正規擴張

正規擴張是抽象代數中的概念，屬於域擴張中的一類。一個有限擴張L/K是正規擴張當且僅當擴域L是多項式環K[X]中的某個多項式的分裂域。布爾巴基學派將這類擴張稱為「准伽羅瓦擴張」。正規擴張是代數擴張的一種。

定義

正規擴張的定義不止一種，以下三個準則都可以刻畫正規擴張，是三個等價的定義。域擴張L/K是正規擴張當且僅當它滿足以下三個等價條件中任意一個：

1. L是多項式環K[X]中的某一族多項式的分裂域。
2. 設K^alg是一個包含了L的K的代數閉包。對於L在K^alg上的每一個嵌入σ，只要它限制在K上的部分是平凡的（即為恆等映射：σ(x) = x），那麼就有σ(L) = L。換句話說，L在K^alg上的每一個K-嵌入σ都是一個L上的K-自同構。
3. 任意一個K[X]上的不可約多項式，只要它在L中有一個根，那麼就可以在L[X]分解成一次因式的乘積（或者說全部的根都在L中）。

例子

$\mathbb {Q} ({\sqrt {2}})$是$\mathbb {Q}$的一個正規擴張，因為它是$\mathbb {Q}$上的多項式$x^{2}-2$的分裂域。然而，$\mathbb {Q} ({\sqrt[{3}]{2}})$並不是$\mathbb {Q}$的一個正規擴張，因為$\mathbb {Q}$上的不可約多項式$x^{3}-2$有一個根：${\sqrt[{3}]{2}}$在$\mathbb {Q} ({\sqrt[{3}]{2}})$裡面，但它的另外兩個根：${\sqrt[{3}]{2}}\left({\frac {-1-{\sqrt {3}}i}{2}}\right)$和${\sqrt[{3}]{2}}\left({\frac {-1+{\sqrt {3}}i}{2}}\right)$都是複數，不在$\mathbb {Q} ({\sqrt[{3}]{2}})$裡面。只有在加入了三次單位根：$\omega ={\frac {-1+{\sqrt {3}}i}{2}}$後的擴域$\mathbb {Q} ({\sqrt[{3}]{2}},\omega )$才是一個正規擴張。

也可以用正規擴張的第二個定義來證明$\mathbb {Q} ({\sqrt[{3}]{2}})$不是$\mathbb {Q}$的正規擴張。設域$\mathbb {A}$是由所有復代數數生成的擴域，則$\mathbb {A}$是$\mathbb {Q}$的一個代數閉包，並且$\mathbb {Q} ({\sqrt[{3}]{2}})$在$\mathbb {A}$裡面。另一方面，

$\mathbb {Q} ({\sqrt[{3}]{2}})=\{a+b{\sqrt[{3}]{2}}+c{\sqrt[{3}]{4}}\in \mathbb {A} \,|\,a,b,c\in \mathbb {Q} \}$

並且，如果記$\zeta ={\sqrt[{3}]{2}}\left({\frac {-1+{\sqrt {3}}i}{2}}\right)$是$x^{3}-2$的復根之一，那麼映射：

${\begin{array}{lccc}\sigma :&\mathbb {Q} ({\sqrt[{3}]{2}})&\longrightarrow &\mathbb {A} \\&a+b{\sqrt[{3}]{2}}+c{\sqrt[{3}]{4}}&\mapsto &a+b\zeta +c\zeta ^{2}\end{array}}$

是$\mathbb {Q} ({\sqrt[{3}]{2}})$在$\mathbb {A}$上的一個嵌入，並且它限制在$\mathbb {Q}$上的部分是平凡的（將$\mathbb {Q}$中元素映射到自己）。但是σ並不是$\mathbb {Q} ({\sqrt[{3}]{2}})$上的自同構。

更一般地，對每一個素數p，域擴張$\mathbb {Q} ({\sqrt[{p}]{2}},\zeta _{p})$都是$\mathbb {Q}$的一個正規擴張，擴張的次數是p(p - 1)。$\mathbb {Q} ({\sqrt[{p}]{2}},\zeta _{p})$是$\mathbb {Q}$上的多項式$x^{p}-2$的分裂域。其中的$\zeta _{p}$是任意一個複數p次單位根。

性質

設有域擴張L/K，那麼：

• 如果L是K的正規擴張，並且F是一個子擴張（也就是說有擴張K⊂F⊂L）那麼L也是F的正規擴張。
• 如果L的子域E和F都是K的正規擴張，那麼兩者的複合擴張EF（指L的子域中同時包含E和F的最小者）以及兩者的交E∩F也都是K的正規擴張。

正規閉包

設有域擴張L/K，那麼總存在域擴張M/L，使得M/K是正規擴張。在同構意義上，「最小」的這樣的擴張是唯一。即是說，其他的域擴張N/L如果使得N/K是正規擴張，那麼總存在N/L的子擴張M'/L，使得M'同構於M。這個唯一的「最小」正規擴張M/L稱為域擴張L/K的正規閉包。

如果L/K是有限擴張，那麼它的正規閉包M/L也是有限擴張（因此M/K也是有限擴張）。

參見

• 伽羅瓦擴張

參考來源

• Lang, Serge. Algebra, Graduate Texts in Mathematics. New York: Springer-Verlag. 2002. ISBN 978-0-387-95385-4. 
• Jacobson, Nathan, Basic Algebra II 2nd, W. H. Freeman, 1989, ISBN 0-716-71933-9