iu)\alpha\bigr) = (1 - \iu)\,\iu\alpha = (1 + \iu)\alpha, \qquad \sigma^3\tau\bigl((1-\iu)\alpha\bigr) = (1 + \iu)(-\iu)\alpha = (1 - \iu)\alpha :

cada reflexión fija su generador, y el cuerpo fijo, de grado igual al índice 4=4 =, es exactamente el cuerpo que este genera (el generador es raíz de X4+8X^4 + 8, irreducible). Los subgrupos de orden 44 ↔\leftrightarrow los tres cuerpos cuadráticos: ⟨σ⟩↔Q(i)\langle\sigma\rangle \leftrightarrow \Q(\iu) (σ\sigma fija i\iu); {e,σ2,τ,σ2τ}↔Q(2)\{e, \sigma^2, \tau, \sigma^2\tau\} \leftrightarrow \Q(\sqrt2) (los cuatro fijan α2\alpha^2 salvo comprobaciones de signo: τ(2)=2\tau(\sqrt2) = \sqrt2, σ2(α2)=(−α)2\sigma^2(\alpha^2) = (-\alpha)^2); {e,σ2,στ,σ3τ}↔Q(i2)\{e, \sigma^2, \sigma\tau, \sigma^3\tau\} \leftrightarrow \Q(\iu\sqrt2) (στ(iα2)=(−i)(iα)2=iα2\sigma\tau(\iu\alpha^2) = (-\iu)(\iu\alpha)^2 = \iu\alpha^2).

(c) De Galois sobre Q\Q ↔\leftrightarrow subgrupos normales de D4D_4: {e}\{e\}, ⟨σ2⟩\langle\sigma^2\rangle (el centro), los tres subgrupos de orden 44 y D4D_4 — de modo que los cuerpos intermedios de Galois son LL, Q(2,i)\Q(\sqrt2, \iu), los tres cuerpos cuadráticos y Q\Q. Los cinco cuerpos cuárticos fijados por reflexiones no normales no son de Galois: Q(α)\Q(\alpha) contiene una raíz de X4−2X^4 - 2 pero no iα\iu\alpha (es real) — la conjugación por σ\sigma lleva ⟨τ⟩\langle\tau\rangle a ⟨σ2τ⟩\langle\sigma^2\tau\rangle, exactamente igual que lleva Q(α)\Q(\alpha) a Q(iα)\Q(\iu\alpha): la no normalidad del subgrupo es la existencia de un cuerpo conjugado.

4.10 Problema: Gauss y el 17-ágono regular

Problema 4.1

Problema de fin de semana — constructibilidad del 17-ágono

El 30 de marzo de 1796, Gauss, con diecinueve años, demostró que el 1717-ágono regular es construible — el primer avance en la cuestión desde la Antigüedad. Reconstruimos su cálculo con las herramientas de este capítulo. Póngase ζ=e2iπ/17\zeta = \eu^{2\iu\pi/17}, L=Q(ζ)L = \Q(\zeta), G=Gal⁡(L/Q)G = \operatorname{Gal}(L/\Q).

Parte I — El grupo y su filtración.

  1. Justificar: [L:Q]=16[L:\Q] = 16, G≅(Z/17Z)×G \cong (\Z/17\Z)^\times, cíclico de orden 1616. Comprobar que 33 es un generador de (Z/17Z)×(\Z/17\Z)^\times (calcúlense las potencias de 33 módulo 1717: 3,9,10,13,5,15,11,16,…3, 9, 10, 13, 5, 15, 11, 16, \dots).
  2. Sea σ∈G\sigma \in G con σ(ζ)=ζ3\sigma(\zeta) = \zeta^3, y Hk=⟨σ2k⟩H_k = \langle \sigma^{2^k}\rangle para k=0,…,4k = 0, \dots, 4. Demostrar que G=H0⊃H1⊃H2⊃H3⊃H4={e}G = H_0 \supset H_1 \supset H_2 \supset H_3 \supset H_4 = \{e\} con cada índice [Hk:Hk+1]=2[H_k : H_{k+1}] = 2, y que los cuerpos fijos Q=L0⊂L1⊂L2⊂L3⊂L4=L\Q = L_0 \subset L_1 \subset L_2 \subset L_3 \subset L_4 = L forman una torre de extensiones cuadráticas.
  3. Concluir a priori, usando el Teorema 4.25, que ζ\zeta — y por tanto el 1717-ágono — es construible. El resto del problema hace explícita la torre.

Parte II — Los períodos de longitud 8. Definamos los períodos de Gauss

η0=∑k parζ3k mod 17=ζ1+ζ9+ζ13+ζ15+ζ16+ζ8+ζ4+ζ2,η1=∑k imparζ3k mod 17.\eta_0 = \sum_{k \text{ par}} \zeta^{3^k \bmod 17} = \zeta^{1} + \zeta^{9} + \zeta^{13} + \zeta^{15} + \zeta^{16} + \zeta^{8} + \zeta^{4} + \zeta^{2}, \qquad \eta_1 = \sum_{k \text{ impar}} \zeta^{3^k \bmod 17}.
  1. Demostrar que η0,η1\eta_0, \eta_1 quedan fijos por H1H_1 y se intercambian por σ\sigma; deducir η0,η1∈L1\eta_0, \eta_1 \in L_1 y que son las dos raíces de una ecuación de segundo grado sobre Q\Q.
  2. Calcular η0+η1=−1\eta_0 + \eta_1 = -1. Demostrar que η0η1=−4\eta_0\eta_1 = -4 (cada producto ζaζb\zeta^a\zeta^b es algún ζc\zeta^c, c≠0c \neq 0; cuéntese cuántas veces aparece cada cc, o arguméntese que el producto es un entero racional fijado por GG, igual a la suma de los 6464 productos, y úsese que cada resto no nulo aparece el mismo número de veces).
  3. Deducir η0=−1+172\eta_0 = \frac{-1 + \sqrt{17}}2, η1=−1−172\eta_1 = \frac{-1-\sqrt{17}}2 (identifíquese cuál es cuál numéricamente: η0≈1.56\eta_0 \approx 1.56) y L1=Q(17)L_1 = \Q(\sqrt{17}).

Parte III — Períodos de longitud 4 y 2. Definamos

β0=ζ+ζ13+ζ16+ζ4,β1=ζ3+ζ5+ζ14+ζ12,β2=ζ9+ζ15+ζ8+ζ2,β3=ζ10+ζ11+ζ7+ζ6.\beta_0 = \zeta + \zeta^{13} + \zeta^{16} + \zeta^{4},\quad \beta_1 = \zeta^3 + \zeta^5 + \zeta^{14} + \zeta^{12},\quad \beta_2 = \zeta^9 + \zeta^{15} + \zeta^{8} + \zeta^{2},\quad \beta_3 = \zeta^{10} + \zeta^{11} + \zeta^{7} + \zeta^{6}.
  1. Demostrar que β0+β2=η0\beta_0 + \beta_2 = \eta_0, β1+β3=η1\beta_1 + \beta_3 = \eta_1, y que β0,β2\beta_0, \beta_2 quedan fijos por H2H_2 y se intercambian por σ2\sigma^2.
  2. Calcular β0β2=−1\beta_0\beta_2 = -1 y β1β3=−1\beta_1\beta_3 = -1 (desarróllese: los dieciséis exponentes obtenidos recorren 1,…,161, \dots, 16 exactamente una vez).
  3. Deducir β0=η0+η02+42\beta_0 = \frac{\eta_0 + \sqrt{\eta_0^2 + 4}}2 (compruébese el signo numéricamente: β0≈2.05\beta_0 \approx 2.05) y la fórmula análoga para β1\beta_1; de ahí L2=Q(β0)L_2 = \Q(\beta_0), cuadrático sobre L1L_1.
  4. Sean γ0=ζ+ζ16=2cos⁡2π17\gamma_0 = \zeta + \zeta^{16} = 2\cos\frac{2\pi}{17} y γ1=ζ13+ζ4\gamma_1 = \zeta^{13} + \zeta^4. Demostrar que γ0+γ1=β0\gamma_0 + \gamma_1 = \beta_0 y γ0γ1=β1\gamma_0\gamma_1 = \beta_1, de modo que γ0=β0+β02−4β12\gamma_0 = \frac{\beta_0 + \sqrt{\beta_0^2 - 4\beta_1}}2.
  5. Reunir la cadena de fórmulas que expresa cos⁡2π17\cos\frac{2\pi}{17} mediante radicales cuadráticos anidados, y dar una comprobación decimal (cos⁡2π17≈0.93247\cos\frac{2\pi}{17} \approx 0.93247).

Parte IV — Epílogo.

  1. ¿Dónde se ha usado exactamente que 1717 es un primo de Fermat (17=222+117 = 2^{2^2} + 1)? Demostrar que, para un primo pp, el pp-ágono regular es construible si y solo si p=22t+1p = 2^{2^t} + 1 para algún tt (si p−1=2mp - 1 = 2^m, demuéstrese que mm ha de ser a su vez una potencia de 22).
  2. Deducir la lista completa de los nn-ágonos regulares construibles para n≤20n \leq 20, usando el criterio de Gauss–Wantzel del Corolario 4.26.

Parte V — Sumas de Gauss y reciprocidad cuadrática. Los períodos de la Parte II esconden un tesoro. Para un primo impar pp, el símbolo de Legendre (ap)\bigl(\frac ap\bigr) vale +1+1 si aa es un cuadrado no nulo módulo pp, −1-1 si no lo es y 00 si p∣ap \mid a; el Ejercicio 4.4(b) (criterio de Euler) da (ap)≡a(p−1)/2(modp)\bigl(\frac ap\bigr) \equiv a^{(p-1)/2} \pmod p, de donde la multiplicatividad. Escribamos ζ=e2iπ/p\zeta = \eu^{2\iu\pi/p}, p∗=(−1)(p−1)/2pp^* = (-1)^{(p-1)/2}p, y definamos la suma de Gauss

g  =  ∑a=1p−1(ap)ζa.g \;=\; \sum_{a=1}^{p-1}\Bigl(\frac ap\Bigr)\zeta^a .
  1. Demostrar que ∑a=1p−1(ap)=0\sum_{a=1}^{p-1}\bigl(\frac ap\bigr) = 0 (hay tantos cuadrados como no cuadrados) y probar la forma alternativa g=∑a=0p−1ζa2g = \sum_{a=0}^{p-1}\zeta^{a^2} (cada cuadrado no nulo se alcanza dos veces, y ∑aζa=0\sum_{a}\zeta^a = 0). Para p=17p = 17: relaciónese gg con los períodos de la Parte II — demuéstrese que g=η0−η1g = \eta_0 - \eta_1 (los cuadrados módulo 1717 son exactamente las potencias pares del generador 33).
  2. Demostrar que g2=p∗g^2 = p^*: desarróllese

    g2=∑a,b≠0(abp)ζa+b=∑c ∑a≠0(a(c−a)p)ζcg^2 = \sum_{a,b\neq0}\Bigl(\frac{ab}p\Bigr) \zeta^{a+b} = \sum_{c}\ \sum_{a \neq 0}\Bigl(\frac{a(c - a)}p\Bigr)\zeta^{c}

    (póngase b=c−ab = c - a), sustitúyase c−a=atc - a = at para evaluar la suma interior como (−1p)(p−1)\bigl(\frac{-1}p\bigr)(p - 1) si c=0c = 0 y −(−1p)-\bigl(\frac{-1}p\bigr) en caso contrario, y concluir con la pregunta 14. Compruébese numéricamente: para p=17p = 17, (η0−η1)2=17(\eta_0 - \eta_1)^2 = 17 (Parte II).

  3. Deducir p∗∈Q(ζp)\sqrt{p^*} \in \Q(\zeta_p) y concluir que el único subcuerpo cuadrático de Q(ζp)\Q(\zeta_p) es Q(p∗)\Q(\sqrt{p^*}) — único porque Gal⁡(Q(ζp)/Q)\operatorname{Gal}(\Q(\zeta_p)/\Q) es cíclico (el Teorema 4.23) y un grupo cíclico tiene exactamente un subgrupo de índice 22. (Todo cuerpo cuadrático se sumerge en algún cuerpo ciclotómico — este es el primer caso del teorema de Kronecker–Weber, cuya forma general queda muy lejos.)
  4. Sea ahora q≠pq \neq p otro primo impar. Trabajando en el anillo Z[ζ]\Z[\zeta] módulo qq, demostrar que

    gq≡(qp) g(modqZ[ζ])g^q \equiv \Bigl(\frac qp\Bigr)\,g \pmod{q\Z[\zeta]}

    (sueño del principiante: (x+y)q≡xq+yq(x + y)^q \equiv x^q + y^q módulo qq en todo anillo conmutativo; después gq≡∑a(ap)qζaqg^q \equiv \sum_a\bigl(\frac ap\bigr)^q\zeta^{aq}, reindéxese b=aqb = aq y sáquese (q−1p)=(qp)\bigl(\frac{q^{-1}}p\bigr) = \bigl(\frac qp\bigr)).

  5. Por otra parte, gq=g (g2)(q−1)/2=g (p∗)(q−1)/2g^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} = g\,(p^*)^{(q-1)/2}; usando el criterio de Euler módulo qq, dedúzcase gq≡(p∗q)g(modqZ[ζ])g^q \equiv \bigl(\frac{p^*}q\bigr)g \pmod{q\Z[\zeta]} y después — multiplicando las dos expresiones de gqg^q por gg y usando g2=p∗g^2 = p^*, invertible módulo qq — concluir

    (qp)=(p∗q).\Bigl(\frac qp\Bigr) = \Bigl(\frac{p^*}q\Bigr) .

    (¿Por qué una congruencia entre los enteros ±p∗\pm p^* módulo qZ[ζ]q\Z[\zeta] implica su igualdad? Interséquese con Z\Z.)

  6. Desarrollar (p∗q)=(−1q)(p−1)/2(pq)\bigl(\frac{p^*}q\bigr) = \bigl(\frac{-1}q\bigr)^{(p-1)/2}\bigl(\frac pq\bigr) y (−1q)=(−1)(q−1)/2\bigl(\frac{-1}q\bigr) = (-1)^{(q-1)/2} para obtener la ley de reciprocidad cuadrática:

    (pq)(qp)=(−1)p−12⋅q−12.\Bigl(\frac pq\Bigr)\Bigl(\frac qp\Bigr) = (-1)^{\frac{p-1}2\cdot\frac{q-1}2} .

    Compruébese en (p,q)=(17,3)(p, q) = (17, 3) listando los cuadrados módulo 1717 y módulo 33, y úsese para decidir en tres líneas si x2≡219(mod383)x^2 \equiv 219 \pmod{383} es resoluble (383383 es primo, 219=3⋅73219 = 3\cdot73).

Parte VI — Contar polinomios irreducibles: el teorema de los números primos de Fq[X]\mathbb F_q[X]. Fíjese una potencia de primo qq y sea Nq(n)N_q(n) el número de polinomios mónicos irreducibles de grado nn sobre Fq\mathbb F_q; recuérdense del Ejercicio 4.6 la factorización de Xqn−XX^{q^n} - X y la identidad qn=∑d∣nd Nq(d)q^n = \sum_{d\mid n}d\,N_q(d), que ahora invertiremos, reinterpretaremos y explotaremos.

  1. (Palabras) Diremos que una palabra w∈Fqnw \in \mathbb F_q^n es primitiva si no es una potencia un/d=u⋯uu^{n/d} = u\cdots u de una palabra uu estrictamente más corta, y sea A(d)A(d) el número de palabras primitivas de longitud dd. Demostrar que toda palabra de longitud nn es, de manera única, potencia de una palabra primitiva de cierta longitud d∣nd \mid n, de modo que qn=∑d∣nA(d)q^n = \sum_{d \mid n}A(d); comparando con el Ejercicio 4.6, concluir A(d)=d Nq(d)A(d) = d\,N_q(d) para todo dd y explicar esta coincidencia mediante una biyección explícita: un elemento α∈Fqd\alpha \in \mathbb F_{q^d} de grado dd tiene órbita (α,αq,…,αqd−1)(\alpha, \alpha^q, \dots, \alpha^{q^{d-1}}) bajo el Frobenius con exactamente dd elementos distintos, y los elementos de grado dd se corresponden dd a uno con los irreducibles de grado dd.
  2. Demostrar la fórmula de inversión de Möbius: si f(n)=∑d∣ng(d)f(n) = \sum_{d\mid n}g(d) para todo nn, entonces g(n)=∑d∣nμ(d) f(n/d)g(n) = \sum_{d\mid n}\mu(d)\,f(n/d), donde μ\mu es la función de Möbius (μ(m)=(−1)#prime factors\mu(m) = (-1)^{\#\text{prime factors}} si mm es libre de cuadrados y 00 en caso contrario) (lema clave: ∑d∣mμ(d)=0\sum_{d \mid m}\mu(d) = 0 para m>1m > 1 — emparéjense los divisores con y sin un factor primo fijo). Deducir

    Nq(n)=1n∑d∣nμ(d) qn/d.N_q(n) = \frac1n\sum_{d \mid n}\mu(d)\,q^{n/d} .
  3. Demostrar que Nq(n)≥1n(qn−2qn/2)>0N_q(n) \geq \frac1n\bigl(q^n - 2q^{n/2}\bigr) > 0 para todo n≥1n \geq 1: una nueva demostración de que Fqn\mathbb F_{q^n} existe para todo nn. Interprétese el término principal: un polinomio mónico de grado nn tomado al azar es irreducible con probabilidad ∼1n\sim \frac1n — el análogo perfecto del teorema de los números primos, con log⁡x\log x sustituido por nn; compruébese numéricamente para q=2q = 2, n≤4n \leq 4 (el Ejercicio 4.6 da los recuentos).
  4. Demostrar el análogo multiplicativo de la pregunta 21:

    ∏π moˊnico irred.deg⁡π=nπ  =  ∏d∣n(Xqd−X)μ(n/d)\prod_{\substack{\pi \text{ mónico irred.}\\ \deg\pi = n}}\pi \;=\; \prod_{d \mid n} \bigl(X^{q^d} - X\bigr)^{\mu(n/d)}

    (inversión de Möbius en el grupo abeliano de las funciones racionales no nulas); compruébese a mano para q=2q = 2, n=2n = 2: (X4−X)/(X2−X)=X2+X+1(X^4 - X)/(X^2 - X) = X^2 + X + 1.

Parte VII — Dos codas.

  1. (El segundo suplemento) El método de la Parte V permite calcular también (2q)\bigl(\frac2q\bigr). Sean ω=e2iπ/8\omega = \eu^{2\iu\pi/8} y g=ω+ω−1g = \omega + \omega^{-1}. Demostrar que g2=2g^2 = 2 (ω2=i\omega^2 = \iu); después, para un primo impar qq, demostrar en Z[ω]\Z[\omega] módulo qq que

    gq≡ωq+ω−q(modqZ[ω]),g^q \equiv \omega^q + \omega^{-q} \pmod{q\Z[\omega]},

    y que el miembro de la derecha vale gg si q≡±1(mod8)q \equiv \pm1 \pmod 8 y −g-g si q≡±3(mod8)q \equiv \pm3 \pmod 8. Comparando con gq=g (g2)(q−1)/2≡(2q)gg^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} \equiv \bigl(\frac2q\bigr)g como en la pregunta 18, concluir

    (2q)=(−1)(q2−1)/8,\Bigl(\frac2q\Bigr) = (-1)^{(q^2-1)/8},

    comprobando que (q2−1)/8(q^2 - 1)/8 es par exactamente cuando q≡±1(mod8)q \equiv \pm1 \pmod 8. Verifíquese: 22 es un cuadrado módulo 77 y módulo 1717 (323^2 y 626^2), y no lo es módulo 33 ni módulo 55.

  2. (La función zeta de Fq[X]\mathbb F_q[X]) Demostrar la identidad de series formales de potencias en tt:

    ∏n≥1(1−tn)−Nq(n)=11−qt\prod_{n \geq 1}\bigl(1 - t^n\bigr)^{-N_q(n)} = \frac1{1 - qt}

    (factorización única en irreducibles mónicos: desarróllese cada factor como serie geométrica y cuéntense los polinomios mónicos de grado nn). Recupérese la identidad qm=∑d∣md Nq(d)q^m = \sum_{d \mid m}d\,N_q(d) del Ejercicio 4.6 tomando logaritmos. Compruébese a mano el coeficiente de t2t^2 para q=2q = 2, y úsese la fórmula de la pregunta 21 para calcular N2(6)=9N_2(6) = 9, verificando que 26=1⋅2+2⋅1+3⋅2+6⋅92^6 = 1\cdot2 + 2\cdot1 + 3\cdot2 + 6\cdot9.

Solución

Solución de Problema 4.1.

1. Φ17\Phi_{17} es irreducible (el Teorema 4.23, o el Ejemplo 2.26 para índice primo): [L:Q]=φ(17)=16[L:\Q] = \varphi(17) = 16 y G≅(Z/17Z)×G \cong (\Z/17\Z)^\times, cíclico de orden 1616 (el Teorema 4.12). Potencias de 33 módulo 1717:

3, 9, 10, 13, 5, 15, 11, 16, 14, 8, 7, 4, 12, 2, 6, 13,\ 9,\ 10,\ 13,\ 5,\ 15,\ 11,\ 16,\ 14,\ 8,\ 7,\ 4,\ 12,\ 2,\ 6,\ 1

— dieciséis valores distintos: 33 genera.

2. G=⟨σ⟩G = \langle\sigma\rangle es cíclico de orden 1616; Hk=⟨σ2k⟩H_k = \langle\sigma^{2^k}\rangle tiene orden 24−k2^{4-k}, y [Hk:Hk+1]=2[H_k : H_{k+1}] = 2. Por el teorema fundamental (el Teorema 4.21), Lk=LHkL_k = L^{H_k} cumplen [Lk:Q]=[G:Hk]=2k[L_k : \Q] = [G : H_k] = 2^k: cada [Lk+1:Lk]=2[L_{k+1}:L_k] = 2.

3. ζ∈L=L4\zeta \in L = L_4 corona una torre de extensiones cuadráticas de Q\Q: por el Teorema 4.25, ζ\zeta es construible; y el 1717-ágono tiene vértices ζk\zeta^k.

4. σ2\sigma^2 multiplica los exponentes por 99; los exponentes de η0\eta_0 son las potencias pares de 33,

{32k mod 17}={1,9,13,15,16,8,4,2},\{3^{2k} \bmod 17\} = \{1, 9, 13, 15, 16, 8, 4, 2\},

un conjunto estable por multiplicación por 9=329 = 3^2; luego η0\eta_0 (y análogamente η1\eta_1) queda fijado por H1=⟨σ2⟩H_1 = \langle\sigma^2\rangle: η0,η1∈L1\eta_0, \eta_1 \in L_1, un cuerpo cuadrático. σ\sigma lleva las potencias pares a impares: intercambia η0,η1\eta_0, \eta_1. Por tanto, η0+η1\eta_0 + \eta_1 y η0η1\eta_0\eta_1 quedan fijados por todo GG: son racionales; y η0,η1\eta_0, \eta_1 son las raíces de una ecuación cuadrática racional.

5. η0+η1=∑c=116ζc=−1\eta_0 + \eta_1 = \sum_{c=1}^{16}\zeta^c = -1. El producto se desarrolla en 6464 términos ζa+b\zeta^{a + b}, con aa en el conjunto par y bb en el impar. Ningún término es ζ0\zeta^0: b=−ab = -a es imposible, porque −1=16=38-1 = 16 = 3^8 es una potencia par, de modo que −a-a permanece en el conjunto par. Así η0η1=∑c≠0ncζc\eta_0\eta_1 = \sum_{c \neq 0} n_c\zeta^c con ∑nc=64\sum n_c = 64; aplicando σ\sigma se fija η0η1\eta_0\eta_1 (intercambia los factores) y se permutan los ζc\zeta^c transitivamente sobre todos los c≠0c \neq 0, luego todos los ncn_c son iguales: nc=4n_c = 4 y η0η1=4∑c≠0ζc=−4\eta_0\eta_1 = 4\sum_{c\neq0}\zeta^c = -4.

6. η0,1\eta_{0,1} resuelven Y2+Y−4=0Y^2 + Y - 4 = 0: −1±172\frac{-1 \pm \sqrt{17}}2. Numéricamente, emparejando exponentes conjugados, η0=2(cos⁡2π17+cos⁡4π17+cos⁡8π17+cos⁡16π17)≈1.56>0\eta_0 = 2\bigl(\cos\tfrac{2\pi}{17} + \cos\tfrac{4\pi}{17} + \cos\tfrac{8\pi}{17} + \cos\tfrac{16\pi}{17}\bigr) \approx 1.56 > 0: η0=−1+172\eta_0 = \frac{-1+\sqrt{17}}2, η1=−1−172\eta_1 = \frac{-1-\sqrt{17}}2, y L1=Q(η0)=Q(17)L_1 = \Q(\eta_0) = \Q(\sqrt{17}).

7. Los conjuntos de exponentes: β0\beta_0: {1,13,16,4}\{1, 13, 16, 4\} = potencias 34k3^{4k}; β2\beta_2: {9,15,8,2}\{9, 15, 8, 2\} = 9×9 \times ese conjunto. Unión: el conjunto par: β0+β2=η0\beta_0 + \beta_2 = \eta_0; y análogamente β1+β3=η1\beta_1 + \beta_3 = \eta_1. La multiplicación por 13=3413 = 3^4 estabiliza el conjunto de exponentes de cada βi\beta_i: quedan fijados por H2=⟨σ4⟩H_2 = \langle\sigma^4\rangle; y σ2\sigma^2 (×9\times 9) envía {1,13,16,4}\{1,13,16,4\} a {9,15,8,2}\{9, 15, 8, 2\}: intercambia β0,β2\beta_0, \beta_2.

8. Al desarrollar β0β2\beta_0\beta_2, las dieciséis sumas de exponentes

{1,13,16,4}+{9,15,8,2}={10,16,9,3, 5,11,4,15, 8,14,7,1, 13,2,12,6}\{1,13,16,4\} + \{9,15,8,2\} = \{10,16,9,3,\ 5,11,4,15,\ 8,14,7,1,\ 13,2,12,6\}

recorren 1,…,161, \dots, 16 exactamente una vez: β0β2=∑c≠0ζc=−1\beta_0\beta_2 = \sum_{c\ne0}\zeta^c = -1. Aplicando σ\sigma (que lleva los β0↦β1\beta_0 \mapsto \beta_1, β2↦β3\beta_2 \mapsto \beta_3: exponentes ×3\times 3): β1β3=σ(β0β2)=−1\beta_1\beta_3 = \sigma(\beta_0\beta_2) = -1.

9. β0,β2\beta_0, \beta_2 resuelven Y2−η0Y−1=0Y^2 - \eta_0 Y - 1 = 0, luego β0=η0+η02+42\beta_0 = \frac{\eta_0 + \sqrt{\eta_0^2 + 4}}2 (numéricamente β0=2cos⁡2π17+2cos⁡8π17≈2.05>0\beta_0 = 2\cos\frac{2\pi}{17} + 2\cos\frac{8\pi}{17} \approx 2.05 > 0, el signo ++). Análogamente β1=η1+η12+42≈0.344\beta_1 = \frac{\eta_1 + \sqrt{\eta_1^2 + 4}}2 \approx 0.344 (una comprobación numérica fija de nuevo el signo). L2=L1(β0)L_2 = L_1(\beta_0), cuadrático sobre L1L_1.

10. γ0+γ1=ζ+ζ16+ζ13+ζ4=β0\gamma_0 + \gamma_1 = \zeta + \zeta^{16} + \zeta^{13} + \zeta^4 = \beta_0. Y

γ0γ1=(ζ+ζ16)(ζ13+ζ4)=ζ14+ζ5+ζ12+ζ3=β1.\gamma_0\gamma_1 = (\zeta + \zeta^{16})(\zeta^{13} + \zeta^4) = \zeta^{14} + \zeta^{5} + \zeta^{12} + \zeta^{3} = \beta_1 .

Luego γ0,γ1\gamma_0, \gamma_1 resuelven Y2−β0Y+β1=0Y^2 - \beta_0Y + \beta_1 = 0; numéricamente γ0=2cos⁡2π17≈1.865>γ1≈0.185\gamma_0 = 2\cos\frac{2\pi}{17} \approx 1.865 > \gamma_1 \approx 0.185: γ0=β0+β02−4β12\gamma_0 = \frac{\beta_0 + \sqrt{\beta_0^2 - 4\beta_1}}2.

11. Encadenando:

η0=−1+172,β0=η0+η02+42,β1=η1+η12+42,cos⁡2π17=β0+β02−4β14.\eta_0 = \frac{-1 + \sqrt{17}}2, \quad \beta_0 = \frac{\eta_0 + \sqrt{\eta_0^2 + 4}}2, \quad \beta_1 = \frac{\eta_1 + \sqrt{\eta_1^2 + 4}}2, \quad \cos\frac{2\pi}{17} = \frac{\beta_0 + \sqrt{\beta_0^2 - 4\beta_1}}4 .

Numéricamente: 17≈4.1231\sqrt{17} \approx 4.1231, η0≈1.5616\eta_0 \approx 1.5616, η1≈−2.5616\eta_1 \approx -2.5616, β0≈2.0494\beta_0 \approx 2.0494, β1≈0.3441\beta_1 \approx 0.3441, β02−4β1≈2.8234\beta_0^2 - 4\beta_1 \approx 2.8234, y cos⁡2π17≈2.0494+1.68034≈0.93242\cos\frac{2\pi}{17} \approx \frac{2.0494 + 1.6803}4 \approx 0.93242 — frente a cos⁡2π17=0.93247…\cos\frac{2\pi}{17} = 0.93247\dots: la pequeña discrepancia se debe al redondeo de las expresiones intermedias; con más cifras se reproduce 0.9324720.932472.

12. La construcción necesitaba que [L:Q]=p−1[L:\Q] = p - 1 fuese una potencia de 22, para que exista una cadena completa de subgrupos de índice 22. Si p=2m+1p = 2^m + 1 es primo y m=abm = ab con aa impar >1> 1: x+1∣xa+1x + 1 \mid x^a + 1 en x=2bx = 2^b muestra que 2b+12^b + 1 divide propiamente a pp — imposible. Luego mm es una potencia de 22: p=22t+1p = 2^{2^t} + 1, un primo de Fermat (3,5,17,257,655373, 5, 17, 257, 65537, …). Recíprocamente, para tales pp, φ(p)=22t\varphi(p) = 2^{2^t} y se aplica el argumento de las preguntas 1–3 (o el Corolario 4.26): el pp-ágono regular es construible si y solo si pp es un primo de Fermat.

13. φ(n)\varphi(n) es una potencia de 22 exactamente cuando n=2ap1⋯prn = 2^a p_1\cdots p_r con pip_i primos de Fermat distintos (multiplicatividad de φ\varphi; una potencia de primo impar pkp^k, k≥2k \geq 2, aporta el factor p∤2mp \nmid 2^m). Para n≤20n \leq 20, los nn-ágonos regulares construibles son

n=3,4,5,6,8,10,12,15,16,17,20n = 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 17, 20

con los valores respectivos

φ(n)=2, 2, 4, 2, 4, 4, 4, 8, 8, 16, 8.\varphi(n) = 2,\ 2,\ 4,\ 2,\ 4,\ 4,\ 4,\ 8,\ 8,\ 16,\ 8 .

Los imposibles son n=7,9,11,13,14,18,19n = 7, 9, 11, 13, 14, 18, 19, donde φ(n)=6,6,10,12,6,6,18\varphi(n) = 6, 6, 10, 12, 6, 6, 18 tiene un factor primo impar.

14. Los cuadrados son la imagen del morfismo de elevar al cuadrado sobre el grupo cíclico (Z/pZ)×(\Z/p\Z)^\times, de índice 22: p−12\frac{p-1}2 cuadrados y p−12\frac{p-1}2 no cuadrados, de modo que los símbolos suman 00. Entonces

∑a=0p−1ζa2=1+2∑b cuadrado≠0ζb=1+∑b≠0(1+(bp))ζb=∑bζb+g=g,\sum_{a=0}^{p-1}\zeta^{a^2} = 1 + 2\sum_{b \text{ cuadrado} \neq 0}\zeta^b = 1 + \sum_{b\neq0}\Bigl(1 + \Bigl(\frac bp\Bigr)\Bigr) \zeta^b = \sum_{b}\zeta^b + g = g,

usando 1+(bp)=#{a:a2=b}1 + \bigl(\frac bp\bigr) = \#\{a : a^2 = b\} y ∑b=0p−1ζb=0\sum_{b=0}^{p-1}\zeta^b = 0. Para p=17p = 17: los cuadrados módulo 1717 son las potencias pares del generador 33, es decir, los exponentes que aparecen en η0\eta_0 (Parte II), luego g=∑par kζ3k−∑impar kζ3k=η0−η1g = \sum_{\text{par }k}\zeta^{3^k} - \sum_{\text{impar }k} \zeta^{3^k} = \eta_0 - \eta_1.

15. Con b=c−ab = c - a (a,ba, b recorren los restos no nulos y c=a+bc = a + b todos los restos):

g2=∑cζc∑a≠0, a≠c(a(c−a)p).g^2 = \sum_c\zeta^c\sum_{a\neq0,\,a\neq c} \Bigl(\frac{a(c-a)}p\Bigr) .

Para c=0c = 0: (−a2p)=(−1p)\bigl(\frac{-a^2}p\bigr) = \bigl(\frac{-1}p\bigr), sumado sobre p−1p - 1 valores. Para c≠0c \neq 0: sustitúyase c−a=atc - a = at, es decir, t=c/a−1t = c/a - 1; cuando aa recorre los restos no nulos, tt recorre biyectivamente los restos ≠−1\neq -1 (invirtiendo: a=c/(1+t)a = c/(1 + t)). El sumando se convierte en (a2tp)=(tp)\bigl(\frac{a^2t}p\bigr) = \bigl(\frac tp\bigr), y

∑t≠−1(tp)=−(−1p)\sum_{t \neq -1}\Bigl(\frac tp\Bigr) = -\Bigl(\frac{-1}p\Bigr)

(la suma completa se anula por la pregunta 14). Por tanto,

g2=(−1p)[(p−1)−∑c≠0ζc]=(−1p) p=p∗,g^2 = \Bigl(\frac{-1}p\Bigr)\Bigl[(p-1) - \sum_{c\neq0}\zeta^c\Bigr] = \Bigl(\frac{-1}p\Bigr)\,p = p^* ,

usando ∑c≠0ζc=−1\sum_{c\neq0}\zeta^c = -1 y el criterio de Euler (−1p)=(−1)(p−1)/2\bigl(\frac{-1}p\bigr) = (-1)^{(p-1)/2}. Para p=17p = 17: (η0−η1)2=(η0+η1)2−4η0η1=1+16=17(\eta_0 - \eta_1)^2 = (\eta_0 + \eta_1)^2 - 4\eta_0\eta_1 = 1 + 16 = 17, en concordancia con la Parte II.

16. g2=p∗g^2 = p^* exhibe p∗=±g∈Q(ζp)\sqrt{p^*} = \pm g \in \Q(\zeta_p), luego Q(p∗)\Q(\sqrt{p^*}) es un subcuerpo cuadrático. Unicidad: los subcuerpos de grado 22 corresponden, por la correspondencia de Galois, a los subgrupos de índice 22 del cíclico Gal⁡(Q(ζp)/Q)≅(Z/pZ)×\operatorname{Gal}(\Q(\zeta_p)/\Q) \cong (\Z/p\Z)^\times, y un grupo cíclico de orden par tiene exactamente uno de esos subgrupos (los cuadrados). Todo cuerpo cuadrático es Q(d)\Q(\sqrt{d}) con dd libre de cuadrados, y combinando los cuerpos Q(p∗)\Q(\sqrt{p^*}), Q(i)⊆Q(ζ4)\Q(\iu) \subseteq \Q(\zeta_4) y Q(2)⊆Q(ζ8)\Q(\sqrt2) \subseteq \Q(\zeta_8) dentro de un mismo Q(ζN)\Q(\zeta_N) se alcanza todo d\sqrt d: el caso cuadrático de Kronecker–Weber.

17. En todo anillo conmutativo, (x+y)q=xq+yq+q(⋯ )(x + y)^q = x^q + y^q + q(\cdots): los coeficientes binomiales (qk)\binom qk, 0<k<q0 < k < q, son divisibles por el primo qq. Iterando sobre los p−1p - 1 términos de gg:

gq≡∑a(ap)qζaq=∑a(ap)ζaq(modqZ[ζ]),g^q \equiv \sum_{a}\Bigl(\frac ap\Bigr)^{q}\zeta^{aq} = \sum_a\Bigl(\frac ap\Bigr)\zeta^{aq} \pmod{q\Z[\zeta]},

(qq impar: el símbolo no cambia). Reindexando b=aqb = aq: a=q−1ba = q^{-1}b y (q−1bp)=(qp)(bp)\bigl(\frac{q^{-1}b}p\bigr) = \bigl(\frac{q}p\bigr)\bigl(\frac bp\bigr) (multiplicatividad; (q−1p)=(qp)\bigl(\frac{q^{-1}}p\bigr) = \bigl(\frac qp\bigr), pues el símbolo de un inverso coincide con el símbolo): gq≡(qp)gg^q \equiv \bigl(\frac qp\bigr)g.

18. gq=g (g2)(q−1)/2=g (p∗)(q−1)/2g^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} = g\,(p^*)^{(q-1)/2} exactamente (pregunta 15), y el criterio de Euler en Z\Z da (p∗)(q−1)/2≡(p∗q)(modq)(p^*)^{(q-1)/2} \equiv \bigl(\frac{p^*}q\bigr) \pmod q, de donde, módulo qZ[ζ]q\Z[\zeta]: gq≡(p∗q)gg^q \equiv \bigl(\frac{p^*}q\bigr)g. Comparando con la pregunta 17 y multiplicando por gg:

(qp)p∗≡(p∗q)p∗(modqZ[ζ]).\Bigl(\frac qp\Bigr)p^* \equiv \Bigl(\frac{p^*}q\Bigr)p^* \pmod{q\Z[\zeta]} .

Ambos miembros son enteros racionales; su diferencia, 00 o ±2p∗\pm2p^*, está en qZ[ζ]∩Z=qZq\Z[\zeta] \cap \Z = q\Z (un entero m∈qZ[ζ]m \in q\Z[\zeta] cumple m/q∈Q∩Z[ζ]=Zm/q \in \Q \cap \Z[\zeta] = \Z, esto último porque 1,ζ,…,ζp−21, \zeta, \dots, \zeta^{p-2} es una Q\Q-base con coordenadas racionales que delatan la integralidad). Como q∤2p∗q \nmid 2p^* (qq impar, q≠pq \neq p), la diferencia es 00: (qp)=(p∗q)\bigl(\frac qp\bigr) = \bigl(\frac{p^*}q\bigr).

19. Por multiplicatividad, (p∗q)=(−1q)(p−1)/2(pq)=(−1)q−12⋅p−12(pq)\bigl(\frac{p^*}q\bigr) = \bigl(\frac{-1}q\bigr)^{(p-1)/2}\bigl(\frac pq\bigr) = (-1)^{\frac{q-1}2\cdot\frac{p-1}2}\bigl(\frac pq\bigr), de modo que la pregunta 18 se lee (qp)(pq)=(−1)p−12q−12\bigl(\frac qp\bigr)\bigl(\frac pq\bigr) = (-1)^{\frac{p-1}2\frac{q-1}2}: la reciprocidad. Comprobación con (17,3)(17, 3): el exponente 162⋅22=8\frac{16}2\cdot\frac22 = 8 es par, luego los dos símbolos han de coincidir; los cuadrados módulo 33 son {1}\{1\} y 17≡217 \equiv 2: (173)=−1\bigl(\frac{17}3\bigr) = -1; los cuadrados módulo 1717 son {1,4,9,16,8,2,15,13}\{1, 4, 9, 16, 8, 2, 15, 13\} y 33 no está: (317)=−1\bigl(\frac3{17}\bigr) = -1. Producto +1+1, como se predecía. Para x2≡219(mod383)x^2 \equiv 219 \pmod{383}: (219383)=(3383)(73383)\bigl(\frac{219}{383}\bigr) = \bigl(\frac3{383}\bigr)\bigl(\frac{73}{383}\bigr). Primero: 383≡3(mod4)383 \equiv 3 \pmod4 y 3≡33 \equiv 3: la reciprocidad da (3383)=−(3833)=−(23)=−(−1)=+1\bigl(\frac3{383}\bigr) = -\bigl(\frac{383}3\bigr) = -\bigl(\frac23\bigr) = -(-1) = +1. Segundo: 73≡1(mod4)73 \equiv 1 \pmod 4: (73383)=(38373)=(1873)=(273)\bigl(\frac{73}{383}\bigr) = \bigl(\frac{383}{73}\bigr) = \bigl(\frac{18}{73}\bigr) = \bigl(\frac2{73}\bigr) (18=2⋅3218 = 2\cdot3^2), y 73≡1(mod8)73 \equiv 1 \pmod 8 hace de 22 un cuadrado módulo 7373 (ley suplementaria, demostrable con g=ζ8+ζ8−1=2g = \zeta_8 + \zeta_8^{-1} = \sqrt2 en Q(ζ8)\Q(\zeta_8) por el mismo método): +1+1. En total +1+1: la congruencia es resoluble.

20. Existencia y unicidad de la raíz primitiva: si ww tiene conjunto de períodos {d:w=un/d, ∣u∣=d}\{d : w = u^{n/d},\ \abs u = d\}, el d0d_0 mínimo divide a todos los demás períodos dd (si ww es a la vez potencia dd-ésima y potencia d′d'-ésima, es potencia gcd⁡(d,d′)\gcd(d, d')-ésima: compárense letras en índices congruentes módulo el máximo común divisor, vía Bézout), y el bloque de longitud d0d_0 es primitivo. Clasificando las qnq^n palabras según la longitud de su raíz primitiva: qn=∑d∣nA(d)q^n = \sum_{d \mid n}A(d). Como AA y d Nq(d)d\,N_q(d) cumplen la misma recursión con los mismos valores para n=1n = 1 (cada uno determina al otro inductivamente a partir de qn=∑d∣n(⋅)q^n = \sum_{d\mid n}(\cdot)), son iguales: A(d)=d Nq(d)A(d) = d\,N_q(d). Biyección: un elemento α\alpha de grado dd da la palabra wαw_\alpha formada por los coeficientes de… mejor, directamente: los elementos de grado dd de Fq‾\overline{\mathbb F_q} son las raíces de los Nq(d)N_q(d) irreducibles de grado dd, cada uno con sus dd raíces distintas (separabilidad): d Nq(d)d\,N_q(d) elementos de grado dd, lo que concuerda con el recuento qn=∑d∣n#{elementos de grado d en Fqn}q^n = \sum_{d\mid n}\#\{ \text{elementos de grado } d \text{ en } \mathbb F_{q^n}\} — la misma criba, una vez sobre palabras y otra sobre elementos de un cuerpo.

21. Lema: ∑d∣mμ(d)=1m=1\sum_{d \mid m}\mu(d) = \mathbf 1_{m=1}. Para m>1m > 1, fíjese un primo p∣mp \mid m: los divisores libres de cuadrados de mm se emparejan como {d,pd}\{d, pd\} con p∤dp \nmid d, y μ(pd)=−μ(d)\mu(pd) = -\mu(d): la suma se cancela. Entonces, para f(n)=∑e∣ng(e)f(n) = \sum_{e\mid n}g(e):

∑d∣nμ(d) f(nd)=∑d∣nμ(d) ⁣ ⁣∑e∣n/d ⁣ ⁣g(e)=∑e∣ng(e) ⁣ ⁣∑d∣n/e ⁣ ⁣μ(d)=g(n).\sum_{d \mid n}\mu(d)\,f\bigl(\tfrac nd\bigr) = \sum_{d \mid n}\mu(d)\!\!\sum_{e \mid n/d}\!\!g(e) = \sum_{e \mid n}g(e)\!\!\sum_{d \mid n/e}\!\!\mu(d) = g(n) .

Con f(n)=qnf(n) = q^n y g(n)=nNq(n)g(n) = nN_q(n) (Ejercicio 4.6): Nq(n)=1n∑d∣nμ(d) qn/dN_q(n) = \frac1n\sum_{d\mid n}\mu(d)\,q^{n/d}.

22. El término d=1d = 1 es qnq^n; todos los demás tienen ∣μ(d)qn/d∣≤qn/2\abs{\mu(d)q^{n/d}} \leq q^{n/2} y, groseramente, ∑d∣n,d>1qn/d≤∑j≤n/2qj<2qn/2\sum_{d \mid n, d > 1}q^{n/d} \leq \sum_{j \leq n/2}q^j < 2q^{n/2} (geométrica, q≥2q \geq 2). Luego nNq(n)>qn−2qn/2≥0nN_q(n) > q^n - 2q^{n/2} \geq 0 para n≥1n \geq 1: existen irreducibles de todo grado, y Fq[X]/(π)=Fqn\mathbb F_q[X]/(\pi) = \mathbb F_{q^n} se (re)construye — existencia con censo incluido. La proporción de irreducibles entre los qnq^n polinomios mónicos de grado nn es 1n(1+O(q−n/2))\frac1n(1 + O(q^{-n/2})): el teorema de los números primos de Fq[X]\mathbb F_q[X], con nn en el papel de log⁡x\log x. Para q=2q = 2, los recuentos 2,1,2,32, 1, 2, 3 del Ejercicio 4.6 concuerdan con la fórmula: por ejemplo, N2(4)=14(24−22)=3N_2(4) = \frac14(2^4 - 2^2) = 3.

23. En el grupo abeliano multiplicativo de las funciones racionales no nulas sobre Fq\mathbb F_q, póngase F(n)=Xqn−XF(n) = X^{q^n} - X y G(n)=∏deg⁡π=nπG(n) = \prod_{\deg\pi = n}\pi; el Ejercicio 4.6 dice que F(n)=∏d∣nG(d)F(n) = \prod_{d\mid n}G(d). El argumento de Möbius de la pregunta 21, escrito multiplicativamente (los exponentes se suman exactamente igual que antes las sumas), da G(n)=∏d∣nF(d)μ(n/d)G(n) = \prod_{d \mid n}F(d)^{\mu(n/d)}. Para q=2q = 2, n=2n = 2: G(2)=X4−XX2−X=X(X3−1)X(X−1)=X2+X+1G(2) = \frac{X^4 - X}{X^2 - X} = \frac{X(X^3 - 1)}{X(X - 1)} = X^2 + X + 1, la única cuadrática irreducible sobre F2\mathbb F_2, como no podía ser de otro modo.

24. ω2=i\omega^2 = \iu y ω−2=−i\omega^{-2} = -\iu, luego g2=ω2+2+ω−2=2g^2 = \omega^2 + 2 + \omega^{-2} = 2. Sueño del principiante en el anillo conmutativo Z[ω]/qZ[ω]\Z[\omega]/q\Z[\omega]: gq=(ω+ω−1)q≡ωq+ω−qg^q = (\omega + \omega^{-1})^q \equiv \omega^q + \omega^{-q}. El valor de ωq+ω−q\omega^q + \omega^{-q} solo depende de q mod 8q \bmod 8: para q≡±1q \equiv \pm1, ωq+ω−q=ω±1+ω∓1=g\omega^q + \omega^{-q} = \omega^{\pm1} + \omega^{\mp1} = g; para q≡±3q \equiv \pm3, usando ω4=−1\omega^4 = -1, ω3=−ω−1\omega^{3} = -\omega^{-1} y ω−3=−ω\omega^{-3} = -\omega, luego ωq+ω−q=−g\omega^q + \omega^{-q} = -g. Por otra parte, gq=g (g2)(q−1)/2=g 2(q−1)/2≡(2q)g(modqZ[ω])g^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} = g\,2^{(q-1)/2} \equiv \bigl(\frac2q\bigr) g \pmod{q\Z[\omega]} por el criterio de Euler módulo qq. Comparando y multiplicando por gg: 2(2q)≡±2(modqZ[ω])2\bigl(\frac2q\bigr) \equiv \pm2 \pmod{q\Z[\omega]}; si los signos discreparan, qq dividiría a 44 en Z[ω]\Z[\omega] y, por tanto, en Z\Z (qZ[ω]∩Z=qZq\Z[\omega] \cap \Z = q\Z: coordenadas en la base 1,ω,ω2,ω31, \omega, \omega^2, \omega^3), imposible para qq impar. Luego (2q)=+1\bigl(\frac2q\bigr) = +1 si y solo si q≡±1(mod8)q \equiv \pm1 \pmod 8. Comprobación de paridad: q=8k±1q = 8k \pm 1 da (q2−1)/8=2k(4k±1)(q^2 - 1)/8 = 2k(4k \pm 1), par; q=8k±3q = 8k \pm 3 da (q2−1)/8=8k2±6k+1(q^2 - 1)/8 = 8k^2 \pm 6k + 1, impar: la fórmula (−1)(q2−1)/8(-1)^{(q^2-1)/8} codifica la distinción de casos. Numéricamente: 32=9≡2(mod7)3^2 = 9 \equiv 2 \pmod 7 (7≡−17 \equiv -1), 62=36≡2(mod17)6^2 = 36 \equiv 2 \pmod{17} (17≡117 \equiv 1); los cuadrados módulo 33 son {0,1}\{0, 1\} y módulo 55 son {0,1,4}\{0, 1, 4\}, y ninguno contiene 22 (3≡33 \equiv 3, 5≡−3(mod8)5 \equiv -3 \pmod 8).

25. Todo f∈Fq[X]f \in \mathbb F_q[X] mónico se factoriza de manera única como ∏ππeπ\prod_\pi\pi^{e_\pi} sobre los irreducibles mónicos: ordenando por grado,

∑f moˊnicotdeg⁡f=∏π ∑e≥0tedeg⁡π=∏π(1−tdeg⁡π)−1=∏n≥1(1−tn)−Nq(n),\sum_{f \text{ mónico}}t^{\deg f} = \prod_\pi\ \sum_{e \geq 0}t^{e\deg\pi} = \prod_\pi\bigl(1 - t^{\deg\pi}\bigr)^{-1} = \prod_{n \geq 1}\bigl(1 - t^n\bigr)^{-N_q(n)},

productos todos ellos legítimos como series formales (solo los grados ≤m\leq m afectan al coeficiente de tmt^m, y hay finitos irreducibles de cada grado). El miembro de la izquierda es ∑mqmtm=(1−qt)−1\sum_m q^mt^m = (1 - qt)^{-1}: la identidad. Logaritmos: −log⁡(1−qt)=∑mqmmtm-\log(1 - qt) = \sum_m\frac{q^m}mt^m, mientras que ∑nNq(n)(−log⁡(1−tn))=∑nNq(n)∑ktnkk\sum_nN_q(n)\bigl(-\log(1 - t^n)\bigr) = \sum_nN_q(n)\sum_k\frac{t^{nk}}k; el coeficiente de tmt^m da qmm=∑dk=mNq(d)k=1m∑d∣md Nq(d)\frac{q^m}m = \sum_{dk = m} \frac{N_q(d)}k = \frac1m\sum_{d \mid m}d\,N_q(d), es decir, qm=∑d∣md Nq(d)q^m = \sum_{d\mid m}d\,N_q(d). Comprobación a mano, q=2q = 2, coeficiente de t2t^2: N2(1)=2N_2(1) = 2, N2(2)=1N_2(2) = 1, y (1−t)−2(1−t2)−1=(1+2t+3t2+… )(1+t2+… )(1 - t)^{-2}(1 - t^2)^{-1} = (1 + 2t + 3t^2 + \dots)(1 + t^2 + \dots) tiene coeficiente en t2t^2 igual a 3+1=4=223 + 1 = 4 = 2^2. Por último, la fórmula de la pregunta 21 con los divisores 1,2,3,61, 2, 3, 6:

N2(6)=16(26−23−22+2)=546=9,N_2(6) = \tfrac16\bigl(2^6 - 2^3 - 2^2 + 2\bigr) = \tfrac{54}6 = 9,

y, en efecto, 1⋅2+2⋅1+3⋅2+6⋅9=2+2+6+54=64=261\cdot2 + 2\cdot1 + 3\cdot2 + 6\cdot9 = 2 + 2 + 6 + 54 = 64 = 2^6.

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