feat(algebra1): termina la parte relativa alle estensioni di campo

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Sia $\alpha \in K$. Allora si definisce $K(\alpha)$ Sia $\alpha \in K$. Allora si definisce $K(\alpha)$
come la più piccola estensione di $K$ che contiene come la più piccola estensione di $K$ che contiene
$\alpha$, ossia: $\alpha$, ossia:
\[ K(\alpha) = \bigcap_{\substack{\faktor{F_i}{K} \text{ campo} \\ \alpha \in F_i}} F_i. \] \[ K(\alpha) = \bigcap_{\substack{\faktor{F_i}{K} \text{ campo} \\[0.02in] \alpha \in F_i}} F_i. \]
\end{definition} \end{definition}
\begin{definition}[estensione semplice] \begin{definition}[estensione semplice]
@ -197,6 +197,68 @@
\[ LM = K(\alpha_1, \ldots, \alpha_m, \beta_1, \ldots, \[ LM = K(\alpha_1, \ldots, \alpha_m, \beta_1, \ldots,
\beta_n). \] \beta_n). \]
\end{remark} \end{remark}
\begin{theorem}[delle torri algebriche]
Siano $K \subseteq L \subseteq F$ campi. Allora $\faktor{F}{K}$ è un'estensione finita se e solo se
$\faktor{L}{K}$ e $\faktor{F}{L}$ sono estensioni finite. \medskip
In particolare\footnote{Si può generalizzare questa formula ad $F$ spazio vettoriale su $K$ e $L$ con $K \subseteq L$, a patto che $K$ e $L$ siano campi.}, se $\faktor{F}{K}$ è un'estensione finita,
vale che:
\[ [F : K] = [F : L] [L : K]. \]
\end{theorem}
\begin{proof}
Se $\faktor{F}{K}$ è un'estensione finita, allora a
maggior ragione $\faktor{L}{K}$ è un'estensione finita
dal momento che $L$ è un $K$-sottospazio vettoriale di
$F$, che è un $K$-spazio vettoriale. Inoltre,
anche $\faktor{F}{L}$ è un'estensione finita, dacché
una base di $\faktor{F}{K}$ è un insieme di generatori
su $\faktor{F}{L}$, dal momento che $K \subseteq L$. \medskip
Si mostra adesso che se $\faktor{L}{K}$ e $\faktor{F}{L}$ sono estensioni finite, allora $F$ è uno spazio
finito-dimensionale su $K$ e vale che:
\[ [F : K] = [F : L] [L : K]. \]
Siano $[F : L] = m$ e $[L : K] = n$. Sia
$\BB_F = (f_1, \ldots, f_m)$ una base
di $F$ su $L$, e sia $\BB_L = (l_1, \ldots, l_n)$ una
base di $L$ su $K$. \\
Si dimostra che la seguente è una base di $F$ su $K$:
\[\BB_F \BB_L = \{ f_1 l_1, \ldots, f_1 l_n, \ldots, f_m l_n\}, \]
dove si osserva che $\abs{\BB_F \BB_L} = [F : L] [L : K]$.
Si mostra innanzitutto che $\BB_F \BB_L$ è un insieme
di generatori. Sia $f \in F$.
Allora si può scrivere $f$ come combinazione lineare
finita con scalari in $L$:
\[f = \sum_{i=1}^m \beta_i f_i.\]
A sua volta, allora, si può scrivere ogni $\beta_i \in L$
come combinazione lineare finita con scalari in $K$:
\[\beta_i = \sum_{j=1}^n \gamma_j^{(i)} l_j.\]
Combinando queste due identità, si verifica che
$\BB_F \BB_L$ genera $F$ come $K$-spazio vettoriale:
\[ f = \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n \gamma_j^{(i)} \, l_j f_i. \]
Infine, si verifica che $\BB_F \BB_L$ è un insieme linearmente
indipendente. Si consideri l'equazione:
\[ \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n \gamma_j^{(i)} \, l_j f_i = \sum_{i=1}^m \left(\sum_{j=1}^n \gamma_j^{(i)} l_j \right) f_i = 0. \]
Poiché $\BB_F$ è linearmente indipendente, si deduce
che:
\[ \sum_{j=1}^n \gamma_j^{(i)} l_j = 0. \]
Tuttavia, $\BB_L$ è a sua volta linearmente indipendente,
e quindi $\gamma_j^{(i)} = 0$, $\forall i, j$. Dunque
$\BB_F \BB_L$ è linearmente indipendente, e quindi è
una base dacché è anche un insieme di generatori per
$F$ come $K$-spazio vettoriale. Pertanto $F$ è un'estensione
finita di $K$ e vale la tesi.
\end{proof}
\begin{proposition} \begin{proposition}
Siano $L$ e $M$ due campi tali per cui Siano $L$ e $M$ due campi tali per cui
@ -256,26 +318,28 @@
(se $\alpha \neq 0$) e $\beta\inv$ (se $\beta \neq 0$) sono elementi algebrici di $K$, (se $\alpha \neq 0$) e $\beta\inv$ (se $\beta \neq 0$) sono elementi algebrici di $K$,
e quindi $A$ è un campo, e a maggior ragione un'estensione algebrica di $K$. e quindi $A$ è un campo, e a maggior ragione un'estensione algebrica di $K$.
\end{proof} \end{proof}
Le estensioni finite sono completamente caratterizzate
in qualità di estensioni finitamente generate da elementi
algebrici sul campo di riferimento, come mostra la:
\begin{proposition} \begin{proposition}
Se $K \subseteq L \subseteq F$ è una torre di $\faktor{L}{K}$ è un'estensione finita se e solo se
estensioni e $\faktor{L}{K}$ è algebrica così è un'estensione finitamente generata da elementi algebrici.
come $\faktor{F}{L}$, allora anche
$\faktor{F}{K}$ è algebrica.
\end{proposition} \end{proposition}
\begin{proof} \begin{proof}
Sia $f \in F$. Allora, poiché $F$ è Se $L$ è un'estensione finita su $K$, allora esiste una
algebrico su $L$, esistono $l_0$, \ldots, base finita $\basis = \{l_1, \ldots, l_n\} \subseteq L$
$l_n \in L$ tali per cui, detto tale per cui $L = K(l_1, \ldots, l_n)$. Poiché $L$ è
$p(x) = l_n x^n + \ldots + l_1 x + l_0 \in L[x]$, un'estensione finita, $L$ è anche algebrica, e quindi
vale che $p(f) = 0$. In particolare $f$ è $\basis$ è composta da elementi algebrici su $K$. Pertanto
algebrico su $K(l_n, \ldots, l_0)$, e quindi $L$ è un'estensione finitamente generata da elementi algebrici
$K(l_n, \ldots, l_0, f)$ è un'estensione finita su $K$. \medskip
su $K(l_n, \ldots, l_0)$. \medskip
Sia ora $L = K(l_1, \ldots, l_n)$ con $l_i$ elemento algebrico
Chiaramente $K(l_n, \ldots, l_0)$ è un'estensione su $K$. Allora, per il teorema delle torri algebriche,
$L$ è un'estensione
finita su $K$ dal momento che questi due campi sono finita su $K$ dal momento che questi due campi sono
i due estremi della seguente torre di estensioni: i due estremi della seguente torre di estensioni:
\[\begin{tikzcd} \[\begin{tikzcd}
@ -289,21 +353,88 @@
\arrow[no head, from=3-1, to=4-1] \arrow[no head, from=3-1, to=4-1]
\arrow[no head, from=4-1, to=5-1] \arrow[no head, from=4-1, to=5-1]
\end{tikzcd}\] \end{tikzcd}\]
Infatti ogni campo della torre è un'estensione dove ogni campo interno della torre è un'estensione
finita del sottocampo corrispondente dal momento finita del sottocampo corrispondente dal momento
che $\faktor{L}{K}$ è un'estensione algebrica\footnote{ che $\faktor{L}{K}$ è un'estensione algebrica, da
In particolare questo dimostra che un'estensione cui la tesi.
algebrica e finitamente generata è anche \end{proof}
finita. Si può generalizzare il risultato
mostrando che un'estensione è finita se e solo \begin{proposition}
se finitamente generata da elementi algebrici. Sia $K \subseteq L \subseteq F$ una torre di
}. \medskip estensioni. Allora $\faktor{F}{K}$ è un'estensione
algebrica se e solo se lo sono sia $\faktor{L}{K}$
che $\faktor{F}{L}$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Se $\faktor{F}{K}$ è un'estensione algebrica,
a maggior ragione $\faktor{F}{L}$ è
algebrica, dal momento che ogni elemento $f \in K$ è
radice di un polinomio a coefficienti in $K$, e
quindi, in particolare, di un polinomio a coefficienti in
$L$. Allora stesso tempo, ogni elemento di $L$ è un
elemento di $F$, e quindi tale elemento è ancora algebrico
su $K$, e così anche $\faktor{L}{K}$ è un'estensione
algebrica. \medskip
Siano $\faktor{L}{K}$ e $\faktor{F}{L}$
estensioni algebriche. Sia $f \in F$. Allora, poiché $F$ è
algebrico su $L$, esistono $l_0$, \ldots,
$l_n \in L$ tali per cui, detto
$p(x) = l_n x^n + \ldots + l_1 x + l_0 \in L[x]$,
vale che $p(f) = 0$. In particolare $f$ è
algebrico su $K(l_n, \ldots, l_0)$, e quindi
$K(l_n, \ldots, l_0, f)$ è un'estensione finita
su $K(l_n, \ldots, l_0)$. \medskip
Chiaramente anche $K(l_n, \ldots, l_0)$ è un'estensione
finita su $K$ dal momento che è finitamente generata
da elementi algebrici su $K$, dacché $L$ è un'estensione
algebrica su $K$. \medskip
Per il teorema delle torri algebriche, allora Per il teorema delle torri algebriche, allora
$K(l_n, \ldots, l_0, f)$ è un'estensione finita $K(l_n, \ldots, l_0, f)$ è un'estensione finita
di $K$. Dal momento allora che $K(f) \subseteq K(l_n, \ldots, l_0, f)$, anche questa è un'estensione finita, su $K$. Dal momento allora che $K(f) \subseteq K(l_n, \ldots, l_0, f)$, anche questa è un'estensione finita,
e quindi $f$ è algebrico, da cui la tesi. e quindi $f$ è algebrico. Pertanto si conclude che
$\faktor{F}{K}$ è un'estensione algebrica, da cui
la tesi.
\end{proof}
Infine, si presenta un risultato interessante che lega
l'algebricità di $\faktor{L}{K}$ e $\faktor{M}{K}$ a quella
di $\faktor{LM}{K}$:
\begin{proposition}
Siano $K \subseteq L$, $M$. Allora le estensioni
$\faktor{L}{K}$ e $\faktor{M}{K}$ sono algebriche se
e solo se $\faktor{LM}{K}$ è algebrica.
\end{proposition}
\begin{proof}
Siano $\faktor{L}{K}$ e $\faktor{M}{K}$ algebriche.
Sia $\alpha \in LM = L(M)$. Dal momento che $L(M)$ è un
$L$-spazio vettoriale i cui vettori sono gli elementi di
$M$, allora $\alpha$ può scriversi
come combinazione lineare finita di elementi in $M$ con
coefficienti in $L$, ossia:
\[ \alpha = \sum_{i=1}^n \lambda_i m_i. \]
Poiché $L$ e $M$ sono estensioni algebriche su $K$,
$K' := K(\lambda_1, \ldots, \lambda_n, m_1, \ldots, m_n)$ è
un'estensione finitamente generata da elementi algebrici
ed è pertanto finita su $K$. Poiché $K(\alpha) \subseteq
K'$, $K(\alpha)$ è un'estensione finita su $K$ e dunque
$\alpha$ è algebrico su $K$. Pertanto $LM$ è un'estensione
algebrica su $K$. \medskip
Se $\faktor{LM}{K}$ è un'estensione algebrica, allora
in particolare ogni elemento di $L$, che appartiene a $L$,
è algebrico su $K$, e così $\faktor{L}{K}$ è un'estensione
algebrica. Analogamente lo è anche $\faktor{M}{K}$, da cui
la tesi.
\end{proof} \end{proof}
\end{document} \end{document}
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