Эндоморфизм Фробениуса

В кольце с простой характеристикой p отображение возводит элементы в p-ю степень

В коммутативной алгебре и теории поля эндоморфизм Фробениуса (в честь Фердинанда Георга Фробениуса ) — это специальный эндоморфизм коммутативных колец с простой характеристикой p , важный класс, включающий конечные поля . Эндоморфизм отображает каждый элемент в его p -ю степень. В определенных контекстах это автоморфизм , но в общем случае это неверно.

Определение

Пусть R — коммутативное кольцо с простой характеристикой p ( например, область целостности положительной характеристики всегда имеет простую характеристику). Эндоморфизм Фробениуса F определяется формулой

Ф ( г ) = г п {\displaystyle F(r)=r^{p}}

для всех r в R. Он учитывает умножение R :

Ф ( г с ) = ( г с ) п = г п с п = Ф ( г ) Ф ( с ) , {\displaystyle F(rs)=(rs)^{p}=r^{p}s^{p}=F(r)F(s),}

и F (1) также равен 1. Более того, он также учитывает добавление R. Выражение ( r + s ) p можно разложить с помощью биномиальной теоремы . Поскольку p является простым числом, оно делит p !, но не любое q ! для q < p ; поэтому оно будет делить числитель , но не знаменатель явной формулы биномиальных коэффициентов

п ! к ! ( п к ) ! , {\displaystyle {\frac {p!}{k!(pk)!}},}

если 1 ≤ kp − 1. Следовательно, коэффициенты всех членов, кроме r p и s p , делятся на p , и, следовательно, они равны нулю. [1] Таким образом

Ф ( г + с ) = ( г + с ) п = г п + с п = Ф ( г ) + Ф ( с ) . {\displaystyle F(r+s)=(r+s)^{p}=r^{p}+s^{p}=F(r)+F(s).}

Это показывает, что F является кольцевым гомоморфизмом .

Если φ  : RS — гомоморфизм колец характеристики p , то

φ ( х п ) = φ ( х ) п . {\displaystyle \varphi (x^{p})=\varphi (x)^{p}.}

Если F R и F S являются эндоморфизмами Фробениуса для R и S , то это можно переписать как:

φ Ф Р = Ф С φ . {\displaystyle \varphi \circ F_{R}=F_{S}\circ \varphi.}

Это означает, что эндоморфизм Фробениуса является естественным преобразованием из тождественного функтора в категории характеристических p- колец в себя.

Если кольцо R является кольцом без нильпотентных элементов, то эндоморфизм Фробениуса инъективен : F ( r ) = 0 означает r p = 0 , что по определению означает, что r нильпотентно порядка не выше p . На самом деле, это необходимо и достаточно, потому что если r является каким-либо нильпотентом, то одна из его степеней будет нильпотентной порядка не выше p . В частности, если R является полем, то эндоморфизм Фробениуса инъективен.

Морфизм Фробениуса не обязательно сюръективен , даже когда R — поле. Например, пусть K = F p ( t ) — конечное поле из p элементов вместе с одним трансцендентным элементом ; эквивалентно, K — поле рациональных функций с коэффициентами в F p . Тогда образ F не содержит t . Если бы он содержал, то существовала бы рациональная функция q ( t )/ r ( t ), p -я степень которой q ( t ) p / r ( t ) p была бы равна t . Но степень этой p -й степени (разница между степенями ее числителя и знаменателя) равна p deg( q ) − p deg( r ) , что кратно p . В частности, она не может быть равна 1, что является степенью t . Это противоречие; поэтому t не содержится в образе F .

Поле K называется совершенным, если оно имеет либо нулевую характеристику, либо положительную характеристику и его эндоморфизм Фробениуса является автоморфизмом. Например, все конечные поля являются совершенными.

Неподвижные точки эндоморфизма Фробениуса

Рассмотрим конечное поле F p . По малой теореме Ферма каждый элемент x из F p удовлетворяет условию x p = x . Эквивалентно, это корень многочлена X pX . Элементы F p , следовательно, определяют p корней этого уравнения, и поскольку это уравнение имеет степень p , оно имеет не более p корней над любым расширением . В частности, если K является алгебраическим расширением F p (таким как алгебраическое замыкание или другое конечное поле), то F p является фиксированным полем автоморфизма Фробениуса K .

Пусть R — кольцо характеристики p > 0. Если R — область целостности, то по тем же соображениям неподвижные точки Фробениуса являются элементами простого поля. Однако, если R не является областью, то X pX может иметь более p корней; например, это происходит, если R = F p × F p .

Аналогичное свойство имеет для конечного поля n- я итерация автоморфизма Фробениуса: каждый элемент из является корнем из , поэтому если K является алгебраическим расширением и F является автоморфизмом Фробениуса K , то неподвижное поле F n равно . Если R является областью, которая является -алгеброй , то неподвижные точки n- й итерации Фробениуса являются элементами образа . Ф п н {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{n}}} Ф п н {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{n}}} Х п н Х {\displaystyle X^{p^{n}}-X} Ф п н {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{n}}} Ф п н {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{n}}} Ф п н {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{n}}} Ф п н {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{n}}}

Итерация отображения Фробениуса дает последовательность элементов в R :

х , х п , х п 2 , х п 3 , . {\displaystyle x,x^{p},x^{p^{2}},x^{p^{3}},\ldots .}

Эта последовательность итераций используется для определения замыкания Фробениуса и плотного замыкания идеала.

Как генератор групп Галуа

Группа Галуа расширения конечных полей порождается итерацией автоморфизма Фробениуса. Сначала рассмотрим случай, когда основное поле является простым полем F p . Пусть F q будет конечным полем из q элементов, где q = p n . Автоморфизм Фробениуса F поля F q фиксирует простое поле F p , поэтому оно является элементом группы Галуа Gal( F q / F p ) . Фактически, поскольку является циклическим с q − 1 элементами , мы знаем, что группа Галуа является циклической, а F является генератором. Порядок F равен n , потому что F j действует на элемент x , отправляя его в x p j , и может иметь только много корней, поскольку мы находимся в поле. Каждый автоморфизм поля F q является степенью F , а генераторами являются степени F i , где i взаимно просто с n . Ф д × {\displaystyle \mathbf {F} _{q}^{\times }} х п дж = х {\displaystyle x^{p^{j}}=x} п дж {\displaystyle p^{j}}

Теперь рассмотрим конечное поле F q f как расширение F q , где q = p n , как и выше. Если n > 1 , то автоморфизм Фробениуса F поля F q f не фиксирует основное поле F q , но его n- я итерация F n фиксирует. Группа Галуа Gal( F q f  / F q ) является циклической порядка f и порождается F n . Это подгруппа Gal( F q f  / F p ) , порождаемая F n . Генераторы Gal( F q f  / F q ) являются степенями F ni , где i взаимно просто с f .

Автоморфизм Фробениуса не является генератором абсолютной группы Галуа

Гал ( Ф д ¯ / Ф д ) , {\displaystyle \operatorname {Гал} \left({\overline {\mathbf {F} _{q}}}/\mathbf {F} _{q}\right),}

поскольку эта группа Галуа изоморфна проконечным целым числам

З ^ = лим н З / н З , {\displaystyle {\widehat {\mathbf {Z}}}=\varprojlim _{n}\mathbf {Z} /n\mathbf {Z},}

которые не являются циклическими. Однако, поскольку автоморфизм Фробениуса является генератором группы Галуа любого конечного расширения F q , он является генератором любого конечного фактора абсолютной группы Галуа. Следовательно, он является топологическим генератором в обычной топологии Крулля на абсолютной группе Галуа.

Фробениус для схем

Существует несколько различных способов определения морфизма Фробениуса для схемы . Наиболее фундаментальным является абсолютный морфизм Фробениуса. Однако абсолютный морфизм Фробениуса плохо себя ведет в относительной ситуации, поскольку он не обращает внимания на базовую схему. Существует несколько различных способов адаптации морфизма Фробениуса к относительной ситуации, каждый из которых полезен в определенных ситуациях.

Пусть φ : XS — морфизм схем, и обозначим абсолютные морфизмы Фробениуса S и X через F S и F X соответственно. Определим X ( p ) как замену базы X с помощью F S . Тогда приведенная выше диаграмма коммутирует, а квадрат является декартовым . Морфизм F X / S является относительным морфизмом Фробениуса.

Абсолютный морфизм Фробениуса

Предположим, что X — схема характеристики p > 0. Выберем открытое аффинное подмножество U = Spec A алгебры X . Кольцо A является F p -алгеброй, поэтому оно допускает эндоморфизм Фробениуса. Если V — открытое аффинное подмножество U , то по естественности Фробениуса морфизм Фробениуса на U , ограниченный на V , является морфизмом Фробениуса на V . Следовательно, морфизм Фробениуса склеивается, давая эндоморфизм X . Этот эндоморфизм называется абсолютным морфизмом Фробениуса схем X , обозначаемым F X . По определению, он является гомеоморфизмом X с самим собой. Абсолютный морфизм Фробениуса — это естественное преобразование из тождественного функтора в категории F p -схем в себя.

Если X является S -схемой, а морфизм Фробениуса S является тождеством, то абсолютный морфизм Фробениуса является морфизмом S -схем. Однако в общем случае это не так. Например, рассмотрим кольцо . Пусть X и S оба равны Spec A , причем структурное отображение XS является тождеством. Морфизм Фробениуса на A переводит a в a p . Это не морфизм -алгебр. Если бы это было так, то умножение на элемент b в коммутировало бы с применением эндоморфизма Фробениуса. Но это неверно, потому что: А = Ф п 2 {\displaystyle A=\mathbf {F} _{p^{2}}} Ф п 2 {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{2}}} Ф п 2 {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{2}}}

б а = б а Ф ( б ) а = б п а . {\displaystyle b\cdot a=ba\neq F(b)\cdot a=b^{p}a.}

Первое — это действие b в структуре -алгебры, с которой начинается A , а второе — это действие, индуцированное Фробениусом. Следовательно, морфизм Фробениуса на Spec A не является морфизмом -схем. Ф п 2 {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{2}}} Ф п 2 {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{2}}} Ф п 2 {\displaystyle \mathbf {F} _{p^{2}}}

Абсолютный морфизм Фробениуса — это чисто неотделимый морфизм степени p . Его дифференциал равен нулю. Он сохраняет произведения, что означает, что для любых двух схем X и Y , F X × Y = F X × F Y .

Ограничение и расширение скаляров по Фробениусу

Предположим, что φ  : XS — структурный морфизм для S -схемы X. Базовая схема S имеет морфизм Фробениуса F S. Композиция φ с F S дает S -схему X F, называемую ограничением скаляров по Фробениусу . Ограничение скаляров на самом деле является функтором, поскольку S -морфизм XY индуцирует S -морфизм X FY F .

Например, рассмотрим кольцо A характеристики p > 0 и конечно представленную алгебру над A :

Р = А [ Х 1 , , Х н ] / ( ф 1 , , ф m ) . {\displaystyle R=A[X_{1},\ldots ,X_{n}]/(f_{1},\ldots ,f_{m}).}

Действие A на R определяется выражением:

c a α X α = c a α X α , {\displaystyle c\cdot \sum a_{\alpha }X^{\alpha }=\sum ca_{\alpha }X^{\alpha },}

где α — мультииндекс. Пусть X = Spec R . Тогда X F — аффинная схема Spec R , но ее структурный морфизм Spec R → Spec A , а значит, и действие A на R , отличается:

c a α X α = F ( c ) a α X α = c p a α X α . {\displaystyle c\cdot \sum a_{\alpha }X^{\alpha }=\sum F(c)a_{\alpha }X^{\alpha }=\sum c^{p}a_{\alpha }X^{\alpha }.}

Поскольку ограничение скаляров по Фробениусу является просто композицией, многие свойства X наследуются X F при соответствующих гипотезах о морфизме Фробениуса. Например, если X и S F оба являются конечными типами, то и X F тоже .

Расширение скаляров по Фробениусу определяется следующим образом:

X ( p ) = X × S S F . {\displaystyle X^{(p)}=X\times _{S}S_{F}.}

Проекция на фактор S делает X ( p ) S -схемой. Если S не ясно из контекста, то X ( p ) обозначается как X ( p / S ) . Подобно ограничению скаляров, расширение скаляров является функтором: S -морфизм XY определяет S -морфизм X ( p )Y ( p ) .

Как и прежде, рассмотрим кольцо A и конечно представленную алгебру R над A , и снова пусть X = Spec R. Тогда:

X ( p ) = Spec R A A F . {\displaystyle X^{(p)}=\operatorname {Spec} R\otimes _{A}A_{F}.}

Глобальное сечение X ( p ) имеет вид:

i ( α a i α X α ) b i = i α X α a i α p b i , {\displaystyle \sum _{i}\left(\sum _{\alpha }a_{i\alpha }X^{\alpha }\right)\otimes b_{i}=\sum _{i}\sum _{\alpha }X^{\alpha }\otimes a_{i\alpha }^{p}b_{i},}

где α — мультииндекс, а каждый a и b i — элемент A. Действие элемента c из A на этом участке:

c i ( α a i α X α ) b i = i ( α a i α X α ) b i c . {\displaystyle c\cdot \sum _{i}\left(\sum _{\alpha }a_{i\alpha }X^{\alpha }\right)\otimes b_{i}=\sum _{i}\left(\sum _{\alpha }a_{i\alpha }X^{\alpha }\right)\otimes b_{i}c.}

Следовательно, X ( p ) изоморфен:

Spec A [ X 1 , , X n ] / ( f 1 ( p ) , , f m ( p ) ) , {\displaystyle \operatorname {Spec} A[X_{1},\ldots ,X_{n}]/\left(f_{1}^{(p)},\ldots ,f_{m}^{(p)}\right),}

где, если:

f j = β f j β X β , {\displaystyle f_{j}=\sum _{\beta }f_{j\beta }X^{\beta },}

затем:

f j ( p ) = β f j β p X β . {\displaystyle f_{j}^{(p)}=\sum _{\beta }f_{j\beta }^{p}X^{\beta }.}

Аналогичное описание справедливо для произвольных A -алгебр R .

Поскольку расширение скаляров является изменением базы, оно сохраняет пределы и копроизведения. Это подразумевает, в частности, что если X имеет алгебраическую структуру, определенную в терминах конечных пределов (например, будучи групповой схемой), то также имеет X ( p ) . Кроме того, быть изменением базы означает, что расширение скаляров сохраняет такие свойства, как быть конечным типом, конечным представлением, раздельным, аффинным и т. д.

Расширение скаляров хорошо себя ведет по отношению к изменению базы: если задан морфизм S ′ → S , то существует естественный изоморфизм:

X ( p / S ) × S S ( X × S S ) ( p / S ) . {\displaystyle X^{(p/S)}\times _{S}S'\cong (X\times _{S}S')^{(p/S')}.}

Относительный Фробениус

Пусть XS - схема со структурным морфизмом φ . Относительный морфизм Фробениуса X — это морфизм:

F X / S : X X ( p ) {\displaystyle F_{X/S}:X\to X^{(p)}}

определяется универсальным свойством отката X ( p ) ( см. диаграмму выше):

F X / S = ( F X , φ ) . {\displaystyle F_{X/S}=(F_{X},\varphi ).}

Поскольку абсолютный морфизм Фробениуса является естественным, относительный морфизм Фробениуса является морфизмом S -схем.

Рассмотрим, например, A -алгебру:

R = A [ X 1 , , X n ] / ( f 1 , , f m ) . {\displaystyle R=A[X_{1},\ldots ,X_{n}]/(f_{1},\ldots ,f_{m}).}

У нас есть:

R ( p ) = A [ X 1 , , X n ] / ( f 1 ( p ) , , f m ( p ) ) . {\displaystyle R^{(p)}=A[X_{1},\ldots ,X_{n}]/(f_{1}^{(p)},\ldots ,f_{m}^{(p)}).}

Относительный морфизм Фробениуса — это гомоморфизм R ( p )R, определяемый формулой:

i α X α a i α i α a i α X p α . {\displaystyle \sum _{i}\sum _{\alpha }X^{\alpha }\otimes a_{i\alpha }\mapsto \sum _{i}\sum _{\alpha }a_{i\alpha }X^{p\alpha }.}

Относительный Фробениус совместим с заменой основания в том смысле, что при естественном изоморфизме X ( p / S ) × S S и ( X × S S ′) ( p / S ′) мы имеем:

F X / S × 1 S = F X × S S / S . {\displaystyle F_{X/S}\times 1_{S'}=F_{X\times _{S}S'/S'}.}

Относительный Фробениус является универсальным гомеоморфизмом. Если XS является открытым погружением, то оно является тождественным. Если XS является замкнутым погружением, определяемым пучком идеалов I из O S , то X ( p ) определяется пучком идеалов I p , а относительный Фробениус является отображением аугментации O S / I pO S / I .

X неразветвлен над S тогда и только тогда, когда F X / S неразветвлен и тогда и только тогда, когда F X / S является мономорфизмом. X является этальным над S тогда и только тогда, когда F X / S является этальным и тогда и только тогда, когда F X / S является изоморфизмом.

Арифметика Фробениуса

Арифметический морфизм Фробениуса S -схемы X является морфизмом:

F X / S a : X ( p ) X × S S X {\displaystyle F_{X/S}^{a}:X^{(p)}\to X\times _{S}S\cong X}

определяется:

F X / S a = 1 X × F S . {\displaystyle F_{X/S}^{a}=1_{X}\times F_{S}.}

То есть это базовое изменение F S на 1 X .

Опять же, если:

R = A [ X 1 , , X n ] / ( f 1 , , f m ) , {\displaystyle R=A[X_{1},\ldots ,X_{n}]/(f_{1},\ldots ,f_{m}),}
R ( p ) = A [ X 1 , , X n ] / ( f 1 , , f m ) A A F , {\displaystyle R^{(p)}=A[X_{1},\ldots ,X_{n}]/(f_{1},\ldots ,f_{m})\otimes _{A}A_{F},}

тогда арифметика Фробениуса — это гомоморфизм:

i ( α a i α X α ) b i i α a i α b i p X α . {\displaystyle \sum _{i}\left(\sum _{\alpha }a_{i\alpha }X^{\alpha }\right)\otimes b_{i}\mapsto \sum _{i}\sum _{\alpha }a_{i\alpha }b_{i}^{p}X^{\alpha }.}

Если мы перепишем R ( p ) как:

R ( p ) = A [ X 1 , , X n ] / ( f 1 ( p ) , , f m ( p ) ) , {\displaystyle R^{(p)}=A[X_{1},\ldots ,X_{n}]/\left(f_{1}^{(p)},\ldots ,f_{m}^{(p)}\right),}

то этот гомоморфизм имеет вид:

a α X α a α p X α . {\displaystyle \sum a_{\alpha }X^{\alpha }\mapsto \sum a_{\alpha }^{p}X^{\alpha }.}

Геометрический Фробениус

Предположим, что абсолютный морфизм Фробениуса S обратим с обратным . Пусть обозначает S -схему . Тогда существует расширение скаляров X с помощью : F S 1 {\displaystyle F_{S}^{-1}} S F 1 {\displaystyle S_{F^{-1}}} F S 1 : S S {\displaystyle F_{S}^{-1}:S\to S} F S 1 {\displaystyle F_{S}^{-1}}

X ( 1 / p ) = X × S S F 1 . {\displaystyle X^{(1/p)}=X\times _{S}S_{F^{-1}}.}

Если:

R = A [ X 1 , , X n ] / ( f 1 , , f m ) , {\displaystyle R=A[X_{1},\ldots ,X_{n}]/(f_{1},\ldots ,f_{m}),}

тогда расширение скаляров дает: F S 1 {\displaystyle F_{S}^{-1}}

R ( 1 / p ) = A [ X 1 , , X n ] / ( f 1 , , f m ) A A F 1 . {\displaystyle R^{(1/p)}=A[X_{1},\ldots ,X_{n}]/(f_{1},\ldots ,f_{m})\otimes _{A}A_{F^{-1}}.}

Если:

f j = β f j β X β , {\displaystyle f_{j}=\sum _{\beta }f_{j\beta }X^{\beta },}

затем пишем:

f j ( 1 / p ) = β f j β 1 / p X β , {\displaystyle f_{j}^{(1/p)}=\sum _{\beta }f_{j\beta }^{1/p}X^{\beta },}

и тогда существует изоморфизм:

R ( 1 / p ) A [ X 1 , , X n ] / ( f 1 ( 1 / p ) , , f m ( 1 / p ) ) . {\displaystyle R^{(1/p)}\cong A[X_{1},\ldots ,X_{n}]/(f_{1}^{(1/p)},\ldots ,f_{m}^{(1/p)}).}

Геометрический морфизм Фробениуса S -схемы X является морфизмом:

F X / S g : X ( 1 / p ) X × S S X {\displaystyle F_{X/S}^{g}:X^{(1/p)}\to X\times _{S}S\cong X}

определяется:

F X / S g = 1 X × F S 1 . {\displaystyle F_{X/S}^{g}=1_{X}\times F_{S}^{-1}.}

Это изменение базы на 1 X. F S 1 {\displaystyle F_{S}^{-1}}

Продолжая наш пример с A и R , приведенный выше, геометрический Фробениус определяется следующим образом:

i ( α a i α X α ) b i i α a i α b i 1 / p X α . {\displaystyle \sum _{i}\left(\sum _{\alpha }a_{i\alpha }X^{\alpha }\right)\otimes b_{i}\mapsto \sum _{i}\sum _{\alpha }a_{i\alpha }b_{i}^{1/p}X^{\alpha }.}

После переписывания R (1/ p ) в терминах геометрический Фробениус имеет вид: { f j ( 1 / p ) } {\displaystyle \{f_{j}^{(1/p)}\}}

a α X α a α 1 / p X α . {\displaystyle \sum a_{\alpha }X^{\alpha }\mapsto \sum a_{\alpha }^{1/p}X^{\alpha }.}

Арифметика и геометрия Фробениуса как действия Галуа

Предположим, что морфизм Фробениуса S является изоморфизмом. Тогда он порождает подгруппу группы автоморфизмов S . Если S = ​​Spec k — спектр конечного поля, то его группа автоморфизмов является группой Галуа поля над простым полем, а морфизм Фробениуса и его обратный являются генераторами группы автоморфизмов. Кроме того, X ( p ) и X (1/ p ) можно отождествить с X . Арифметические и геометрические морфизмы Фробениуса являются тогда эндоморфизмами X , и поэтому они приводят к действию группы Галуа k на X .

Рассмотрим множество K -точек X ( K ) . Это множество имеет действие Галуа: каждая такая точка x соответствует гомоморфизму O XK из структурного пучка в K , который факторизуется через k(x) , поле вычетов в x , а действие Фробениуса на x является применением морфизма Фробениуса к полю вычетов. Это действие Галуа согласуется с действием арифметического Фробениуса: составной морфизм

O X k ( x ) F k ( x ) {\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}\to k(x){\xrightarrow {\overset {}{F}}}k(x)}

то же самое, что и составной морфизм:

O X F X / S a O X k ( x ) {\displaystyle {\mathcal {O}}_{X}{\xrightarrow {{\overset {}{F}}_{X/S}^{a}}}{\mathcal {O}}_{X}\to k(x)}

по определению арифметики Фробениуса. Следовательно, арифметика Фробениуса явно демонстрирует действие группы Галуа на точки как эндоморфизм X.

Фробениус для локальных полей

Для заданного неразветвленного конечного расширения L/K локальных полей существует концепция эндоморфизма Фробениуса , которая индуцирует эндоморфизм Фробениуса в соответствующем расширении полей вычетов . [2]

Предположим, что L/K — неразветвленное расширение локальных полей с кольцом целых чисел O K поля K, таким, что поле вычетов, целые числа K по модулю их единственного максимального идеала φ , являются конечным полем порядка q , где q — степень простого числа. Если Φ — простое число L, лежащее над φ , то, что L/K неразветвлено, означает по определению, что целые числа L по модулю Φ , поле вычетов L , будут конечным полем порядка q f, расширяющим поле вычетов K , где f — степень L / K. Мы можем определить отображение Фробениуса для элементов кольца целых чисел O L поля L как автоморфизм s Φ поля L, такой, что

s Φ ( x ) x q mod Φ . {\displaystyle s_{\Phi }(x)\equiv x^{q}\mod \Phi .}

Фробениус для глобальных полей

В алгебраической теории чисел элементы Фробениуса определяются для расширений L / K глобальных полей , которые являются конечными расширениями Галуа для простых идеалов Φ поля L , которые не разветвлены в L / K. Поскольку расширение не разветвлено, группа разложения Φ является группой Галуа расширения полей вычетов. Элемент Фробениуса тогда может быть определен для элементов кольца целых чисел поля L, как в локальном случае, с помощью

s Φ ( x ) x q mod Φ , {\displaystyle s_{\Phi }(x)\equiv x^{q}\mod \Phi ,}

где q — порядок поля вычетов O K /(Φ ∩ O K ) .

Лифты Фробениуса соответствуют p-выводам .

Примеры

Многочлен

х 5х − 1

имеет дискриминант

19 × 151 ,

и поэтому неразветвлен в простом числе 3; он также неприводим по модулю 3. Следовательно, присоединение корня ρ из него к полю 3 -адических чисел Q 3 дает неразветвленное расширение Q 3 ( ρ ) поля Q 3 . Мы можем найти образ ρ при отображении Фробениуса, найдя корень, ближайший к ρ 3 , что мы можем сделать методом Ньютона . Мы получаем элемент кольца целых чисел Z 3 [ ρ ] таким образом; это многочлен четвертой степени по ρ с коэффициентами в 3 -адических целых числах Z 3 . По модулю 3 8 этот многочлен равен

ρ 3 + 3 ( 460 + 183 ρ 354 ρ 2 979 ρ 3 575 ρ 4 ) {\displaystyle \rho ^{3}+3(460+183\rho -354\rho ^{2}-979\rho ^{3}-575\rho ^{4})} .

Это алгебраично над Q и является правильным глобальным образом Фробениуса в терминах вложения Q в Q 3 ; более того, коэффициенты являются алгебраическими, и результат может быть выражен алгебраически. Однако они имеют степень 120, порядок группы Галуа, что иллюстрирует тот факт, что явные вычисления гораздо легче выполнить, если p -адических результатов будет достаточно.

Если L/K является абелевым расширением глобальных полей, мы получаем гораздо более сильную конгруэнтность, поскольку она зависит только от простого числа φ в базовом поле K. Для примера рассмотрим расширение Q ( β ) поля Q, полученное присоединением корня β, удовлетворяющего

β 5 + β 4 4 β 3 3 β 2 + 3 β + 1 = 0 {\displaystyle \beta ^{5}+\beta ^{4}-4\beta ^{3}-3\beta ^{2}+3\beta +1=0}

до Q. Это расширение является циклическим пятого порядка с корнями

2 cos 2 π n 11 {\displaystyle 2\cos {\tfrac {2\pi n}{11}}}

для целого числа n . Имеет корни, которые являются полиномами Чебышева от β :

β 2 - 2, β 3 - 3 β , β 5 - 5 β 3 + 5 β

дают результат отображения Фробениуса для простых чисел 2, 3 и 5, и так далее для больших простых чисел, не равных 11 или вида 22 n + 1 (которые распадаются). Сразу видно, как отображение Фробениуса дает результат, равный mod p p -й степени корня β .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Это известно как мечта первокурсника .
  2. ^ Фрёлих, А .; Тейлор, М.Дж. (1991). Алгебраическая теория чисел . Кембриджские исследования в области высшей математики. Том 27. Издательство Кембриджского университета . С. 144. ISBN 0-521-36664-X. Збл  0744.11001.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Frobenius_endomorphism&oldid=1226769762"