§ III.5.2

Конечные поля

[9/44%]
Показать
LaTeX
Задача III.5.2.1

Доказать, что при любом d∣n,d<nd \mid n, d<n, имеет место соотношение Xn−1=(Xd−1)Φn(X)hd(X)X^{n}-1=\left(X^{d}-1\right) \Phi_{n}(X) h_{d}(X), где hd∈Z[X]h_{d} \in \mathbb {Z}{}[X].

?
Задача III.5.2.2

Пусть qq — целое положительное число >1>1. Согласно (10) Φn(q)∈Z\Phi_{n}(q) \in \mathbb {Z}. Показать, что Φn(q)∣(q−1)⟹n=1\Phi_{n}(q) \mid (q-1) \Longrightarrow n=1.

?
Задача III.5.2.3

Проверить, что круговой многочлен

Φ15(X)=X8−X7+X5−X4+X3−X+1 \Phi _{15}(X)=X^{8}-X^{7}+X^{5}-X^{4}+X^{3}-X+1

рассматриваемый над полем F2\mathbb {F}_{2}, является произведением двух неприводимых многочленов X4+X3+1X^{4}+X^{3}+1 и X4+X+1X^{4}+X+1. Используя это обстоятельство, доказать неприводимость Φ15(X)\Phi_{15}(X) над Q\mathbb {Q} (ср. с упр. 11 из [ВА I, гл. 6, § 1]).

?
Задача III.5.2.4

Проверить следующие свойства круговых многочленов.

Если pp — простое число и p∣np \mid n, то Φpn(X)=Φn(Xp)\Phi_{p n}(X)=\Phi_{n}\left(X^{p}\right); если же p∤np \nmid n, то Φpn(X)=Φn(Xp)/Φn(X)\Phi_{p n}(X)=\Phi_{n}\left(X^{p}\right) / \Phi_{n}(X).

?
Задача III.5.2.5

Исходя из цепочки естественных включений

GF(p)⊂GF(p2!)⊂GF(p3!)⊂…, G F(p) \subset G F\left(p^{2 !}\right) \subset G F\left(p^{3 !}\right) \subset \ldots ,

ввести так называемое предельное поле Ωp=GF(p∞)\Omega_{p}=G F\left(p^{\infty }\right), полагая

α∈Ωp⟺{α∈GF(pn!) при достаточно большом n}.  \alpha \in \Omega _{p} \Longleftrightarrow \left\{ \alpha \in G F\left(p^{n !}\right) \text{ при достаточно большом } n\right\} \text{. }

Опираясь на основные свойства конечных полей, доказать, что Ωp\Omega_{p} — алгебраически замкнутое поле. Таким образом получаются, с учётом поля комплексных чисел C\mathbb {C} примеры алгебраически замкнутых полей любой характеристики.

?
Задача III.5.2.6

Пусть q=pnq=p^{n}. Показать, что при p=2p=2 все элементы поля Fq\mathbb {F}_{q} являются квадратами, а при p>2p>2 квадраты группы Fq∗\mathbb {F}_{q}^{*} образуют в ней подгруппу Fq∗2\mathbb {F}_{q}^{* 2} индекса 2, причём Fq∗2=Ker⁡(t↦t(q−1)/2)\mathbb {F}_{q}^{* 2}=\operatorname {Ker}\left(t \mapsto t^{(q-1) / 2}\right).

?
Задача III.5.2.7

Пусть Fq\mathbb {F}_{q} — конечное поле с нечётным числом q=pnq=p^{n} элементов. Если q не равно 3 или 5, то "на окружности" x2+y2=1x^{2}+y^{2}=1 найдётся точка с координатами x,y∈Fq∗x, y \in \mathbb {F}_{q}^{*}. Доказать это утверждение при p>5p>5.

?
Задача III.5.2.8

Всякий ли примитивный элемент поля Fq\mathbb {F}_{q} является образующей мультипликативной группы Fq∗\mathbb {F}_{q}^{*}?

?
Задача III.5.2.9

Пусть A(q)=Ass⁡F(X1,…,Xq)A(q)=\operatorname {Ass}_{F}\left(X_{1}, \ldots , X_{q}\right) — свободная ассоциативная алгебра над полем FF, порождённая qq свободными образующими — некоммутирующими переменными X1,…,XqX_{1}, \ldots , X_{q}. Положив

Am(q)=⟨Xi1Xi2…Xim∣1⩽ij⩽q⟩F,dim⁡Am(q)=qm A_{m}(q)= \left\langle X_{i_{1}} X_{i_{2}} \ldots X_{i_{m}} \mid 1 \leqslant i_{j} \leqslant q\right\rangle _{F}, \quad \operatorname {dim} A_{m}(q)=q^{m}

мы замечаем, что A(q)A(q) — градуированная алгебра:

A(q)=F⋅1⊕A1(q)⊕A2(q)⊕A3(q)⊕… A(q)=F \cdot 1 \oplus A_{1}(q) \oplus A_{2}(q) \oplus A_{3}(q) \oplus \ldots

В A(q)A(q) содержится свободная алгебра Ли L(q)=Lie⁡(X1,…,Xq)L(q)=\operatorname {Lie}\left(X_{1}, \ldots , X_{q}\right) с теми же свободными образующими и операцией коммутирования [UV]=UV−VU[U V]=U V-V U. Алгебра L(q)L(q) также градуирована:

L(q)=L1(q)⊕L2(q)⊕L3(q)⊕… L(q)=L_{1}(q) \oplus L_{2}(q) \oplus L_{3}(q) \oplus \ldots

где

L1(q)=⟨X1,…,Xq⟩F,L2(q)=⟨[Xi,Xj]∣i<j⟩F,… L_{1}(q)= \left\langle X_{1}, \ldots , X_{q}\right\rangle _{F}, \quad L_{2}(q)= \left\langle \left[X_{i}, X_{j}\right] \mid i<j\right\rangle _{F}, \quad \ldots

Используя тождество Якоби, убедиться в том, что

L3(q)=⟨[[Xi,Xj],Xk]⟩,i<j,k⩽j;dim⁡L3(q)=13(q3−q) L_{3}(q)= \left\langle \left[\left[X_{i}, X_{j}\right], X_{k}\right]\right\rangle , \quad i<j, k \leqslant j ; \quad \operatorname {dim} L_{3}(q)=\frac{1}{3}\left(q^{3}-q\right)

На самом деле справедлива общая формула Витта

dim⁡Lm(q)=Ψm(q)=1m∑d∣mμ(md)qd \operatorname {dim} L_{m}(q)=\Psi _{m}(q)=\frac{1}{m} \sum _{d \mid m} \mu \left(\frac{m}{d}\right) q^{d}

в точности совпадающая с формулой (12). Существенная разница лишь в том, что в (12') qq — произвольное натуральное число, а в (12) — степень простого числа.

Число ожерелий из задачи 2 в преамбуле к гл. 3 выражается такой же формулой.

?