Matemática universitária — Graduação 3 · Bachelor Year 3
4Extensões de corpos e teoria de Galois
Toda equação pode ser resolvida por radicais, como sugerem a fórmula quadrática e as fórmulas de Cardano para o grau três? É possível trissectar um ângulo com régua e compasso? As duas perguntas, abertas por séculos, recebem resposta — negativa — de uma única ideia de Évariste Galois: associar a cada polinômio um grupo finito de simetrias de suas raízes e ler a resposta no grupo. Este capítulo constrói o dicionário: extensões de corpos e graus, corpos de decomposição e fechos algébricos, corpos finitos (uma teoria completa — e a prometida ciclicidade de ), separabilidade e, então, a própria correspondência de Galois, com demonstrações integrais. Colhemos: a impossibilidade das construções clássicas, a estrutura dos corpos ciclotômicos e a insolubilidade da quíntica por radicais — a simplicidade de , obtida no Capítulo 1, atingindo seu alvo.
4.1 Extensões, grau, algebricidade
Definição 4.1
Uma extensão de corpos é um corpo que contém como subcorpo; é então um -espaço vetorial, e o grau é sua dimensão. A extensão é finita se . A característica de um corpo é o gerador do núcleo de , : ela vale ou um primo ; correspondentemente, contém um menor subcorpo (corpo primo) isomorfo a ou a .
Teorema 4.2 (Lei da torre)
Se , então : se é uma base de sobre e é uma base de sobre , então é uma base de sobre .
Demonstração. Geração: escreve-se (), e cada (): . Independência: reescreve-se como ; as somas internas estão em , logo se anulam (os são independentes sobre ); e então todos os (os são independentes sobre ). ∎
Definição 4.3
Sejam e . Se algum não nulo satisfaz , dizemos que é algébrico sobre ; o gerador mônico do ideal de é seu polinômio minimal, um polinômio irredutível ( com força constante, pela minimalidade do grau). Caso contrário, é transcendente. Escrevemos para o menor subcorpo de que contém e , e para o menor subanel.
Teorema 4.4
Se é algébrico sobre com , então
com base . Reciprocamente, se , todo é algébrico de grau que divide .
Demonstração. A avaliação , , tem imagem e núcleo ; como é irredutível, é um corpo (Proposição 2.4: no DIP , um irredutível gera um ideal maximal), de modo que é um corpo contendo e : ele é igual a . As classes de formam uma base do quociente (divisão euclidiana), donde a base e o grau. Reciprocamente, se : os são dependentes, o que fornece um polinômio aniquilador; então divide pela lei da torre. ∎
Corolário 4.5
Se são algébricos sobre , também o são , , (): os elementos de algébricos sobre formam um subcorpo de . Além disso, a algebricidade é transitiva: algébrico sobre algébrico é algébrico.
Demonstração. é finita sobre ( é algébrico sobre ) e é finita: pela lei da torre, , e todo elemento de — inclusive os quatro listados — é algébrico (Teorema 4.4). Transitividade: se é algébrico sobre e é algébrica, os coeficientes de geram uma extensão finita de (lei da torre aplicada repetidamente), e é finita: , logo é algébrico sobre . ∎
Exemplo 4.6
, ( é irredutível, por Eisenstein), para ( é irredutível, Exemplo 2.26). A lei da torre já é uma arma: , pois .
4.2 Corpos de decomposição; fecho algébrico
Teorema 4.7 (Corpos de decomposição)
Seja não constante. Existe um corpo de decomposição de sobre : uma extensão gerada por raízes de na qual se decompõe em fatores lineares. Ele é único a menos de -isomorfismo, e .
Demonstração. Existência, por indução sobre : escolha um fator irredutível de ; o corpo contém a raiz de e, portanto, de ; escreva sobre e aplique a indução a sobre ; os graus se multiplicam dando no máximo .
A unicidade decorre do lema de extensão de isomorfismos, que é mais forte: seja um isomorfismo, , e seja o polinômio de coeficientes transportados; sejam corpos de decomposição de ; então se estende a um isomorfismo . Indução sobre : se se decompõe em , então e ( se decompõe em , e é gerado por suas raízes). Caso contrário, escolha uma raiz de um fator irredutível de com ; é um fator irredutível de , com uma raiz ; então
estende com . Ora, é um corpo de decomposição de sobre , e o é de sobre , com : a indução estende ainda mais, até . ∎
Definição 4.8
Um corpo é algebricamente fechado se todo polinômio não constante de tem uma raiz em (e portanto se decompõe). Um fecho algébrico de é uma extensão algébrica com algebricamente fechado.
Teorema 4.9 (Steinitz)
Todo corpo tem um fecho algébrico, único a menos de -isomorfismo.
Demonstração. Existência (construção de Artin). Seja o anel de polinômios com uma variável para cada mônico não constante, e seja o ideal gerado por todos os . O ideal é próprio: uma relação envolve um número finito de polinômios; em um corpo de decomposição comum de , escolha raízes de e avalie (as demais variáveis em ): , absurdo. Seja maximal (Teorema 2.8; Zorn) e ponha : uma extensão de corpos de em que todo não constante tem uma raiz, a saber , e que é algébrica sobre (ela é gerada pelos , cada um algébrico). Itere: , onde faz com o que fez com , e ponha , um corpo. Todo não constante tem seus finitos coeficientes em algum ; um fator irredutível de sobre tem uma raiz em : é algebricamente fechado, e é algébrico sobre (cada o é, por transitividade, Corolário 4.5): é um fecho algébrico.
Unicidade. Sejam dois fechos algébricos. Considere o conjunto dos pares em que e é um -mergulho, ordenado por extensão; ele é não vazio () e indutivo (a reunião de uma cadeia), de modo que Zorn fornece um par maximal . Se , escolha : é levado em um polinômio sobre que tem uma raiz no corpo algebricamente fechado , e se estende a (), contradizendo a maximalidade. Existe, portanto, um -mergulho ; sua imagem, isomorfa a , é algebricamente fechada, e é algébrico sobre ela: para , se decompõe sobre , logo . Assim é sobrejetor: é um isomorfismo. ∎
Observação 4.10
Para é possível evitar o maquinário transfinito: os números algébricos formam um fecho algébrico — um subcorpo de pelo Corolário 4.5, algebricamente fechado porque o é (d’Alembert–Gauss, demonstrado por análise complexa no Capítulo 16), e as raízes de polinômios sobre são algébricas sobre por transitividade.
4.3 Corpos finitos
Teorema 4.11
Sejam primo, , .
- Um corpo finito tem por cardinalidade uma potência de primo e, para cada , existe exatamente um corpo com elementos a menos de isomorfismo: o corpo de decomposição de sobre .
- O Frobenius é um automorfismo de , e o grupo de automorfismos de é cíclico de ordem , gerado por .
- mergulha em se, e somente se, .
Demonstração. (1) Um corpo finito tem característica e é um -espaço vetorial de dimensão finita: . Seu grupo multiplicativo tem ordem , de modo que todo satisfaz : é formado por raízes de e, portanto, é um corpo de decomposição desse polinômio sobre — o que determina a menos de isomorfismo (Teorema 4.7). Reciprocamente, em um corpo de decomposição de , o conjunto de suas raízes é um subcorpo: iterando o sonho do calouro (), e , ; ele tem exatamente elementos, pois é separável: sua derivada é (já que ), coprima com ele, de modo que não há raízes múltiplas. Assim tem elementos.
(2) é um morfismo de corpos (sonho do calouro), injetor (são corpos) e, portanto, bijetor no conjunto finito . Tem-se (), e nenhuma potência menor é a identidade: significaria que todos os elementos são raízes de , o que força . Logo é cíclico de ordem ; e não há outros automorfismos, pela cota demonstrada adiante (Proposição 4.16 com , : os automorfismos fixam o corpo primo).
(3) Se , a lei da torre dá : . Reciprocamente, se , então (soma geométrica), de modo que divide (mesmo argumento nos expoentes: quando ), e as raízes do primeiro dentro de formam o subcorpo procurado, de cardinalidade (separabilidade como em (1)). ∎
Teorema 4.12 (Ciclicidade)
Todo subgrupo finito do grupo multiplicativo de um corpo é cíclico. Em particular, .
Demonstração. Seja finito. Pelo teorema de estrutura (Corolário 3.13), com . Todo satisfaz então ; mas tem no máximo raízes no corpo : , o que força : é cíclico. ∎
Exemplo 4.13
: a cúbica não tem raiz em e, portanto, é irredutível. Escrevendo : é cíclico de ordem , de modo que todo elemento é gerador. Os subcorpos de formam o reticulado dos divisores de : — um primeiro exemplo completo da correspondência de Galois.
4.4 Separabilidade e mergulhos
Definição 4.14
Um polinômio é separável se não tem raiz múltipla em um corpo de decomposição — equivalentemente, (uma raiz múltipla é uma raiz comum; reciprocamente, sobre o corpo de decomposição, uma raiz comum é múltipla; e o mdc não muda por extensão de corpo, pelo argumento do Corolário 3.17). Um elemento algébrico é separável se seu polinômio minimal o for; uma extensão é separável se todos os seus elementos o forem.
Proposição 4.15
Um irredutível é separável, exceto se , o que força e . Consequentemente, toda extensão algébrica de um corpo de característica , e de um corpo finito, é separável (tais corpos são chamados perfeitos).
Demonstração. divide ; se não for , a irredutibilidade força (a menos de uma constante), de modo que com : . Escrevendo : para todo , logo em característica o polinômio é constante (excluído); em característica , a menos que : . Sobre um corpo finito, todo elemento é uma -ésima potência (o Frobenius é sobrejetor), de modo que não é irredutível: ali tampouco pode ocorrer para irredutível. ∎
Proposição 4.16 (Contagem de mergulhos)
Sejam finita sobre e um mergulho em um corpo algebricamente fechado. Então o número de extensões de a é no máximo , com igualdade se é separável. Em particular, .
Demonstração. Indução sobre por etapas simples. Para : uma extensão fica determinada por , que deve ser uma raiz em de ; reciprocamente, cada uma dessas raízes dá uma extensão (). O número de extensões é o número de raízes distintas de em : no máximo , com igualdade se, e somente se, é separável (a separabilidade de e a de coincidem: o mdc com a derivada é preservado por ). No caso geral, fatore : as extensões de a são em número de , e cada uma se estende de maneiras, por indução; multiplique (lei da torre). No caso separável, ambas as contagens são igualdades: os polinômios minimais sobre o corpo maior dividem os de sobre e, portanto, permanecem separáveis. ∎
Teorema 4.17 (Elemento primitivo)
Toda extensão finita separável é simples: para algum .
Demonstração. Se é finito, também é, e um gerador do grupo cíclico (Teorema 4.12) resolve. Seja infinito; por indução, basta tratar . Seja ; pela Proposição 4.16 há -mergulhos distintos (com um fecho algébrico). O polinômio
não é identicamente nulo: um fator se anula identicamente somente se coincidem tanto em quanto em e, portanto, em — excluído para . Como é infinito, escolha com : então os elementos são dois a dois distintos, de modo que tem ao menos conjugados distintos em , isto é, : força . ∎
4.5 A correspondência de Galois
Definição 4.18
Uma extensão finita é de Galois se é o corpo de decomposição de um polinômio separável sobre . Seu grupo de Galois é , o grupo dos automorfismos do corpo que fixam ponto a ponto.
Proposição 4.19
Se é de Galois, então ; além disso, é de Galois para todo corpo intermediário , e todo -mergulho tem imagem (normalidade).
Demonstração. Seja o corpo de decomposição do polinômio separável sobre , e fixe um fecho algébrico . A extensão é separável: ela é gerada por raízes de ; a separabilidade de cada elemento decorre do caso de igualdade abaixo, mas argumentemos diretamente — a Proposição 4.16 aplicada aos geradores (raízes do polinômio separável , cujos polinômios minimais dividem ) fornece exatamente extensões de (na etapa indutiva, o polinômio minimal de uma raiz de sobre um corpo intermediário ainda divide e, portanto, é separável). Cada um desses mergulhos permuta as raízes de ( fixa os coeficientes), e é gerado por elas: . Logo mergulhos automorfismos: . Para intermediário: é também o corpo de decomposição de sobre , e continua separável: é de Galois; o mesmo argumento dá a normalidade sobre . ∎
Lema 4.20 (Artin)
Sejam um grupo finito de automorfismos de um corpo e seu corpo fixo. Então .
Demonstração. Sejam , , e suponha que sejam linearmente independentes sobre . O sistema linear homogêneo de equações nas incógnitas sobre ,
tem solução não nula; escolha uma com o menor número de entradas não nulas, digamos (renumerando), (um único é impossível), normalizada por . Nem todos os estão em : a equação relativa a contradiria a independência; digamos , de modo que para algum . Aplique a todas as equações: como percorre , o vetor é outra solução; subtraindo, é uma solução com menos entradas não nulas (a -ésima entrada, , se anula, e a primeira não) e não nula: contradição. Portanto, quaisquer elementos são dependentes: . ∎
Teorema 4.21 (Teorema fundamental da teoria de Galois)
Seja uma extensão de Galois com grupo .
- .
- As aplicações e são bijeções mutuamente inversas e que invertem inclusões, entre os subgrupos de e os corpos intermediários ; além disso, e .
- se, e somente se, é de Galois, e então a restrição induz .
Demonstração. (1) É claro que . Reciprocamente, seja ; exibimos com . O polinômio minimal sobre tem grau e é separável ( é separável, Proposição 4.19), de modo que tem outra raiz em um fecho algébrico . Estenda o -mergulho , , a um mergulho (Proposição 4.16); por normalidade (Proposição 4.19), , logo , e .
(2) Para um subgrupo : é de Galois (Proposição 4.19), e trivialmente, logo ; o lema de Artin dá : há igualdade, e . Para um corpo intermediário : sendo de Galois, (1) aplicado a dá . As duas aplicações são mutuamente inversas; que invertem inclusões é evidente. Graus: acabou de ser demonstrado, e .
(3) Para e : (verificação direta). Pela bijeção, para todo se, e somente se, . Ora, se , ponha : todo se restringe a um automorfismo de , o que dá um morfismo de núcleo . Logo mergulha em , donde ; a desigualdade inversa vale sempre (Proposição 4.16): e é sobrejetor. Resta ver que é de Galois: é separável sobre (por estar dentro da extensão separável ) e (Teorema 4.17); o polinômio (produto sobre as imagens distintas, que estão em : pela normalidade de ) tem coeficientes fixados por e, portanto, em , por (1): trata-se de um polinômio separável de decomposto por , cujas raízes geram : é de Galois. Reciprocamente, se com de Galois, a normalidade de (Proposição 4.19, aplicada aos mergulhos restritos de elementos de ) dá para todo , isto é, . ∎
4.6 Extensões ciclotômicas
Definição 4.22
Sejam e . O -ésimo polinômio ciclotômico é , de grau ; agrupando as raízes de por ordem exata, , o que mostra por indução que (divisão euclidiana de polinômios inteiros mônicos).
Teorema 4.23
é irredutível sobre ; logo e
A extensão é, portanto, de Galois com grupo abeliano.
Demonstração. Seja , de modo que com mônicos (lema de Gauss, Lema 2.23: os conteúdos se multiplicam e todos os polinômios são mônicos). Afirmação: se é raiz de e é primo, então é raiz de . Caso contrário, é raiz de (é uma raiz -ésima primitiva da unidade), de modo que é raiz de e em (polinômio minimal e, de novo, Gauss). Reduza módulo : (Frobenius em : coeficiente a coeficiente , mais o sonho do calouro), logo : e compartilham um fator irredutível, e tem um fator repetido. Então também tem; mas sua derivada é coprima com ele (, e não é raiz): contradição.
Toda raiz primitiva () é obtida a partir de por potências sucessivas de primos que não dividem (fatore ): a afirmação se propaga, de modo que toda raiz primitiva é raiz de : , irredutível. Consequentemente, , e é o corpo de decomposição do polinômio separável (todas as raízes são potências de ): é de Galois. Um automorfismo leva em outra raiz primitiva , e é um morfismo injetor em ; ambos os grupos têm ordem : é um isomorfismo. ∎
4.7 Régua e compasso
Definição 4.24
Identifique o plano com ; parta de . Um ponto é construtível se pode ser obtido por um número finito de interseções de retas que passam por dois pontos já construídos e de círculos centrados em um ponto construído com raio igual à distância entre dois pontos construídos.
Teorema 4.25 (Wantzel)
é construtível se, e somente se, existe uma torre com e . Em particular, um número construtível é algébrico de grau uma potência de sobre .
Demonstração. () As coordenadas da interseção de duas retas que passam por pontos de coordenadas em um subcorpo resolvem um sistema linear sobre : elas permanecem em . As interseções reta–círculo e círculo–círculo levam, depois de eliminada a parte linear (subtrair as duas equações dos círculos dá uma reta), a uma equação quadrática sobre : as novas coordenadas estão em ou em para algum , . Por indução, todo ponto construído tem coordenadas em uma torre de extensões quadráticas de ; e também está em uma torre quadrática (adjunte : mais uma etapa quadrática). A consequência sobre o grau: divide (lei da torre).
() Os números construtíveis formam um corpo: somas e diferenças por paralelogramos (as paralelas são construtíveis: baixe e levante perpendiculares duas vezes — a perpendicular clássica por um ponto usa um círculo e dois arcos); produtos e quocientes pelas configurações de Tales (dados os comprimentos , construa e com triângulos semelhantes sobre duas semirretas). E o corpo é fechado por raízes quadradas: para , o círculo de diâmetro e a perpendicular no ponto de junção encontram-se à altura (relação da média geométrica em um triângulo retângulo); para um complexo, construa e bissecte (a bissecção de ângulo é uma construção com compasso). As partes real e imaginária dos elementos de uma torre quadrática são, portanto, construtíveis, por indução sobre a torre: cada etapa adjunge raízes de uma quadrática, exprimíveis por operações de corpo e uma raiz quadrada de um número já construído (fórmula quadrática; em característica ). ∎
Corolário 4.26
Os três problemas clássicos são insolúveis com régua e compasso:
- Duplicação do cubo: tem grau , que não é potência de .
- Trissecção do ângulo: trissectar exige , raiz do irredutível : grau .
- Quadratura do círculo: é transcendente ( o é — teorema de Lindemann, admitido aqui: sua demonstração pertence a um curso de teoria da transcendência).
Além disso, o -ágono regular é construtível se, e somente se, é uma potência de (Gauss–Wantzel; a implicação “se” usa o método do problema de fim de semana, e a implicação “somente se” é o Teorema 4.25 aplicado a , de grau ). Para : , e o heptágono regular é impossível; para : , e ele é construtível — o problema de fim de semana o constrói.
Demonstração. (1) é irredutível (Eisenstein). (2) De com : para ; a cúbica não tem raiz racional (os candidatos falham) e, portanto, é irredutível: grau . Um ângulo genérico é construtível, de modo que um trissector construiria . (3) Se fosse construtível, seria algébrico e, com ele, . Quanto ao enunciado sobre o -ágono: o grau de é (Teorema 4.23); a necessidade decorre de Wantzel; quanto à suficiência, o grupo de Galois, abeliano de ordem , admite uma cadeia de subgrupos de índice (todo -grupo finito admite: Exercício 1.10), cujos corpos fixos formam uma torre quadrática que termina em (Teorema 4.21); conclua pelo Teorema 4.25. ∎
4.8 Solubilidade por radicais
Definição 4.27
Uma extensão (com característica em toda esta seção) é radical se existe uma torre com , : cada etapa adjunge uma raiz -ésima. Um polinômio é solúvel por radicais se seu corpo de decomposição está contido em alguma extensão radical de .
Lema 4.28
Seja contendo uma raiz -ésima primitiva da unidade , isto é, de ordem em , e seja . Então é de Galois com grupo cíclico. Reciprocamente — o que não será necessário adiante — toda extensão cíclica de grau é dessa forma. Além disso, é de Galois com grupo abeliano, para todo de característica .
Demonstração. é separável ( com : ) e se decompõe em , : suas raízes são os . Logo é de Galois; a aplicação é um morfismo injetor (, sendo o quociente um elemento de ) em um grupo cíclico: é cíclico. A recíproca é a teoria de Kummer, de que não precisaremos (veja a observação abaixo). Quanto a : ela decompõe o polinômio separável , e com mergulha o grupo no abeliano como no Teorema 4.23 (a injetividade só exige que gere as raízes da unidade envolvidas). ∎
Teorema 4.29 (Galois)
Sejam de característica e com corpo de decomposição . Se é solúvel por radicais, então é um grupo solúvel. (A recíproca também é verdadeira; não precisaremos dela.)
Demonstração. Etapa 1: ampliar a torre radical até uma torre de Galois. Seja com radical, de expoentes de raiz , e ponha . Primeiro adjunte : a torre ainda é radical ( é uma raiz da unidade: uma etapa radical, ), e suas etapas além da primeira ocorrem sobre corpos que contêm as raízes da unidade necessárias. Em seguida, substitua pelo composto de todos os , com percorrendo os (finitos) -mergulhos de em um fecho algébrico fixado: é o corpo de decomposição do produto dos polinômios minimais de um conjunto gerador (característica : finito e separável), de modo que é de Galois; e é radical sobre : cada é radical sobre (aplique a uma torre radical), e um composto de extensões radicais é radical (concatene as torres: se é radical com torre que adjunge , as etapas do tipo permanecem radicais sobre qualquer base maior).
Etapa 2: ler a solubilidade na torre de Galois. Suponha, pois, , com de Galois e radical, de torre , cada com . Sejam e : uma cadeia decrescente . Cada é de Galois com grupo cíclico (Lema 4.28), de modo que, pelo teorema fundamental aplicado à extensão de Galois (Teorema 4.21(3), com grupo ambiente ): com cíclico. Analogamente, é de Galois com grupo abeliano (Lema 4.28). A cadeia exibe como solúvel (Proposição 1.29). Por fim, é um quociente de : é de Galois ( é separável em característica ) e a restrição é sobrejetora (Teorema 4.21(3) com ); e quocientes de grupos solúveis são solúveis. ∎
Corolário 4.30 (Insolubilidade da quíntica)
Há polinômios de grau sobre que não são solúveis por radicais: por exemplo , cujo grupo de Galois é (Exercício 4.11), um grupo não solúvel (Corolário 1.34). Nenhuma fórmula geral por radicais pode existir para grau .
Observação 4.31
A recíproca do Teorema 4.29 — grupo de Galois solúvel implica solubilidade por radicais — demonstra-se descendo a série derivada e mostrando que toda extensão cíclica (com raízes da unidade suficientes) é radical, por meio dos resolventes de Lagrange; ela explica por que os graus têm fórmulas: são solúveis (Exemplo 1.30). Deixamo-la admitida neste nível; um tratamento completo pertence a um curso de mestrado, mas o Exercício 4.8 a torna concreta para o grau três.
4.9 Exercícios
Exercício 4.1 ★
Mostre que , que , e calcule o polinômio minimal de sobre .
Solução
Solução de Exercício 4.1.
: de (), elevar ao quadrado dá , logo ; torna racional, dá — ambos falsos (argumentos usuais de fatoração em primos). Logo e a lei das torres dá grau .
Seja . Então e : anula . Além disso , logo : , e então : , de grau . A quártica que o anula, tendo o grau do polinômio minimal, é o polinômio minimal: (em particular, ele é irredutível sobre ).
Exercício 4.2 ★
Seja . Mostre que não é normal (exiba um mergulho cuja imagem não é ), determine o corpo de decomposição de e , e verifique que : em extensões que não são de Galois, o grupo de automorfismos pode ser muito menor do que o grau.
Solução
Solução de Exercício 4.2.
As três raízes de em são com . A aplicação define um -mergulho (Teorema 4.4: ambos geram extensões de grau com o mesmo polinômio minimal), cuja imagem difere de : não é normal. O corpo de decomposição é , com ( satisfaz , irredutível sobre o corpo real ). Um automorfismo de deve levar a uma raiz de dentro de : só serve, de modo que , de ordem .
Exercício 4.3 ★
Construa como e encontre um gerador de . Liste os polinômios mônicos irredutíveis de graus sobre e verifique sobre .
Solução
Solução de Exercício 4.3.
não tem raiz em (), de modo que é um corpo com elementos; escreva , . O grupo é cíclico de ordem ; tem ordem , mas funciona: , : ordem .
Sobre — grau : , ; grau : (as outras três quadráticas têm raízes); grau : e (sem raízes em ; as outras seis cúbicas têm raízes). Verificação:
e sobre — exatamente os irredutíveis de grau divisor de , como o Exercício 4.6 prevê (o grau está ausente: ).
Exercício 4.4 ★★
(a) Encontre todas as raízes primitivas módulo e módulo (isto é, os geradores de , ). (b) Mostre que, para ímpar, é um quadrado se, e somente se, (critério de Euler), e recupere o critério para do Problema 2.1.
Solução
Solução de Exercício 4.4.
(a) Módulo : as potências de são : ordem , um gerador; as raízes primitivas são os com : e . Módulo : potências de : : um gerador; raízes primitivas , : .
(b) Escreva com um gerador (Teorema 4.12). Então é um quadrado se, e somente se, é par (os quadrados são os , e se, e somente se, , solúvel se, e somente se, é par, sendo par). E se, e somente se, se, e somente se, é par: as duas condições coincidem. Para : é um quadrado se, e somente se, é par, se, e somente se, — o Problema 2.1 de novo.
Exercício 4.5 ★★
Mostre que e dentro de um fecho algébrico fixado , e descreva para .
Solução
Solução de Exercício 4.5.
Dentro de , é o conjunto dos pontos fixos de . A interseção é fixada por e , logo por (: sobre um elemento fixo, age trivialmente — os expoentes podem ser tomados positivos por periodicidade); assim ela está contida em , que reciprocamente está contido em ambos (Teorema 4.11(3)). O composto : todo corpo que contém ambos tem grau divisível por e , logo por ; e contém ambos: é o composto. Para : consiste nas potências de que fixam , isto é, nas de : cíclico de ordem , gerado por (ordem como em Teorema 4.11(2)).
Exercício 4.6 ★★
Seja o número de polinômios mônicos irredutíveis de grau sobre . Demonstre
Deduza explicitamente, e para todo (de modo que as extensões existem como quocientes para todo ).
Solução
Solução de Exercício 4.6.
é separável (derivada ), com conjunto de raízes . Seja mônico irredutível de grau . Se : , de modo que tem uma raiz ; , e divide . Se : uma raiz gera , logo (Teorema 4.11(3)). Irredutíveis distintos são primos entre si e o produto é separável: cada aparece com expoente exatamente , e toda raiz de é raiz de seu polinômio minimal: a fatoração vale. Comparando graus: .
Consequentemente ; dá ; dá ; dá . Existência: para (e ): sempre.
Exercício 4.7 ★★
Determine e o reticulado completo dos corpos intermediários. Mesma pergunta para o corpo de decomposição de — o que você observa?
Solução
Solução de Exercício 4.7.
é o corpo de decomposição de , separável: galoisiano de grau (Exercício 4.1). Um automorfismo leva e : no máximo escolhas, e realiza todas: , com elementos . Subgrupos de ordem : , com corpos fixos , , (note que fixa ). O reticulado: embaixo, os três corpos quadráticos no meio, no topo — e nada mais (Teorema 4.21). Para : o corpo de decomposição é o mesmo (), de modo que a resposta é idêntica: a correspondência de Galois é um invariante da extensão, não do polinômio escolhido para apresentá-la.
Exercício 4.8 ★★
(A cúbica, resolvida por seu grupo) Seja irredutível de raízes e corpo de decomposição . Sejam e (admita essa identidade clássica ou verifique-a expandindo funções simétricas). (a) Mostre que ou , conforme seja ou não um quadrado em . (b) Com , defina os resolventes de Lagrange e . Mostre que e , e resolva para : as fórmulas de Cardano caem sozinhas. Onde foi usada a solubilidade de ?
Solução
Solução de Exercício 4.8.
(a) age fielmente e transitivamente (irredutibilidade) sobre as três raízes: com : ou . Todo permuta os , e ( é alternante nas raízes). Se é um quadrado em : (note : separável), de modo que para todo : , logo . Caso contrário: , de modo que algum tem : . (Em ambos os casos .)
(b) Com : . Também
usando e . Então
Assim são as raízes de (produto ): , e com : Cardano. A solubilidade de é o esqueleto: a torre adjunge primeiro uma raiz quadrada (, corpo fixo de : o passo ), depois uma raiz cúbica (, pois : o passo ) — a série derivada tornada concreta.
Exercício 4.9 ★★
Em : mostre que o único subcorpo quadrático é , por meio das somas de Gauss , : calcule e , e deduza . Conclua que o pentágono regular é construtível.
Solução
Solução de Exercício 4.9.
(a soma de todas as raízes -ésimas da unidade é ). (índices módulo ). Logo são as raízes de : . Como : , donde , e . O grupo é cíclico de ordem : ele tem um único subgrupo de ordem (, isto é, ), de modo que tem um único subcorpo quadrático (Teorema 4.21), que contém : é . Construtibilidade: está na torre quadrática , e um passo quadrático acima: o Teorema 4.25 constrói o pentágono.
Exercício 4.10 ★★★
Sejam (funções racionais em duas indeterminadas) e . (a) Mostre que e que para todo . (b) Deduza que não é simples: não existe elemento primitivo — a inseparabilidade é fatal para o Teorema 4.17.
Solução
Solução de Exercício 4.10.
(a) Escreva , (elementos de um fecho algébrico escolhido, com , ). é irredutível sobre as frações de : Eisenstein no elemento primo do DFU (Teorema 2.25). Logo ; do mesmo modo, é de Eisenstein em sobre as frações de — permanece primo em —, dando e . Para : , de modo que (), e pelo morfismo de Frobenius .
(b) Se , então ; mas significa que anula , de modo que : contradição. Nenhum elemento primitivo: o Teorema 4.17 realmente precisa da separabilidade (aqui todo divide algum : puramente inseparável).
Exercício 4.11 ★★★
Sejam e seu grupo de Galois sobre , agindo sobre as raízes. (a) Mostre que é irredutível e deduza ; conclua que contém um -ciclo (Cauchy, Teorema 1.13). (b) Mostre, estudando as variações de , que tem exatamente raízes reais; deduza que a conjugação complexa se restringe a uma transposição em . (c) Mostre que um subgrupo de que contém uma transposição e um -ciclo é (conjugue a transposição por potências do ciclo). Conclua e, com o Teorema 4.29, que não é solúvel por radicais.
Solução
Solução de Exercício 4.11.
(a) Eisenstein em (; ): irredutível. Se é uma raiz, divide ( o corpo de decomposição): Cauchy (Teorema 1.13) dá um elemento de ordem em ; em , só os -ciclos têm ordem (as ordens são mmc dos comprimentos dos ciclos).
(b) se anula em : um máximo local e depois um mínimo local. Valores: , , , : três mudanças de sinal, e no máximo três raízes reais (dois pontos críticos): exatamente raízes reais, logo um par de raízes complexas conjugadas. Tome o corpo de decomposição dentro de : a conjugação complexa leva nele mesmo (ela permuta as raízes, que geram ) e fixa , de modo que define um elemento de ; ela fixa as três raízes reais e troca as outras duas: uma transposição.
(c) Sejam e um -ciclo em . Alguma potência leva em (), e é ainda um -ciclo: renomeando, suponha e . Conjugando, : as transposições adjacentes estão todas em ; as transposições adjacentes geram (toda transposição é um produto de adjacentes, e as transposições geram). Logo , não solúvel (Corolário 1.34), e o Teorema 4.29 conclui: não é solúvel por radicais.
Exercício 4.12 ★★★
(A quártica diedral) Sejam e , o corpo de decomposição de sobre . (a) Mostre que e que é gerado por e pela conjugação complexa , com e : . (b) Liste o reticulado de subgrupos de (dez subgrupos) e associe cada um ao seu corpo fixo; verifique em particular que , , são os três subcorpos quadráticos, e localize , , . (c) Quais corpos intermediários são de Galois sobre ? Confronte sua resposta com os subgrupos normais de e explique por que falha enquanto funciona.
Solução
Solução de Exercício 4.12.
(a) é irredutível (Eisenstein em ): ; , de modo que e . A extensão é galoisiana (corpo de decomposição de um polinômio separável: as raízes são ), logo . Um automorfismo leva a uma das quatro raízes e a : no máximo aplicações, todas realizadas. O indicado (de ordem : , ) e (de ordem ) satisfazem
mais precisamente: . Logo : a apresentação de .
(b) Os dez subgrupos de : ; cinco de ordem : , , , , ; três de ordem : , , ; e . Corpos fixos (grau = índice): ; os subgrupos de ordem os cinco corpos quárticos
Verificações: fixa o real ; leva e , fixando ; e como , :
cada reflexão fixa seu gerador, e o corpo fixo, de grau índice, é exatamente o corpo que ele gera (o gerador é raiz de , irredutível). Os subgrupos de ordem os três corpos quadráticos: ( fixa ); (todos os quatro fixam a menos de verificações de sinal: , ); ().
(c) Galoisiano sobre subgrupos normais de : , (o centro), os três subgrupos de ordem e — de modo que os corpos intermediários galoisianos são , , os três corpos quadráticos e . Os cinco corpos quárticos fixados por reflexões não normais não são galoisianos: contém uma raiz de , mas não (ele é real) — a conjugação por move para , exatamente como move para : a não normalidade do subgrupo é a existência de um corpo conjugado.
4.10 Problema: Gauss e o 17-ágono regular
Problema 4.1
Problema de fim de semana — construtibilidade do 17-ágono
Em 30 de março de 1796, Gauss, aos dezenove anos, mostrou que o -ágono regular é construtível — o primeiro avanço sobre a questão desde a Antiguidade. Reconstruímos seu cálculo com as ferramentas deste capítulo. Ponha , , .
Parte I — O grupo e sua filtração.
- Justifique: , , cíclico de ordem . Verifique que é gerador de (calcule as potências de módulo : ).
- Sejam com , e para . Mostre que com cada índice , e que os corpos fixos formam uma torre de extensões quadráticas.
- Conclua a priori, usando o Teorema 4.25, que — e portanto o -ágono — é construtível. O restante do problema torna a torre explícita.
Parte II — Os períodos de comprimento 8. Defina os períodos de Gauss
- Mostre que são fixados por e trocados por ; deduza e que eles são as duas raízes de uma quadrática sobre .
- Calcule . Mostre que (cada produto é algum , ; conte quantas vezes cada ocorre, ou argumente que o produto é um inteiro racional fixado por , igual à soma sobre todos os produtos, e use que cada resto não nulo aparece o mesmo número de vezes).
- Deduza , (identifique numericamente qual é qual: ) e .
Parte III — Períodos de comprimento 4 e 2. Defina
- Mostre que , , e que são fixados por e trocados por .
- Calcule e (expanda: os dezesseis expoentes obtidos cobrem exatamente uma vez).
- Deduza (confira o sinal numericamente: ) e a fórmula análoga para ; logo , quadrática sobre .
- Sejam e . Mostre que e , de modo que .
- Monte a cadeia de fórmulas que exprime por radicais quadráticos encaixados e dê uma verificação decimal ().
Parte IV — Epílogo.
- Onde exatamente o argumento usou que é um primo de Fermat ()? Mostre que, para um primo , o -ágono regular é construtível se, e somente se, para algum (se , mostre que tem de ser ele próprio uma potência de ).
- Deduza a lista completa dos -ágonos regulares construtíveis para , usando o critério de Gauss–Wantzel do Corolário 4.26.
Parte V — Somas de Gauss e reciprocidade quadrática. Os períodos da Parte II escondem um tesouro. Para um primo ímpar , o símbolo de Legendre vale se é um quadrado não nulo módulo , se não é, e se ; o Exercício 4.4(b) (critério de Euler) dá , donde a multiplicatividade. Escreva , , e defina a soma de Gauss
- Mostre que (há tantos quadrados quanto não quadrados) e demonstre a forma alternativa (cada quadrado não nulo é atingido duas vezes, e ). Para : relacione com os períodos da Parte II — mostre que (os quadrados módulo são exatamente as potências pares do gerador ).
Demonstre que : expanda
(ponha ), substitua para avaliar a soma interna como para e nos demais casos, e conclua com a questão 14. Confira numericamente: para , (Parte II).
- Deduza e conclua que o único subcorpo quadrático de é — único porque é cíclico (Teorema 4.23) e um grupo cíclico tem exatamente um subgrupo de índice . (Todo corpo quadrático mergulha em algum corpo ciclotômico — este é o primeiro caso do teorema de Kronecker–Weber, cuja forma geral está muito à frente.)
Seja agora outro primo ímpar. Trabalhando no anel módulo , demonstre
(sonho do calouro: módulo em qualquer anel comutativo; depois , reindexe e ponha em evidência).
Por outro lado, ; usando o critério de Euler módulo , deduza e, então — multiplicando as duas expressões de por e usando , inversível módulo —, conclua
(Por que uma congruência entre os inteiros módulo implica sua igualdade? Intersecte com .)
Desenvolva e para obter a lei da reciprocidade quadrática:
Verifique-a em , listando os quadrados módulo e módulo , e use-a para decidir em três linhas se tem solução ( é primo, ).
Parte VI — Contando polinômios irredutíveis: o teorema dos números primos de . Fixe uma potência de primo e seja o número de polinômios mônicos irredutíveis de grau sobre ; recorde do Exercício 4.6 a fatoração de e a identidade , que agora invertemos, reinterpretamos e exploramos.
- (Palavras) Diga que uma palavra é primitiva se não é uma potência de uma palavra estritamente mais curta, e seja o número de palavras primitivas de comprimento . Mostre que toda palavra de comprimento é, de maneira única, uma potência de uma palavra primitiva de algum comprimento , de modo que ; comparando com o Exercício 4.6, conclua para todo e explique essa coincidência por uma bijeção explícita: um elemento de grau tem órbita de Frobenius com exatamente elementos distintos, e os elementos de grau correspondem a um aos irredutíveis de grau .
Demonstre a fórmula de inversão de Möbius: se para todo , então , onde é a função de Möbius ( se é livre de quadrados, caso contrário) (lema-chave: para — emparelhe os divisores com e sem um fator primo fixado). Deduza
- Mostre que para todo : uma nova demonstração de que existe para todo . Interprete o termo dominante: um polinômio mônico aleatório de grau é irredutível com probabilidade — o análogo perfeito do teorema dos números primos, com trocado por ; verifique numericamente para , (o Exercício 4.6 dá as contagens).
Demonstre a companheira multiplicativa da questão 21:
(inversão de Möbius no grupo abeliano das funções racionais não nulas); verifique-a à mão para , : .
Parte VII — Duas codas.
(O segundo complemento) O método da Parte V também calcula . Sejam e . Mostre que (); depois, para um primo ímpar , demonstre em módulo que
e que o lado direito é igual a se e a se . Comparando com como na questão 18, conclua
verificando que é par exatamente quando . Confira: é quadrado módulo e módulo ( e ), e não é módulo nem módulo .
(A função zeta de ) Demonstre a identidade de séries formais de potências em :
(fatoração única em mônicos irredutíveis: expanda cada fator como série geométrica e conte os polinômios mônicos de grau ). Recupere a identidade do Exercício 4.6 tomando logaritmos. Confira à mão o coeficiente de para , e use a fórmula da questão 21 para calcular , verificando .
Solução
Solução de Problema 4.1.
1. é irredutível (Teorema 4.23, ou o Exemplo 2.26 para índice primo): e , cíclico de ordem (Teorema 4.12). Potências de módulo :
— dezesseis valores distintos: gera.
2. cíclico de ordem ; tem ordem , e . Pelo teorema fundamental (Teorema 4.21), satisfazem : cada .
3. está no topo de uma torre de extensões quadráticas de : pelo Teorema 4.25, é construtível; o -ágono tem vértices .
4. multiplica os expoentes por ; os expoentes de são as potências pares de ,
um conjunto estável pela multiplicação por ; assim (e, do mesmo modo, ) é fixado por : , um corpo quadrático. leva potências pares em ímpares: ele troca . Logo e são fixados por todo : racionais; são as raízes de uma quadrática racional.
5. . O produto se expande em termos , com no conjunto par e no conjunto ímpar. Nenhum termo é : é impossível, pois é uma potência par, de modo que permanece no conjunto par. Assim com ; aplicar fixa (ele troca os fatores) e permuta os transitivamente sobre todos os , de modo que todos os são iguais: e .
6. resolvem : . Numericamente, agrupando expoentes conjugados, : , , e .
7. Os conjuntos de expoentes: : = potências ; : = desse conjunto. União: o conjunto par: ; do mesmo modo, . A multiplicação por estabiliza o conjunto de expoentes de cada : fixado por ; e () leva em : troca .
8. Expandindo , as dezesseis somas de expoentes
cobrem exatamente uma vez: . Aplicando (que leva , : expoentes ): .
9. resolvem , de modo que (numericamente , o sinal ). Do mesmo modo, (a verificação numérica fixa o sinal de novo). , quadrático sobre .
10. . E
Logo resolvem ; numericamente : .
11. Encadeando:
Numericamente: , , , , , e — contra : a pequena discrepância é arredondamento nas fórmulas intermediárias; carregar mais dígitos reproduz .
12. A construção exigiu que fosse uma potência de , para que exista uma cadeia completa de subgrupos de índice . Se é primo e com ímpar : em mostra que divide propriamente — impossível. Logo é uma potência de : , um primo de Fermat (, …). Reciprocamente, para tais , e o argumento das questões 1–3 (ou o Corolário 4.26) se aplica: o -ágono regular é construtível se, e somente se, é um primo de Fermat.
13. é uma potência de exatamente quando com primos de Fermat distintos (multiplicatividade de ; uma potência de primo ímpar , , contribui com o fator ). Para , os -ágonos regulares construtíveis são
com os valores respectivos
Os impossíveis são , para os quais tem um fator primo ímpar.
14. Os quadrados formam a imagem do morfismo de elevação ao quadrado no cíclico , de índice : quadrados, não quadrados, de modo que os símbolos somam . Então
usando e . Para : os quadrados módulo são as potências pares do gerador , isto é, os expoentes que aparecem em (Parte II), de modo que .
15. Com ( percorrem os resíduos não nulos, todos os resíduos):
Para : , somado sobre valores. Para : substitua , isto é, ; quando percorre os resíduos não nulos, percorre bijetivamente os resíduos (inverta: ). O somando se torna , e
(a soma completa se anula pela questão 14). Logo
usando e o critério de Euler . Para : , de acordo com a Parte II.
16. exibe , de modo que é um subcorpo quadrático. Unicidade: os subcorpos de grau correspondem, pela correspondência de Galois, aos subgrupos de índice do cíclico , e um grupo cíclico de ordem par tem exatamente um tal subgrupo (os quadrados). Todo corpo quadrático é com livre de quadrados, e combinar os corpos , e dentro de um mesmo alcança todo : o caso quadrático de Kronecker–Weber.
17. Em qualquer anel comutativo, : os coeficientes binomiais , , são divisíveis pelo primo . Iterando sobre os termos de :
( ímpar: o símbolo não muda). Reindexe : e (multiplicatividade; , pois o símbolo de um inverso é igual ao símbolo): .
18. exatamente (questão 15), e o critério de Euler em dá , logo módulo : . Comparando com a questão 17 e multiplicando por :
Ambos os lados são inteiros racionais; sua diferença, ou , está em (um inteiro tem , esta última porque é uma -base com coordenadas racionais das quais se lê a integralidade). Como ( ímpar, ), a diferença é : .
19. Por multiplicatividade, , de modo que a questão 18 se lê : a reciprocidade. Verificação : o expoente é par, de modo que os dois símbolos devem coincidir; os quadrados módulo são e : ; os quadrados módulo são e está ausente: . Produto , como previsto. Para : . Primeiro: e : a reciprocidade dá . Segundo: : (), e torna um quadrado módulo (lei complementar, demonstrável por em pelo mesmo método): . Total : a congruência é solúvel.
20. Existência e unicidade da raiz primitiva: se tem conjunto de períodos , o menor tal divide todo outro período (se é ao mesmo tempo uma -potência e uma -potência, é uma -potência: compare letras em índices congruentes módulo o mdc, via Bézout), e o bloco de comprimento é primitivo. Ordenando as palavras pelo comprimento de sua raiz primitiva: . Como e satisfazem a mesma recorrência com os mesmos valores para (cada uma determina a outra indutivamente a partir de ), elas são iguais: . Bijeção: um elemento de grau fornece a palavra dos coeficientes de… melhor, diretamente: os elementos de grau em são as raízes dos irredutíveis de grau , cada um contribuindo com suas raízes distintas (separabilidade): elementos de grau , coincidindo com a contagem — o mesmo crivo, uma vez sobre palavras, outra sobre elementos do corpo.
21. Lema: . Para , fixe um primo : os divisores livres de quadrados de se emparelham como com , e : a soma se cancela. Então, para :
Com e (Exercício 4.6): .
22. O termo é ; todo outro termo tem , e grosseiramente (geométrica, ). Logo para : existem irredutíveis de todo grau, e é (re)construído — existência com um recenseamento. A proporção de irredutíveis entre os polinômios mônicos de grau é : o teorema dos números primos de , com no papel de . Para , as contagens do Exercício 4.6 batem com a fórmula: por exemplo, .
23. No grupo abeliano multiplicativo das funções racionais não nulas sobre , ponha e ; o Exercício 4.6 diz que . O argumento de Möbius da questão 21, escrito multiplicativamente (os expoentes se somam exatamente como as somas faziam), dá . Para , : , a única quadrática irredutível sobre , como deve ser.
24. e , de modo que . Sonho do calouro no anel comutativo : . O valor de depende apenas de : para , ; para , usando , e , de modo que . Por outro lado, pelo critério de Euler módulo . Comparando e multiplicando por : ; se os sinais discordassem, dividiria em , logo em (: coordenadas na base ), impossível para ímpar. Logo se, e somente se, . Verificação de paridade: dá , par; dá , ímpar: a fórmula codifica a separação em casos. Numericamente: (), (); os quadrados módulo são e módulo são , e nenhum contém (, ).
25. Todo mônico se fatora unicamente como sobre os mônicos irredutíveis: ordenando por grau,
todos os produtos legítimos t-adicamente (apenas os graus afetam o coeficiente de , e há finitos irredutíveis de cada grau). O lado esquerdo é : a identidade. Logaritmos: , ao passo que ; o coeficiente de dá , isto é, . Verificação à mão, , coeficiente de : , , e tem coeficiente de igual a . Finalmente, a fórmula da questão 21 com os divisores :
e, de fato, .