שדות - תכונות בסיסיות
הרחבות של שדות
הגדרה: יהיה שדה. הרחבה של היא כינוי לכל שדה המכיל את . לרוב כותבים גם . באופן טבעי הוא מרחב וקטורי מעל . המימד של מעל יסומן ב- (הוא אינו חייב להיות סופי).
דוגמא: היא הרחבת שדות ממימד סופי. היא הרחבת שדות ממימד אינסופי.
טענה: יהיו שדות. אזי .
הרעיון של ההוכחה: אם הוא בסיס ל- כמרחב וקטורי מעל ו- הוא בסיס ל- כמרחב וקטורי מעל אז הקבוצה היא בסיס ל- כמרחב וקטורי מעל והיא בעלת איברים (זה לא טריוויאלי).
תכונה: אם שדה אז כל חיתוך של תתי שדות של הוא גם שדה.
הגדרה: נניח ש- שדה ו- תת שדות של . הקומפוזיטום של הוא תת השדה הקטן ביותר המכיל את . הוא יסומן ב-.
איברים אלגבריים וטרנסצנדנטים
הגדרה: תהי הרחבת שדות ו-. האיבר נקרא אלגברי מעל אם קיים פולינום כך ש-. אם לא קיים פולינום כזה, נקרא טרנסצנדנטי מעל .
דוגמא: הוא אלגברי מעל כי הוא מאפס את . לעומת זאת, ניתן להוכיח כי המספרים הם טרנסצנדנטיים מעל .
הערה: לא קשה להראות כי כמות המספרים המרוכבים האלגבריים מעל היא בת מנייה. לכן, בהכרח קיימים ב- (וגם ב-) איברים טרנסצנדנטיים. (זו הוכחה לא קונסטרוקטיבית לכך שקיימים מספרים טרנצנדנטיים).
דוגמא: יהיה שדה ויהי שדה השברים של . קל לבדוק כי טרנסצנדנטי מעל . למעשה, כל איבר ב- הוא טרנסצנדנטי.
הערה: אם שדות ו- אלגברי מעל אז הוא גם אלגברי מעל . (נובע ישירות ע"י שימוש בהגדרה מכך ש-.)
הגדרה: הרחבת שדות נקראת אלגברית אם כל איבר ב- אלגברי מעל .
סימון: תהי הרחבת שדות ו-. מסמנים .
טענה: תהי הרחבת שדות ו-. אזי אלגברי מעל אם ורק אם המימד של כמרחב וקטורי מעל סופי. במקרה זה שדה.
הוכחה: כוון אחד: נניח ש-. אזי הקבוצה היא בגודל ולכן תלויה לינארית מעל . לכן קיימים , לא כולם 0, כך ש-. אם נגדיר אז ובעצם הראינו . לכן אלגברי מעל .
כוון שני: נניח שקיים כך ש-. נסמן . מספיק להראות ש- קבוצה פורשת (מעל ) ל-. יהי אזי עבור כלשהו. קיימים פולינומים כך ש- וגם . אזי ו- כי .
כדי לראות שבמקרה זה שדה, נשים לב ש- הוא תחום שלמות ממימד סופי מעל ולכן סיימנו הודות לתרגיל הבא:
תרגיל: יהי תחום שלמות ו- שדה כך ש-. אזי שדה. [רמז: לכל ההעתקה היא העתקה לינארית חד חד ערכית (מדוע?).]
מסקנה: אם הרחבת שדות ממעלה סופית (כלומר היא הרחבה אלגברית.
תרגילים - כדי לראות שהבנתם עד עכשיו
תרגיל: תהי הרחבת שדות ו- אלגבריים מעל . הראו כי שדה. הראו כי זה תת השדה הקטן ביותר המכיל את ואת . (הערה: מוגדר באופן אינדוקטיבי ע"י . קיימות גם הגדרות שקולות אחרות.)
תרגיל: תהי הרחבת שדות, אלגבריים מעל ו-. הוכיחו כי הקומפוזיטום של ו- הוא .