14.5 分圆扩张与 Q 上的阿贝尔扩张

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分圆扩张与 Q 上的阿贝尔扩张

我们已经确定,Q(ζn)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) 的单位根 nth {n}^{\text{th }} 的循环域是 Q\mathbb{Q} 的伽罗瓦扩张,其次数为 φ(n)\varphi \left( n\right),其中 φ\varphi 表示欧拉函数。这个域的任何自同构都由其作用于本原 nth {n}^{\text{th }} 单位根 ζn{\zeta }_{n} 的作用唯一确定。这个元素必须映射到另一个本原 nth {n}^{\text{th }} 单位根(回忆这些是不可约循环多项式的根 Φn(x){\Phi }_{n}\left( x\right))。因此 σ(ζn)=ζna\sigma \left( {\zeta }_{n}\right) = {\zeta }_{n}^{a} 对于某些整数 a,1a<na,1 \leq a < n,与 nn 互素。由于确实存在 φ(n)\varphi \left( n\right) 个这样的整数 aa,因此实际上每个这样的映射确实是 Q(ζn)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) 的自同构。请注意,我们还可以用相同的公式定义 σa{\sigma }_{a} 对于任何与 nn 互素的整数 aa,并且 σa{\sigma }_{a} 只依赖于 aann 的同余类。

定理 26。单位根 Q(ζn)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) 的循环域的伽罗瓦群同构于乘法群 (Z/nZ)×{\left( \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\right) }^{ \times }。同构由以下映射显式给出

(Z/nZ)×Gal(Q(ζn)/Q){\left( \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\right) }^{ \times }\overset{ \sim }{ \rightarrow }\operatorname{Gal}\left( {\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) /\mathbb{Q}}\right)
a(  mod  n)σaa\left( {\;\operatorname{mod}\;n}\right) \mapsto {\sigma }_{a}

其中 σa{\sigma }_{a} 是由以下定义的自同构

σa(ζn)=ζna{\sigma }_{a}\left( {\zeta }_{n}\right) = {\zeta }_{n}^{a}

证明:上述讨论表明对于任何 a(  mod  n)a\left( {\;\operatorname{mod}\;n}\right)σa{\sigma }_{a} 都是自同构,所以上述映射是良定义的。它是一个同态,因为

(σaσb)(ζn)=σa(ζnb)=(ζnb)a\left( {{\sigma }_{a}{\sigma }_{b}}\right) \left( {\zeta }_{n}\right) = {\sigma }_{a}\left( {\zeta }_{n}^{b}\right) = {\left( {\zeta }_{n}^{b}\right) }^{a}
=ζnab = {\zeta }_{n}^{ab}

这表明 σaσb=σab{\sigma }_{a}{\sigma }_{b} = {\sigma }_{ab}。映射是双射,因为根据上述讨论,我们知道每个伽罗瓦自同构都是形式为 σa{\sigma }_{a} 的,其中 aa(模 nn)是唯一确定的。因此,这个映射是同构。

示例

(1) 该领域 Q(ζ5)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{5}\right)Q\mathbb{Q} 上是伽罗瓦扩张,其伽罗瓦群为 (Z/5Z)×Z/4Z{\left( \mathbb{Z}/5\mathbb{Z}\right) }^{ \times } \cong \mathbb{Z}/4\mathbb{Z} 。这是我们第一个四次伽罗瓦扩张的例子,扩张基域为 Q\mathbb{Q} ,且伽罗瓦群是循环群。上述记号中伽罗瓦群的元素为 {σ1=1,σ2,σ3,σ4}\left\{ {{\sigma }_{1} = 1,{\sigma }_{2},{\sigma }_{3},{\sigma }_{4}}\right\} 。这个循环群的一个生成元是 σ2:ζ5ζ52{\sigma }_{2} : {\zeta }_{5} \mapsto {\zeta }_{5}^{2}(因为在 (Z/5Z)×{\left( \mathbb{Z}/5\mathbb{Z}\right) }^{ \times } 中2的阶为4)。

正好存在一个非平凡子域,即 Q\mathbb{Q} 的二次扩张,该子域为子群 {1,σ4=σ1}\left\{ {1,{\sigma }_{4} = {\sigma }_{-1}}\right\} 的固定域。该子域中的一个元素由以下给出

α=ζ5+σ1ζ5=ζ5+ζ51\alpha = {\zeta }_{5} + {\sigma }_{-1}{\zeta }_{5} = {\zeta }_{5} + {\zeta }_{5}^{-1}

因为这个元素显然被 σ1{\sigma }_{-1} 固定。元素 ζ5{\zeta }_{5} 满足

ζ54+ζ53+ζ52+ζ5+1=0{\zeta }_{5}^{4} + {\zeta }_{5}^{3} + {\zeta }_{5}^{2} + {\zeta }_{5} + 1 = 0

注意接着有

α2+α1=(ζ52+2+ζ52)+(ζ5+ζ51)1{\alpha }^{2} + \alpha - 1 = \left( {{\zeta }_{5}^{2} + 2 + {\zeta }_{5}^{-2}}\right) + \left( {{\zeta }_{5} + {\zeta }_{5}^{-1}}\right) - 1
=ζ52+2+ζ53+ζ5+ζ541=0. = {\zeta }_{5}^{2} + 2 + {\zeta }_{5}^{3} + {\zeta }_{5} + {\zeta }_{5}^{4} - 1 = 0.

明确求解 α\alpha 后,我们发现由 α\alpha 生成的 Q\mathbb{Q} 的二次扩张是 Q(5)\mathbb{Q}\left( \sqrt{5}\right)

Q(ζ5+ζ51)=Q(5)\mathbb{Q}\left( {{\zeta }_{5} + {\zeta }_{5}^{-1}}\right) = \mathbb{Q}\left( \sqrt{5}\right)

一般情况下可以证明(这并非完全平凡),对于奇素数 pp ,域 Q(ζp)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{p}\right) 包含二次域 Q(±p)\mathbb{Q}\left( \sqrt{\pm p}\right) ,其中如果 p1  mod  4p \equiv 1{\;\operatorname{mod}\;4} 则加号是正确的,如果 p3  mod  4p \equiv 3{\;\operatorname{mod}\;4} 则减号是正确的(参见第7节的练习11)。

(2) Q(ζ13)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{13}\right) ,对于奇素数 pp ,我们可以像前一个例子一样构造出任何子域的素元。 Q(ζp)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{p}\right) 关于 Q\mathbb{Q} 的基由以下给出

1,ζp,ζp2,,ζpp2.1,{\zeta }_{p},{\zeta }_{p}^{2},\ldots ,{\zeta }_{p}^{p - 2}.

因为

ζpp1+ζpp2++ζp+1=0{\zeta }_{p}^{p - 1} + {\zeta }_{p}^{p - 2} + \cdots + {\zeta }_{p} + 1 = 0

我们看到元素

ζp,ζp2,,ζpp2,ζpp1{\zeta }_{p},{\zeta }_{p}^{2},\ldots ,{\zeta }_{p}^{p - 2},{\zeta }_{p}^{p - 1}

构成基础。选择这个基础的原因是,在伽罗瓦群 σ\sigma 中的任何 Gal(Q(ζp)/Q)\operatorname{Gal}\left( {\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{p}\right) /\mathbb{Q}}\right) 都会简单地置换这些基元素,因为这些正是单位根的原始 pth {p}^{\text{th }}。请注意,正是在这一点上我们需要 pp 是一个质数 - 通常情况下,单位根的原始 nth {n}^{\text{th }} 并不构成 nth {n}^{\text{th }} 次单位根的循环域在 Q\mathbb{Q} 上的基础(例如,单位根的原始 4th {4}^{\text{th }} 并不是线性无关的)。

HHQ(ζp)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{p}\right)Q\mathbb{Q} 上的伽罗瓦群的任意子群,并设

αH=σHσζp(14.10){\alpha }_{H} = \mathop{\sum }\limits_{{\sigma \in H}}\sigma {\zeta }_{p} \tag{14.10}

ζp{\zeta }_{p} 通过 HH 中的元素共轭的和。对于任意的 τH\tau \in H,元素 τσ{\tau \sigma } 随着 σ\sigmaHH 上的元素而遍历 HH 的元素。因此 τα=α{\tau \alpha } = \alpha,所以 α\alpha 位于 HH 的固定域中。如果现在 τ\tau 不是 HH 的元素,那么 τα{\tau \alpha } 是基元素的和一个(请记住,任何自同构都会置换这里的基元素),其中一个是 τ(ζp)\tau \left( {\zeta }_{p}\right)。如果我们有 τα=α{\tau \alpha } = \alpha,那么由于这些元素是一个基础,我们必须有一个 τ(ζp)=σ(ζp)\tau \left( {\zeta }_{p}\right) = \sigma \left( {\zeta }_{p}\right) 对于(10)中的项 σζp\sigma {\zeta }_{p}。但这意味着 τσ1=1\tau {\sigma }^{-1} = 1,因为此自同构在 ζp{\zeta }_{p} 上是恒等的。那么 τ=σH\tau = \sigma \in H,这是一个矛盾。这表明 α\alpha 不被包含在 HH 中的任何自同构所固定,因此 Q(α)\mathbb{Q}\left( \alpha \right) 正好是 HH 的固定域。

以一个特定例子来说,考虑 Q(ζ13)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{13}\right) 的子领域,它们对应于 (Z/13Z)×Z/12Z{\left( \mathbb{Z}/{13}\mathbb{Z}\right) }^{ \times } \cong \mathbb{Z}/{12}\mathbb{Z} 的子群。这个循环群的生成元是自同构 σ=σ2\sigma = {\sigma }_{2},它将 ζ13{\zeta }_{13} 映射到 ζ132{\zeta }_{13}^{2}。非平凡子群对应于12的非平凡因子,因此它们的阶分别为2、3、4和6,其生成元分别为 σ6,σ4,σ3{\sigma }^{6},{\sigma }^{4},{\sigma }^{3}σ2{\sigma }^{2}。相应的固定域的次数分别为 Q\mathbb{Q} 上的6、4、3和2。生成元由 (ζ=ζ13)\left( {\zeta = {\zeta }_{13}}\right) 给出。

ζ+σ6ζ=ζ+ζ26=ζ+ζ1\zeta + {\sigma }^{6}\zeta = \zeta + {\zeta }^{{2}^{6}} = \zeta + {\zeta }^{-1}
ζ+σ4ζ+σ8ζ=ζ+ζ24+ζ28=ζ+ζ3+ζ9\zeta + {\sigma }^{4}\zeta + {\sigma }^{8}\zeta = \zeta + {\zeta }^{{2}^{4}} + {\zeta }^{{2}^{8}} = \zeta + {\zeta }^{3} + {\zeta }^{9}
ζ+σ3ζ+σ6ζ+σ9ζ=ζ+ζ8+ζ12+ζ5\zeta + {\sigma }^{3}\zeta + {\sigma }^{6}\zeta + {\sigma }^{9}\zeta = \zeta + {\zeta }^{8} + {\zeta }^{12} + {\zeta }^{5}
ζ+σ2ζ+σ4ζ+σ6ζ+σ8ζ+σ10ζ=ζ+ζ4+ζ3+ζ12+ζ9+ζ10.\zeta + {\sigma }^{2}\zeta + {\sigma }^{4}\zeta + {\sigma }^{6}\zeta + {\sigma }^{8}\zeta + {\sigma }^{10}\zeta = \zeta + {\zeta }^{4} + {\zeta }^{3} + {\zeta }^{12} + {\zeta }^{9} + {\zeta }^{10}.

这个扩展的子域格如下所示:

方程(10)中构造的元素及其共轭被称为 ζ\zeta 的周期,它们在研究循环域的算术中很有用。对其组合性质的研被称为循环分解。

假设 n=p1a1p2a2pkakn = {p}_{1}^{{a}_{1}}{p}_{2}^{{a}_{2}}\cdots {p}_{k}^{{a}_{k}}nn 分解为不同素数幂的形式。由于 ζnp2a2pkak{\zeta }_{n}^{{p}_{2}^{{a}_{2}}\cdots {p}_{k}^{{a}_{k}}} 是一个原始的 p1a1{p}_{1}^{{a}_{1}} 次单位根,所以字段 K1=Q(ζp1a1){K}_{1} = \mathbb{Q}\left( {\zeta }_{{p}_{1}^{{a}_{1}}}\right)Q(ζn)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) 的子字段。类似地,每个字段 Ki=Q(ζpiai),i=1,2,,k{K}_{i} = \mathbb{Q}\left( {\zeta }_{{p}_{i}^{{a}_{i}}}\right) ,i = 1,2,\ldots ,k 都是 Q(ζn)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) 的子字段。这些字段的复合包含乘积 ζp1a1ζp2a2ζpkak{\zeta }_{{p}_{1}^{{a}_{1}}}{\zeta }_{{p}_{2}^{{a}_{2}}}\cdots {\zeta }_{{p}_{k}^{{a}_{k}}},这是一个原始的 nth {n}^{\text{th }} 次单位根,因此复合字段是 Q(ζn)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right)。由于扩展次数 [Ki:Q]\left\lbrack {{K}_{i} : \mathbb{Q}}\right\rbrack 等于 φ(piai),i=1,2,,k\varphi \left( {p}_{i}^{{a}_{i}}\right) ,i = 1,2,\ldots ,kφ(n)=φ(p1a1)φ(p2a2)φ(pkak)\varphi \left( n\right) = \varphi \left( {p}_{1}^{{a}_{1}}\right) \varphi \left( {p}_{2}^{{a}_{2}}\right) \cdots \varphi \left( {p}_{k}^{{a}_{k}}\right),所以这些字段的复合次数 Ki{K}_{i} 正好是这些字段次数的乘积。由命题21(以及从命题中的两个字场到这里的 kk 个字场的简单归纳)可知,所有这些字段的交集正好是 Q\mathbb{Q}。然后推论22表明,Q(ζn)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) 的伽罗瓦群是 Q\mathbb{Q} 上子字段 Ki{K}_{i} 的伽罗瓦群的直积。我们总结如下推论。

推论27。设 n=p1a1p2a2pkakn = {p}_{1}^{{a}_{1}}{p}_{2}^{{a}_{2}}\cdots {p}_{k}^{{a}_{k}} 为正整数 nn 分解为不同素数幂的形式。那么,循环域 Q(ζpiai),i=1,2,,k\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{{p}_{i}}^{{a}_{i}}\right) ,i = 1,2,\ldots ,k 仅在字段 Q\mathbb{Q} 中相交,它们的复合是循环域 Q(ζn)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right)。我们有

Gal(Q(ζn)/Q)Gal(Q(ζp1a1)/Q)×Gal(Q(ζp2a2)/Q)××Gal(Q(ζpkak)/Q)\operatorname{Gal}\left( {\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) /\mathbb{Q}}\right) \cong \operatorname{Gal}\left( {\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{{p}_{1}^{{a}_{1}}}\right) /\mathbb{Q}}\right) \times \operatorname{Gal}\left( {\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{{p}_{2}^{{a}_{2}}}\right) /\mathbb{Q}}\right) \times \cdots \times \operatorname{Gal}\left( {\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{{p}_{k}^{{a}_{k}}}\right) /\mathbb{Q}}\right)

在定理26的同构下,这是中国剩余定理:

(Z/nZ)×(Z/p1a1Z)××(Z/p2a2Z)×××(Z/pkakZ)×.{\left( \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\right) }^{ \times } \cong {\left( \mathbb{Z}/{p}_{1}^{{a}_{1}}\mathbb{Z}\right) }^{ \times } \times {\left( \mathbb{Z}/{p}_{2}^{{a}_{2}}\mathbb{Z}\right) }^{ \times } \times \cdots \times {\left( \mathbb{Z}/{p}_{k}^{{a}_{k}}\mathbb{Z}\right) }^{ \times }.

证明:唯一尚未证明的陈述是伽罗瓦群的同构与关于群 (Z/nZ)×{\left( \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\right) }^{ \times } 的中国剩余定理的陈述的识别,这非常简单,留给练习。

由定理26可知,Q(ζn)/Q\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) /\mathbb{Q} 的伽罗瓦群特别是阿贝尔群。

定义。如果 K/FK/F 是伽罗瓦扩张且 Gal(K/F)\operatorname{Gal}\left( {K/F}\right) 是一个阿贝尔群,那么 K/FK/F 的扩展称为阿贝尔扩展。

由于阿贝尔群的所有子群和商群都是阿贝尔群,根据伽罗瓦理论的基本定理,我们得知每个包含 FF 的子域,如果它是 FF 的阿贝尔扩展的子域,那么它也是 FF 的阿贝尔扩展。根据上一节关于扩展复合的结果,我们还可以看出阿贝尔扩展的复合仍然是阿贝尔扩展(因为复合的伽罗瓦群同构于伽罗瓦群的直积的子群,因此是阿贝尔群)。

确定哪些群可以作为 Q\mathbb{Q} 的伽罗瓦扩张的伽罗瓦群是一个未解决的问题。使用上述结果,我们可以看出每个阿贝尔群都是某个 Q\mathbb{Q} 的扩张的伽罗瓦群,实际上,是某个循环域的子域的伽罗瓦群。

n=p1p2pkn = {p}_{1}{p}_{2}\cdots {p}_{k} 为不同素数的乘积。根据中国剩余定理

(Z/nZ)×(Z/p1Z)××(Z/p2Z)×××(Z/pkZ)×{\left( \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\right) }^{ \times } \cong {\left( \mathbb{Z}/{p}_{1}\mathbb{Z}\right) }^{ \times } \times {\left( \mathbb{Z}/{p}_{2}\mathbb{Z}\right) }^{ \times } \times \cdots \times {\left( \mathbb{Z}/{p}_{k}\mathbb{Z}\right) }^{ \times }
Zp11×Zp21××Zpk1.(14.11) \cong {\mathbb{Z}}_{{p}_{1} - 1} \times {\mathbb{Z}}_{{p}_{2} - 1} \times \cdots \times {\mathbb{Z}}_{{p}_{k} - 1}. \tag{14.11}

现在,假设 GG 是任意的有限阿贝尔群。根据阿贝尔群的基本定理,

GZn1×Zn2××ZnkG \cong {\mathbb{Z}}_{{n}_{1}} \times {\mathbb{Z}}_{{n}_{2}} \times \cdots \times {\mathbb{Z}}_{{n}_{k}}

对于某些整数 n1,n2,,nk{n}_{1},{n}_{2},\ldots ,{n}_{k} 。我们已知,对于任意整数 mm ,存在无限多个素数 pp 使得 p1  mod  mp \equiv 1{\;\operatorname{mod}\;m} (参见第13.6节后的练习)。

根据这个结果,选择不同的素数 p1,p2,,pk{p}_{1},{p}_{2},\ldots ,{p}_{k} 使得

p11  mod  n1{p}_{1} \equiv 1{\;\operatorname{mod}\;{n}_{1}}
p21  mod  n2{p}_{2} \equiv 1{\;\operatorname{mod}\;{n}_{2}}
\vdots
pk1  mod  nk{p}_{k} \equiv 1{\;\operatorname{mod}\;{n}_{k}}

并令 n=p1p2pkn = {p}_{1}{p}_{2}\cdots {p}_{k} 如上所述。

根据构造,ni{n}_{i} 除以 pi1{p}_{i} - 1 对于 i=1,2,,ki = 1,2,\ldots ,k ,所以群 Zpi1{Z}_{{p}_{i} - 1} 有一个阶为 pi1ni\frac{{p}_{i} - 1}{{n}_{i}} 的子群 Hi{H}_{i} 对于 i=1,2,,ki = 1,2,\ldots ,k ,并且这个子群的商是阶为 ni{n}_{i} 的循环群。因此方程(11)中的 (Z/nZ)×{\left( \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\right) }^{ \times } 除以 H1×H2××Hk{H}_{1} \times {H}_{2} \times \cdots \times {H}_{k} 的商同构于群 GG

根据定理26和伽罗瓦理论的基本定理,我们发现存在一个 Q(ζp1p2pk)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{{p}_{1}{p}_{2}\cdots {p}_{k}}\right) 的子域,它是关于 Q\mathbb{Q} 的伽罗瓦扩张,以 GG 作为伽罗瓦群。我们在以下推论中总结这一点。

推论28。设 GG 是任意的有限阿贝尔群。那么存在一个包含 Gal(K/Q)G\operatorname{Gal}\left( {K/\mathbb{Q}}\right) \cong G 的子域 KK 在一个循环域中。

这个结果有一个逆命题(其证明超出了我们的范围),著名的克罗内克-韦伯定理:

定理(克罗内克-韦伯)设 KKQ\mathbb{Q} 的有限阿贝尔扩张。那么 KK 包含在 Q\mathbb{Q} 的一个循环扩张中。

"Q\mathbb{Q} 的阿贝尔扩张是“最容易”的伽罗瓦扩张(至少在它们的伽罗瓦群结构方面是这样),之前的结果表明它们可以通过 Q\mathbb{Q} 的循环扩张来分类。对于其他以 Q\mathbb{Q} 为基场的有限扩张,描述阿贝尔扩张更加困难。对任意有限扩张 FFQ\mathbb{Q} 的阿贝尔扩张的研究称为类域论。存在一种通过与 FF 相关联的不变量对 FF 的阿贝尔扩张进行分类的方法,这极大地推广了关于 Q\mathbb{Q} 上的循环域的结果。然而,一般来说,阿贝尔扩张的构造远不如在循环域的情况下那么明确。一个可能进行这种描述的情况是虚二次域的阿贝尔扩张(Q(D)\mathbb{Q}\left( \sqrt{-D}\right) 对于正的 DD),其中阿贝尔扩张可以通过附加某些椭圆函数的值来构造(这是附加单位根的类似情况,单位根是指数函数 ex{e}^{x} 对于某些 xx 的值)。这类阿贝尔扩张的算术研究以及寻找非阿贝尔扩张的类似结果的探索是当前数学研究丰富而迷人的领域。"

"我们以正 nn 边形的可作性问题结束我们对循环域的讨论,这个问题使用直尺和圆规来解决。"

"回顾(参看第13.3节)一个元素 α\alphaQ\mathbb{Q} 上是可作的当且仅当域 Q(α)\mathbb{Q}\left( \alpha \right) 包含在一个通过一系列二次扩张得到的域 KK 中:"

Q=K0K1KiKi+1Km=K(14.12)\mathbb{Q} = {K}_{0} \subset {K}_{1} \subset \cdots \subset {K}_{i} \subset {K}_{i + 1} \subset \cdots \subset {K}_{m} = K \tag{14.12}

"with"

[Ki+1:Ki]=2,  i=0,1,,m1.\left\lbrack {{K}_{i + 1} : {K}_{i}}\right\rbrack = 2,\;i = 0,1,\ldots ,m - 1.

正则nn边形的构造在R2{\mathbb{R}}^{2}中显然等价于构造nth {n}^{\text{th }}单位根,因为nth {n}^{\text{th }}单位根在C\mathbb{C}的单位圆上形成正则nn边形的顶点,其中一个顶点在点1处。

ζn{\zeta }_{n}的构造等价于ζn{\zeta }_{n}的第一个坐标xxR2{\mathbb{R}}^{2}中的可构造性,即ζn{\zeta }_{n}的实部。由于ζn{\zeta }_{n}的复共轭仅仅是ζn1{\zeta }_{n}^{-1}ζn{\zeta }_{n}的实部是x=12(ζn+ζn1)x = \frac{1}{2}\left( {{\zeta }_{n} + {\zeta }_{n}^{-1}}\right)。注意ζn{\zeta }_{n}满足ζn22xζn+1=0{\zeta }_{n}^{2} - {2x}{\zeta }_{n} + 1 = 0上的二次方程。由于Q(x)\mathbb{Q}\left( x\right)仅包含实数,因此[Q(ζn):Q(x)]=2\left\lbrack {\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) : \mathbb{Q}\left( x\right) }\right\rbrack = 2,所以Q(x)\mathbb{Q}\left( x\right)Q\mathbb{Q}φ(n)/2\varphi \left( n\right) /2次扩展。

因此,如果正则nn边形可以用直尺和圆规构造,那么φ(n)\varphi \left( n\right)必须是2的幂。反之,如果φ(n)=2m\varphi \left( n\right) = {2}^{m}是2的幂,那么伽罗瓦群Gal(Q(ζn)/Q)\operatorname{Gal}\left( {\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{n}\right) /\mathbb{Q}}\right)是一个阶为2的幂的阿贝尔群,因此伽罗瓦群Gal(Q(x)/Q)\operatorname{Gal}\left( {\mathbb{Q}\left( x\right) /\mathbb{Q}}\right)也是如此。通过阿贝尔群的基本定理容易看出,一个阶为2m{2}^{m}的阿贝尔群GG有一个子群的链。

G=Gm>Gm1>>Gi+1>Gi>>G0=1G = {G}_{m} > {G}_{m - 1} > \cdots > {G}_{i + 1} > {G}_{i} > \cdots > {G}_{0} = 1

具有

[Gi+1:Gi]=2,  i=0,1,2,,m1.\left\lbrack {{G}_{i + 1} : {G}_{i}}\right\rbrack = 2,\;i = 0,1,2,\ldots ,m - 1.

将其应用于群G=Gal(Q(x)/Q)G = \operatorname{Gal}\left( {\mathbb{Q}\left( x\right) /\mathbb{Q}}\right)并对子群Gi,i=0,1,,m1{G}_{i},i = 0,1,\ldots ,m - 1取固定字段,我们得到(根据伽罗瓦理论的基本定理)一个如上(12)所示的二次扩展序列。

我们得出结论,正 nn 边形可以通过直尺和圆规构建当且仅当 φ(n)\varphi \left( n\right) 是2的幂。将 nn 分解为素数幂以计算 φ(n)\varphi \left( n\right) ,我们可以看到这意味着 n=2kp1prn = {2}^{k}{p}_{1}\cdots {p}_{r} 是2的幂和不同的奇素数的乘积 pi{p}_{i} ,其中 pi1{p}_{i} - 1 是2的幂。可以看出,一个素数 pp 如果 p1p - 1 是2的幂,那么它必须具有以下形式

p=22s+1p = {2}^{{2}^{s}} + 1

对于某个整数 ss 。这样的素数被称为费马素数。前几个是

3=21+13 = {2}^{1} + 1
5=22+15 = {2}^{2} + 1
17=24+1{17} = {2}^{4} + 1
257=28+1{257} = {2}^{8} + 1
65537=216+1{65537} = {2}^{16} + 1

(但 232+1{2}^{32} + 1 不是素数,因为它能被641整除)。目前尚不清楚是否存在无限多个费马素数。我们在以下命题中总结这一点。

命题29。正 nn 边形可以通过直尺和圆规构建当且仅当 n=2kp1prn = {2}^{k}{p}_{1}\cdots {p}_{r} 是2的幂和不同费马素数的乘积。

上面的证明实际上指出了构建正 nn 边形的程序,该程序是一系列平方根的连续过程。例如,正17边形的构建(由高斯在1796年19岁时解决)需要构建 Q(ζ17)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{17}\right) 中次数为2、4、8和16的子域。这些子域可以通过形成 ζ17{\zeta }_{17} 的周期来构建,如同上面关于 13th {13}^{\text{th }} 单位根的例子。在这种情况下,Q(ζ17)\mathbb{Q}\left( {\zeta }_{17}\right) 通过一系列二次扩张得到的事实反映在周期可以连续“减半”的事实上(即,如果 H1<H2{H}_{1} < {H}_{2} 是具有 [H2:H1]=2\left\lbrack {{H}_{2} : {H}_{1}}\right\rbrack = 2 的子群,那么 H1{H}_{1} 的周期满足一个二次方程,其系数涉及 H2{H}_{2} 的周期)。例如,伽罗瓦群中指数为2的子群(由 σ2{\sigma }_{2} 生成)的周期是 (ζ=ζ17)\left( {\zeta = {\zeta }_{17}}\right)

η1=ζ+ζ2+ζ4+ζ8+ζ9+ζ13+ζ15+ζ16{\eta }_{1} = \zeta + {\zeta }^{2} + {\zeta }^{4} + {\zeta }^{8} + {\zeta }^{9} + {\zeta }^{13} + {\zeta }^{15} + {\zeta }^{16}
η2=ζ3+ζ5+ζ6+ζ7+ζ10+ζ11+ζ12+ζ14{\eta }_{2} = {\zeta }^{3} + {\zeta }^{5} + {\zeta }^{6} + {\zeta }^{7} + {\zeta }^{10} + {\zeta }^{11} + {\zeta }^{12} + {\zeta }^{14}

这些周期“减半”了整个伽罗瓦群的周期,并满足

η1+η2=1{\eta }_{1} + {\eta }_{2} = - 1

(由 ζ17{\zeta }_{17} 满足的最小多项式)和

η1η2=4{\eta }_{1}{\eta }_{2} = - 4

(这需要计算 - 我们知道它必须是理性的,因为该乘积由伽罗瓦群的所有元素固定)。因此这两个周期是二次方程的根

x2+x4=0{x}^{2} + x - 4 = 0

我们可以显式地解这个方程。类似地,指数为4的子群(由 σ4{\sigma }_{4} 生成)的周期自然地减半这些周期,所以它们对这些周期是二次的,等等。这样,就可以用迭代平方根明确地确定 ζ17{\zeta }_{17}。例如,人们发现 8(ζ+ζ1)=16cos(2π17)8\left( {\zeta + {\zeta }^{-1}}\right) = {16}\cos \left( \frac{2\pi }{17}\right) (这足以构建正17边形)由以下式子明确给出

1+17+2(1717)+217+3172(1717)22(17+17). - 1 + \sqrt{17} + \sqrt{2\left( {{17} - \sqrt{17}}\right) } + 2\sqrt{{17} + 3\sqrt{17} - \sqrt{2\left( {{17} - \sqrt{17}}\right) } - 2\sqrt{2\left( {{17} + \sqrt{17}}\right) }}.

J.H. Conway 向我们展示了一种相对简单的正17边形构建方法,该方法在练习中有说明。

虽然我们已经看到,在一般情况下,仅使用连续的平方根求解 ζn{\zeta }_{n} 是不可能的,但根据定义,通过连续提取更高次根(即对 1 取 nth {n}^{\text{th }} 次根)是可能得到 ζn{\zeta }_{n} 的。但对于次数为 nn 的方程的解,情况并非如此,因为正如我们将在接下来的章节中看到的,通常无法通过根式确定解。