Page 1 of 1

Pole nekonečnej charakteristiky obsahuje $\mathbb Q$

Posted: Thu May 17, 2018 1:29 pm
by Martin Sleziak
V časti o charakteristike poľa (ktorú som nechal na samostatné doštudovanie) je aj výsledok, kde sa ukazuje, že:
  • Ak $F$ má nekonečnú charakteristiku, tak existuje injektívny homomorfizmus z $\mathbb Q$ do $F$.
  • Ak $F$ má charakteristiku $p$, tak existuje injektívny homomorfizmus z $\mathbb Z_p$ do $F$.


Inak povedané, každé pole obsahuje podpole izomorfné s $\mathbb Q$ alebo podpole izomorfné s niektorým $\mathbb Z_p$.

Tak ako je dôkaz napísaný v súčasnej verzii poznámok sa na konci odvolávam o vetu z časti o podielovom poli. Ale dá sa ľahko zaobísť aj bez takejto všeobecnej vety.

Týka sa to záverečnej časti dôkazu. Konkrétne sme v situácii, že už sme ukázali existenciu injektívneho homomorfizmu $\varphi\colon\mathbb Z\to F$. Chceme ukázať, že existuje potom aj injektívny homomorfizmus $\overline\varphi\colon\mathbb Q\to F$.

Môžete sa skúsiť zamyslieť, či to viete dokázať sami, ale dôkaz napíšem aj sem.

Najprv čo vlastne máme dokázať:
Spoiler:
Ak máme racionálne číslo $\frac ab$, tak vlastne jediná rozumná možnosť vyzerá byť
$$\overline\varphi\left(\frac ab\right)=\varphi(a)\varphi(b)^{-1}.$$

Mali by sme overiť, že:
1. Toto zobrazenie je dobre definované. (Ak racionálne číslo $a/b$ reprezentujem ako iný zlomok, tak dostanem tú istú hodnotu.)
2. Toto zobrazenie je homomorfizmus.
3. Toto zobrazenie je injektívne.
Tu je to rozpísané detailnejšie:
Spoiler:
Zobrazenie $\overline\varphi$ je dobre definované.
Ak máme nejaké racionálne číslo reprezentované dvoma zlomkami, t.j. $\frac ab=\frac cd$, tak musí platiť $ad=bc$.
Z toho dostaneme
\begin{align*}
\varphi(ad)&=\varphi(bc) \\
\varphi(a)\varphi(d)&=\varphi(b)\varphi(c) \\
\varphi(a)\varphi(b)^{-1}&=\varphi(c)\varphi(d)^{-1} \\
\overline\varphi\left(\frac ab\right) &= \overline\varphi\left( \frac cd \right)
\end{align*}

Zobrazenie $\overline\varphi$ je homomorfizmus.
T.j. chceme overiť, či zachováva súčet a súčin.
\begin{align*}
\overline\varphi\left(\frac ab+\frac cd\right)
&= \overline\varphi\left(\frac{ad+bc}{bd}\right) \\
&= \varphi(ad+bc)\varphi(bd)^{-1} \\
&= (\varphi(ad)+\varphi(bc))\varphi(bd)^{-1} \\
&= (\varphi(a)\varphi(d)+\varphi(b)\varphi(c))\varphi(b)^{-1}\varphi(d)^{-1} \\
&= \varphi(a)\varphi(d)\varphi(b)^{-1}\varphi(d)^{-1}+\varphi(b)\varphi(c)\varphi(b)^{-1}\varphi(d)^{-1} \\
&= \varphi(a)\varphi(b)^{-1} + \varphi(c)\varphi(d)^{-1} \\
&= \overline\varphi\left(\frac ab\right) + \overline\varphi\left(\frac cd\right)
\end{align*}
Overenie bolo síce zdĺhavé, ale azda uvedené úpravy aspoň trochu pripomínajú obyčajné sčitovanie zlomkov.
Pre súčin to pôjde o čosi rýchlejšie.
\begin{align*}
\overline\varphi\left(\frac ab\cdot\frac cd\right)
&= \overline\varphi\left(\frac{ac}{bd}\right) \\
&= \varphi(ac)\varphi(bd)^{-1} \\
&= \varphi(a)\varphi(c)\varphi(b)^{-1}\varphi(d)^{-1} \\
&= \varphi(a)\varphi(b)^{-1}\varphi(c)\varphi(d)^{-1} \\
&= \overline\varphi\left(\frac ab\right) \overline\varphi\left(\frac cd\right)
\end{align*}

Zobrazenie $\overline\varphi$ je injektívne.
Je to nenulový homomorfizmus polí, takže je injektívny
Časom to prepíšem aj v poznámkach tak, aby tam bol dôkaz neodvolávajúci sa na podielové pole. (Keďže medzičasom vypadlo zo štátnicových otázok a už sa neučí.)
Ale zatiaľ ako provizórne riešenie azda postačí, že to je na fóre.