1 生成される体と代数性
生成される体は、指定した元を含む中間体のうち最小のものとして定義する。
定義 1.1. 体の包含K⊆Lと部分集合S⊆Lに対し、KとSを含むLの部分体すべての共通部分をK(S)と書く。有限個の元α1,…,αn∈Lが存在して
L=K(α1,…,αn)となるとき、L/Kを 有限生成拡大 (finitely generated extension) と呼ぶ。特に、あるα∈Lに対してL=K(α)となる拡大を 単拡大 (simple extension) と呼ぶ。
多項式関係の有無によって、拡大体の元を代数的な元と超越的な元に分ける。
定義 1.2. 体の包含K⊆Lと元α∈Lを考える。0でない多項式f∈K[x]が存在してf(α)=0となるとき、αはK上 代数的 (algebraic) であるという。そのような多項式が存在しないとき、αはK上 超越的 (transcendental) であるという。
Lのすべての元がK上代数的であるとき、L/Kを 代数拡大 (algebraic extension) と呼ぶ。
例えば、2はQ上代数的であり、x2−2を満たす。一方、超越的であるという条件は、基礎体係数のどの非零多項式も満たさないという全称条件である。
有限生成性は体の塔に沿って合成することができる。
命題 1.3. 体の包含K⊆E⊆Lを考える。E/KとL/Eが有限生成拡大ならば、L/Kも有限生成拡大である。
証明.E=K(α1,…,αm)およびL=E(β1,…,βn)と書く。このとき
L=K(α1,…,αm,β1,…,βn)であるから、L/Kは有限生成拡大である。▨
2 最小多項式
代数的な元を消す多項式全体は、多項式環の一つの非零イデアルをなす。
定理 2.1. 体の包含K⊆Lと、K上代数的な元α∈Lを考える。このとき、次の条件を満たす多項式mα,K∈K[x]が一意に存在する。
- mα,Kはモニックかつ既約である。
- mα,K(α)=0である。
- 任意のf∈K[x]に対して、f(α)=0であることとmα,K∣fであることは同値である。
証明. 写像
evα:K[x]⟶L,f⟼f(α)は加法と乗法を保ち、Kの各元をそのままLへ送るのでK-代数準同型である。その核をIとおく。evα(1)=1であるからIは真のイデアルであり、元αはK上代数的であるからIは零イデアルではない。§E6.28 命題 3.1によりK[x]は単項イデアル整域であるから、あるモニック多項式m∈K[x]が一意に存在してI=(m)となる。この等式から、任意のf∈K[x]について
f(α)=0⟺f∈I⟺m∣fが成り立つ。
多項式mがm=ghと分解し、g,hがともに正の次数をもつと仮定する。体Lには零因子がないため、
0=m(α)=g(α)h(α)からg(α)=0またはh(α)=0が従う。したがってm∣gまたはm∣hとなるが、degg,degh<degmであることに矛盾する。ゆえにmは既約である。mα,K=mとおけば、三条件がすべて成り立つ。
同じ三条件を満たすモニック多項式m′が存在すると仮定する。第三条件からm∣m′かつm′∣mであり、両者はモニックであるからm=m′である。したがって三条件を満たす多項式は一意である。▨
定義 2.2. 体の包含K⊆Lと、K上代数的な元α∈Lを考える。定理 2.1によって一意に定まる多項式mα,Kを、αのK上の 最小多項式 (minimal polynomial) と呼ぶ。
基礎体を変えると最小多項式も変わる。例えば、2のQ上の最小多項式はx2−2であるが、R上の最小多項式はx−2である。
3 単拡大の商表示
最小多項式は、代数的な元を一つ添加した体の加法と乗法を完全に決定する。
定理 3.1. 体の包含K⊆Lと、K上代数的な元α∈Lを考える。m=mα,Kおよびn=degmとおく。このとき評価準同型が誘導するK-代数同型
K[x]/(m) ∼ K(α),f+(m)⟼f(α)が存在する。さらに、1,α,…,αn−1はK(α)のK上の基底であり、
[K(α):K]=nである。
証明.定理 2.1より、評価準同型evα:K[x]→Lの核は(m)である。第一同型定理§E6.3 定理 6.2により、評価準同型はK-代数同型
K[x]/(m) ∼ K[α]を誘導する。多項式mはK[x]で既約であるから、§E6.28 定理 6.1によりK[x]/(m)は体である。したがって、その像K[α]も体であり、Kとαを含む最小の体K(α)に一致する。
§E6.28 定理 2.1により、K[x]/(m)の各元は次数がn未満の多項式によって一意に表される。したがって、1,x,…,xn−1の剰余類がK[x]/(m)のK上の基底である。同型によって剰余類を移せば、1,α,…,αn−1がK(α)のK上の基底になる。ゆえに[K(α):K]=nである。▨
二つの平方根を添加する拡大も、一つの元で生成される場合がある。
例 3.2 (2+3が生成する体).α=2+3とおく。α(3−2)=1であるから
3=2α+α−1,2=2α−α−1である。したがって
Q(α)=Q(2,3)が成り立つ。さらに
α2=5+26,(α2−5)2=24であるから、αは
x4−10x2+1を満たす。§E8.1 例 2.2により[Q(2,3):Q]=4であるから、定理 3.1によりαの最小多項式の次数も4である。したがってx4−10x2+1がαのQ上の最小多項式である。
4 有限次拡大と代数拡大
有限次元の線形空間では、任意の元の冪列が一次従属になる。
命題 4.1. 体の包含K⊆Lに対して[L:K]が有限であると仮定する。このときL/Kは代数拡大である。
証明.d=[L:K]とし、任意のγ∈Lを取る。d+1個の元
1,γ,γ2,…,γdはd次元のK-線形空間Lに属するから、K上一次従属である。したがって、すべてが零ではないa0,…,ad∈Kが存在して
a0+a1γ+⋯+adγd=0となる。非零多項式a0+a1x+⋯+adxd∈K[x]がγを根にもつため、γはK上代数的である。γは任意であったから、L/Kは代数拡大である。▨
有限個の代数的な元を順に添加すると、各段の次数が有限になる。
定理 4.2. 体の包含K⊆Lを考える。あるK上代数的な元α1,…,αn∈Lが存在して
L=K(α1,…,αn)となるならば、[L:K]は有限である。
証明.K0=Kおよび
Ki=K(α1,…,αi)(1≤i≤n)とおく。各αiはK上代数的であるから、K⊆Ki−1によりKi−1上でも代数的である。定理 3.1により、各次数[Ki:Ki−1]は有限である。塔の公式§E8.1 定理 2.1を繰り返し適用すると
[L:K]=[Kn:K0]=i=1∏n[Ki:Ki−1]となる。右辺は有限個の正の整数の積であるから、[L:K]は有限である。▨
5 代数性の推移性
中間拡大が無限次であっても、ある一つの代数関係に現れる係数は有限個だけである。その有限個の係数が生成する有限次拡大へ問題を制限する。
定理 5.1. 体の包含K⊆E⊆Lを考える。E/KとL/Eが代数拡大ならば、L/Kも代数拡大である。
証明. 任意のα∈Lを取る。αはE上代数的であるから、0でない多項式
a0+a1x+⋯+arxr∈E[x]が存在して
a0+a1α+⋯+arαr=0となる。各係数aiはK上代数的である。したがって
E0=K(a0,…,ar)は定理 4.2によりK上有限次である。元αは係数がE0に属する多項式a0+a1x+⋯+arxrを満たすからE0上代数的であり、定理 3.1によりE0(α)/E0は有限次である。塔の公式§E8.1 定理 2.1からE0(α)/Kは有限次である。命題 4.1によりαはK上代数的である。
α∈Lは任意であったから、L/Kは代数拡大である。▨
代数性の推移性を用いると、拡大体の中にある代数的な元を一つの中間体としてまとめることができる。
証明. 任意のa∈Kはx−a∈K[x]の根であるから、K⊆Lalg/Kである。
α,β∈Lalg/Kを取る。定理 4.2によりK(α,β)/Kは有限次であり、命題 4.1によりK(α,β)/Kは代数拡大である。したがって
α−β,αβ,α/β(β=0)はすべてK上代数的である。ゆえにLalg/Kは減法、乗法および非零元の逆元について閉じている。Lalg/KはKを含むLの部分体である。▨
6 演習
問題 6.1 (有限生成拡大の次数). 体の包含K⊆E⊆Lと元β∈E、α∈Lを考える。βのK上の最小多項式の次数がmであり、αのK(β)上の最小多項式の次数がnであると仮定する。[K(α,β):K]=mnを証明し、αがK上代数的であることを示せ。
解答.
定理 3.1により
[K(β):K]=m,[K(β)(α):K(β)]=nである。K(β)(α)=K(α,β)であるから、塔の公式§E8.1 定理 2.1により
[K(α,β):K]=[K(α,β):K(β)][K(β):K]=nmとなる。したがってK(α,β)/Kは有限次拡大である。元αはこの有限次拡大の元であるから、命題 4.1によりK上代数的である。▨