Найменше поле Галуа містить лише два елементи: та , арифметичні операції над якими поводяться майже як звичайно, за винятком правила . Це поле широко застосується в дискретній математиці, комп'ютерних науках і теорії кодування.
Будь-яке скінчене поле містить елементів і однозначно задається своєю характеристикою і степенем.
Класифікація
Будь-яке скінчене поле має просту характеристику , тому воно містить в собі просте підполе . З аксіом поля випливає, що являє собою скінченновимірнийвекторний простір над розмірності .
Довільний елемент задається своїми координатами відносно певного базису, які належать до . Таким чином, поле складається з елементів. Виявляється, що і навпаки, для даних простого і натурального . існує єдине, не враховуючи автоморфізмів, поле Галуа з елементів, яке має характеристику і позначається .
Властивості
Циклічність мультиплікативної групи
Ненульові елементи поля утворюють групу щодо операції множення, яка називається мультиплікативною групою поля і позначається . Ця група є циклічною, тобто вона має породжуючий елемент, а всі інші елементи отримуються піднесенням до степеня породжуючого[1].
Поле містить в собі як підполе тоді і тільки тоді, коли є дільником [4].
Якщо — незвідний многочлен степеня , то поле містить будь-який його корінь, причому множина усіх його коренів має вигляд . Таким чином, є полем розкладу многочлена над полем [5].
Для кожного скінченного поля та натурального числа добуток усіх нормованих незвідних над многочленів, степінь яких ділить , дорівнює . Зокрема, сума степенів таких многочленів дорівнює [6].
Число нормованих многочленів степеня , незвідних над полем визначається за формулою де — Функція Мебіуса. Це твердження випливає з формули після застосування формули обертання Мебіуса[7].
Приклади
Поле з двох елементів
Поле складається з двох елементів, але воно може бути задано різними способами залежно від вибору елементів і визначення операцій додавання та множення на них:[8]
Як множина з двох чисел «» і «», на якій операції додавання та множення визначені як додавання та множення чисел з приведенням результату по модулю :
Для полем є (якщо замість взяти інший многочлен, то буде нове поле, ізоморфне старому). В наведених нижче таблиця символ означає клас еквівалентності многочлена у фактор-кільці, який задовольняє рівнянню .
Таблиця додавання в визначається, виходячи з відношення :
+
0
1
2
0
0
1
2
1
1
2
0
2
2
0
1
0
1
2
1
2
0
2
0
1
0
1
2
1
2
0
2
0
1
Таблиця множення в визначається з співвідношення :
×
0
1
2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
2
2
0
2
1
0
2
1
0
1
2
0
1
2
0
1
2
0
2
1
0
2
1
Можна перевірити, що елемент має порядок і є примітивним. Елемент не є примітивним, так як (іншими словами, многочлен не є примітивним[en])[9].
Мультиплікативна група поля з 16 елементів
Коли поле задається з допомогою неприводимого многочлена , елементи розширення задаються наборами коефіцієнтів многочлена, який отримується в залишку при діленні на , записаними в порядку зростання степенів. Мультиплікативна група породжується елементом , який записується як (0, 1, 0, 0)[10].
Многочлен
Степінь
(0, 1, 0, 0)
(0, 0, 1, 0)
(0, 0, 0, 1)
(1, 1, 0, 0)
(0, 1, 1, 0)
(0, 0, 1, 1)
(1, 1, 0, 1)
(1, 0, 1, 0)
(0, 1, 0, 1)
(1, 1, 1, 0)
(0, 1, 1, 1)
(1, 1, 1, 1)
(1, 0, 1, 1)
(1, 0, 0, 1)
(1, 0, 0, 0)
Історія вивчення
Початки теорії скінченних полів беруть початок із XVII і XVIII століть. Над цією темою працювали такі вчені, як П'єр Ферма, Леонард Ейлер, Жозеф-Луї Лагранж та Адрієн-Марі Лежандр, яких можна вважати засновниками теорії скінченних полів простого порядку. Однак великий інтерес представляє загальна теорія скінченних полів, що бере свій початок з робіт Гауса та Галуа[11]. До деякого часу ця теорія знаходила застосування лише в алгебрі та теорії чисел, проте згодом були знайдені нові точки дотику з алгебричною геометрією, комбінаторикою та теорією кодування[12].
Внесок Галуа
У 1830 році вісімнадцятирічний Еварист Галуа опублікував працю[13], яка поклала основу загальної теорії скінченних полів. У цій праці Галуа (у зв'язку з дослідженнями перестановок та алгебраїчних рівнянь[14]) запровадив уявний корінь порівняння , де — довільний многочлен степеня , незвідний по модулю . Після цього розглядається загальний вираз , де — деякі цілі числа по модулю . Якщо надавати цим числам різні значення, вираз набуватиме значень. Далі Галуа показав, що ці значення утворюють поле й мультиплікативна група цього поля є циклічною. Таким чином, із цієї праці почались фундаментальні дослідження загальної теорії скінченних полів. На відміну від попередників, які досліджували лише поля , Галуа вивчав уже поля , які назвали полями Галуа на його честь[15].
Насправді, першу працю в цій галузі написав Гаусс приблизно 1797 року, однак за його життя дослідження не було видано. Імовірно, його проігнорував редактор творів Гаусса, тому опублікували цю працю тільки в посмертному виданні 1863 року[16].
Подальший розвиток
У 1893 році математик Еліаким Мур[en] довів теорему про класифікацію скінченних полів, яка стверджує, що будь-яке скінченне поле є полем Галуа, тобто будь-яке поле з елементів ізоморфне полю класів залишків многочленів з коефіцієнтами з по модулю незвідного многочлена степеня [17]. Того ж року першу спробу аксіоматичного підходу до теорії скінченних полів зробив Генріх Мартін Вебер[en], який намагався поєднати в своїй праці визначення, які виникли в різних розділах математики, зокрема, і визначення скінченного поля[18]. Далі у 1905 роціДжозеф Веддерберн[en] довів теорему Веддерберна про те, що будь-яке скінченне тіло — комутативне, тобто, є полем. Сучасне аксіоматичне визначення поля (зі скінченними полями як окремим випадком) належить Ернсту Стейніцу[en] і викладено в його праці 1910 року[19].
↑Evariste Galois (1830), Sur la théorie des nombres. Bulletin des sciences mathématiques de M. Férussac 13, pp 428—435 (1830)
↑Бурбаки Н. Очерки по истории математики. — М. : ИЛ, 1963. — С. 102.
↑Israel Kleiner. A History of Abstract Algebra. — Birkhäuser, 2007. — С. 70. — ISBN 978-0-8176-4684-4.
↑G. Frei. The Unpublished Section Eight: On the Way to Function Fields over a Finite Field. — Goldstein Schappacher Schwermer, 2007. — С. 159-198.
↑Moore, Eliakim Hastings.Архівована копія. — Chicago Congr. Papers, 1896. — С. 208-242. Архівовано з джерела 19 листопада 2015. Процитовано 2016-05-26.
↑H. Weber, "Die allgemeinen Grundlagen der Galois'schen Gleichungstheorie", Mathematische Annalen, vol. 43, 1893, p. 521—549
↑Ernst Steinitz, "Algebraische Theorie der Körper", Journal für die reine und angewandte Mathematik, vol. 137, 1910, p. 167—309 (ISSN 0075-4102)
Лидл Р., Нидеррайтер Г. Конечные поля. В 2-х тт. — М. : Мир, 1998. — 430 с. — ISBN 5-03-000065-8.
Журавлев Ю. И., Флеров Ю. А., Вялый М. Н. Дискретный анализ. Основы высшей алгебры. — 2-е изд. — М. : МЗ Пресс, 2007. — 224 с. — 1000 прим. — ISBN 5-94073-101-5.
Ernst Steinitz.Algebraische Theorie der Körper. — Journal für die reine und angewandte Mathematik, 1910. — Т. 137. — С. 167—309.