1 単拡大と中間体の個数
無限体の場合に用いる線形空間の事実を先に証明する。
補題 1.1.Kを無限体とし、Vを非零有限次元K-線形空間とする。有限個の真の線形部分空間W1,…,Wr⊊Vに対して
V=W1∪⋯∪Wrである。
証明. 各iについて、Wiを含む余次元一の部分空間を取り、その核がこの部分空間になる非零線形汎関数ℓi:V→Kを選ぶ。基底を固定してV≅Knと同一視すると、積
P(v)=i=1∏rℓi(v)は零でない多項式である。無限体上の零でない多変数多項式はKnのすべての点では消えない。この事実は、変数の個数について帰納し、最後の変数に関する一変数多項式が有限個の根しかもたないことから従う。したがってP(v)=0となるv∈Vが存在する。このvはどのkerℓiにも属さないため、どのWiにも属さない。▨
証明. まずL=K(α)と仮定する。中間体Mに対し、αのM上のモニック最小多項式をmα,M∈M[x]⊆L[x]とする。この多項式はmα,KをL[x]で割り切る。
M0をmα,Mのすべての係数によってK上生成される部分体とする。M0⊆Mであり、mα,M∈M0[x]なので
[L:M0]=[M0(α):M0]≤degmα,M=[L:M].一方、塔の公式§E8.1 定理 2.1により
[L:M0]=[L:M][M:M0]である。したがって[M:M0]=1、すなわちM=M0である。ゆえにMはmα,Mの係数から回収され、写像M↦mα,Mは単射である。mα,KがL[x]でもつモニック因子は有限個なので、中間体も有限個である。
逆に中間体全体が有限個であると仮定する。L=KならL=K(0)であるから、以下ではL=Kとする。L自身を除く真の中間体をM1,…,Mrとする。Kはその一つなのでr≥1である。Kが有限体なら、L/Kは有限拡大であるから§E8.7 系 2.3によりL=K(θ)となるθ∈Lが存在する。
Kが無限体であるとする。L=K(α)となるαが存在しないと仮定すると、各α∈Lに対してK(α)はLの真の中間体であり、したがっていずれかのMiに等しい。各αはK(α)に属するから
L=M1∪⋯∪Mrとなる。各MiはLの真のK-線形部分空間であるが、無限体上の有限次元線形空間は有限個の真の線形部分空間の和集合にはならない。補題 1.1に反するため、L=K(α)となるαが存在する。▨
2 有限次分離拡大の中間体
有限次分離拡大の中間体は、代数閉包へ基底変換すると座標の等しい成分をまとめる分割として記録される。この記録が有限通りであることを示す。
証明.n=[L:K]とし、Kの代数閉包Ωを一つ固定する。§E8.8 定理 3.3の証明で構成したΩ-代数同型
ΦL:L⊗KΩ ∼ Ωn,a⊗c⟼(cσ(a))σ∈HomK(L,Ω)を用いる。ここで、分離性によりK-埋め込みの個数はnである。
まず、Ωnの単位的Ω-部分代数は座標集合{1,…,n}の分割と一対一に対応することを示す。単位的Ω-部分代数A⊆Ωnに対し、
i∼Aj⟺ai=aj がすべての a=(a1,…,an)∈A について成り立つと定める。この同値関係の同値類ごとに座標が等しい元全体の代数をBAと書くと、定義からA⊆BAである。
Cを一つの同値類とし、i∈Cを取る。各j∈/Cについてi∼Ajであるから、a(j)∈Aでai(j)=aj(j)を満たすものがある。
pj=ai(j)−aj(j)a(j)−aj(j)1∈Aとおく。pjの第i座標は1、第j座標は0である。さらにk∈Cなら、Aのすべての元の第k座標と第i座標は等しいので、pjの第k座標も1である。したがって
eC=j∈/C∏pj∈Aは、C上で1、その補集合上で0となる座標指示関数である。各同値類Cの指示関数eCがAに属するから、これらのΩ-線形結合であるBAのすべての元がAに属する。よってA=BAである。逆に、任意の座標分割の各部分上で定数となる元全体は単位的Ω-部分代数であり、その上の関係∼Aは元の分割を回復する。したがって、座標分割と単位的Ω-部分代数の対応は一対一である。
中間体Mを一つ取る。M/Kは有限次元である。MのK-基底m1,…,mdをLのK-基底m1,…,md,ℓ1,…,ℓsへ延長する。このときm1⊗1,…,md⊗1はM⊗KΩのΩ-基底であり、その像はL⊗KΩの基底の一部である。したがって自然な写像
M⊗KΩ⟶L⊗KΩは単射である。その像をΦLで送ったものをAMと書けば、AMはΩnの単位的Ω-部分代数である。
この部分代数からMを回復することもできる。実際、上で選んだLの基底に関して
M={x∈L∣x⊗1 が M⊗KΩ の像に属する}である。右辺の包含M⊆⋯は明らかである。逆にx∈Lを上の基底で表すと、x⊗1がm1⊗1,…,md⊗1のΩ-線形結合に属するためには、ℓ1⊗1,…,ℓs⊗1の係数がすべてΩで零でなければならない。これらの係数はKの元であり、K→Ωは単射であるから、それぞれKでも零である。したがってx∈Mである。
したがってAM=ANなら、ΦLの単射性と上の復元式からM=Nである。中間体から得られるAMは{1,…,n}の座標分割と一対一に対応し、この集合の分割は有限個しかない。よって中間体も有限個しかない。▨
3 有限次分離拡大の原始元
定理 3.1 (原始元定理).L/Kが有限次分離拡大なら、あるγ∈Lが存在して
L=K(γ)となる。このようなγをL/Kの原始元という。
証明.Kが有限体である場合、§E8.7 系 2.3により、あるγ∈Lが存在してL=K(γ)となる。Kが無限体である場合、定理 2.1により中間体は有限個しかない。次に定理 1.2を適用すると、あるγ∈Lが存在してL=K(γ)となる。▨
例 3.2 (Q(2,3)の原始元).γ=2+3とおく。(3−2)γ=1なので
2=21(γ−γ1),3=21(γ+γ1)である。したがってQ(2,3)=Q(γ)となる。この例では、原始元定理の証明で除外する有限個の条件を調べず、直接の計算によって原始元を一つ与えている。
4 超越的な単拡大との相違
有限代数拡大という仮定を外すと、単拡大であっても中間体は有限個とは限らない。
例 4.1 (単純超越拡大の無限個の中間体).tをK上超越的とする。各n≥2について
K⊊K(tn)⊊K(t)である。実際、u=tnとおく。関係tn=uにより、K(u)[t]はK(u)上1,t,…,tn−1で生成される。この環は体K(t)の部分環なので整域であり、K(u)上有限次元の整域は体である。実際、非零元による乗法は有限次元線形空間の単射線形写像なので全射であり、その非零元は逆元をもつ。したがってK(u)[t]=K(t)である。
1,t,…,tn−1がK(u)上一次従属であると仮定する。係数の分母を払うと、すべてが零ではないh0,…,hn−1∈K[u]によって
r=0∑n−1hr(u)tr=0とできる。hr(u)=∑jarjujと書きu=tnを代入すると、左辺は∑r,jarjtnj+rとなる。指数nj+rのnを法とする剩余はrなので、異なる組(r,j)から得られる指数は異なる。tはK上超越的なのですべてのarjが零となり、仮定に反する。ゆえに1,t,…,tn−1はK(t)のK(tn)-基底であり、
[K(t):K(tn)]=nである。またtnはK上超越的である。したがって上記の二つの包含は真である。次数が異なるため、K(tn)はnごとに相異なる。ゆえに単純超越拡大K(t)/Kは無限個の中間体をもつ。
5 演習
問題 5.1.
- L=K(α)の中間体Mがmα,Mの係数から回収されることを、次数の二つの評価を明記して証明せよ。
- A⊆Ωnを単位的Ω-部分代数とする。本文の同値関係∼Aの各同値類の指示関数がAに属することを証明し、Aを対応する座標分割から回復せよ。
- K⊆M⊆LでL/Kが有限次分離拡大であるとする。Mの基底をLの基底へ延長し、M⊗KΩ→L⊗KΩが単射であることと、その像からMを回復する式を証明せよ。
- K(t2)、K(t3)およびK(t6)の包含関係を求め、それぞれの有限拡大次数を計算せよ。
6 扱った範囲と次の記事
本記事では、有限代数拡大が単拡大であることを中間体の有限性によって特徴づけ、有限次分離拡大の中間体が有限個であることを代数閉包への基底変換から証明した。この二つの結果から、有限次分離拡大が原始元をもつことを導いた。次の記事では、原始元の最小多項式の根と自己同型を用いて、有限 Galois 拡大を複数の同値な条件で特徴づける。