1. 概述
于 Galois 理论 中, Frobenius 自同态 是素特征 交换环 上由取素数次幂得到的 环自同态. 在 有限域 上它是自同构, 其迭代与 不动域 将有限域的元素运算同 Galois 群 联系起来.
注记 1 (直观理解)
Frobenius 自同态 把取幂变成保持加法和乘法的操作. 在 有限域 上, 它重新排列全部元素; 固定某次迭代的元素恰好组成相应的子域.
2. 定义
定义 2 (Frobenius 自同态)
记号 3 (Frobenius 自同态)
Frobenius 自同态 的
次复合记为 , 其中 为非负整数, , 且 . 当 且环境环明确时, 常用 表示 次幂映射, 即 ; 下标 在这里指幂指数, 不指其定义域.
注记 4 (自同态与自同构)
Frobenius 自同态 总是 环同态, 但一般不一定是 自同构. 在 有限域 上它是自同构, 因而也称 Frobenius 自同构; 详见 有限域上的 Frobenius 自同构.
3. 例子
例子 5 (素数阶有限域)
设
为 素数. 有限域 的 Frobenius 自同态 是恒同映射:它保持加法并固定 , 因而固定每个 , 其中 .
例子 6 (九阶有限域上的共轭)
设
为不定元. 多项式 在 中无根, 因而不可约. 取 商环 , 并以 表示 的剩余类. 这给出一个 有限域, 其中 且每个元素唯一写成 , .
其 特征 为, 所以 , 这并不表示域中只有三个元素. 其 Frobenius 自同态 满足: 九个元素的像如下, 表内系数均按模
运算:
因而
, 而 ; 它的不动元素恰为 .
4. 相关性质
命题 7 (Frobenius 的环同态性)
设
为 素数, 为 特征 等于 的 交换环. 则 Frobenius 自同态 是保持幺元的 环同态.
证明 8 (Frobenius 的环同态性)
命题 9 (有限域上的 Frobenius 自同构)
设
为 特征 等于 素数 的 有限域. 则 Frobenius 自同态 是 的 自同构.
证明 10 (有限域上的 Frobenius 自同构)
命题 11 (代数闭包中的 Frobenius 不动域)
证明 12 (代数闭包中的 Frobenius 不动域)
推论 13 (Frobenius 与 Galois 群的不动域)
沿用 代数闭包中的 Frobenius 不动域 的嵌入约定, 设
, . 对 域扩张 有:
证明 14 (Frobenius 与 Galois 群的不动域)
- 由 代数闭包中的 Frobenius 不动域,
保持 , 固定 , 并在 上满足 . 因而 是 域扩张 的 Galois 群 中的元素. 若 且 , 则 的 个元素都是 多项式 的根, 但非零多项式的根数不超过次数 , 矛盾. 故 的阶恰为 . - 元素被整个 循环群
固定当且仅当被 固定. 再由 代数闭包中的 Frobenius 不动域 取迭代次数为 , 得 不动域 .
5. 相关概念
6. 术语翻译
| 中文 | 英文 |
|---|---|
| Frobenius 自同态 | Frobenius endomorphism |
| Frobenius 自同构 | Frobenius automorphism |