\documentclass[12pt]{scrartcl} \usepackage{notes_2023} \begin{document} \title{Estensioni normali e gruppo di Galois} \maketitle \begin{note} Per $K$, $L$ ed $F$ si intenderanno sempre dei campi. Se non espressamente detto, si sottintenderà anche che $K \subseteq L$, $F$, e che $L$ ed $F$ sono estensioni costruite su $K$. Per $[L : K]$ si intenderà $\dim_K L$, ossia la dimensione di $L$ come $K$-spazio vettoriale. Per scopi didattici, si considerano solamente campi perfetti, e dunque estensioni che sono sempre separabili, purché non esplicitamente detto diversamente. \end{note} \bigskip Si introduce adesso il fondamentale concetto di \textit{estensione normale}, prerequisito per introdurre a sua volta la teoria di Galois. \begin{definition}[estensione normale] Un'estensione algebrica $\faktor{L}{K}$ si dice \textbf{normale} se per ogni $K$-immersione $\varphi : L \to \overline{K}$ vale che $\varphi(L) = L$. \end{definition} Questa definizione viene immediatamente caratterizzata attraverso i coniugati dei suoi elementi, come mostra la: \begin{proposition} Sono equivalenti i seguenti fatti: \begin{enumerate}[(i)] \item $\faktor{L}{K}$ è un'estensione normale, \item Per ogni $\alpha \in \faktor{L}{K}$, ogni coniugato di $\alpha$ appartiene a $L$, \item $\faktor{L}{K}$ è il campo di spezzamento di una famiglia di polinomi di $K[x]$. \end{enumerate} \end{proposition} \begin{proof} Si mostra l'equivalenza delle proprietà: \begin{itemize} \item[$(i)\implies (ii)\;$] Sia $\varphi : L \to \overline{K}$ una $K$-immersione di $L$. Allora, poiché $L$ è normale su $K$, $\varphi(L) = L$. Sia $\alpha \in L \setminus K$. Dal momento che $K \subseteq K(\alpha) \subseteq L$, $\restr{\varphi}{K(\alpha)}$ è in particolare una $K$-immersione di $K(\alpha)$, e quindi deve associare ad $\alpha$ un suo coniugato. Dal momento però che $\varphi(\alpha) \in L$, questo significa che ogni coniugato di $\alpha$ appartiene ad $L$. \item[$(ii)\implies (iii)\;$] Sia $\mathcal{F}$ la famiglia dei polinomi minimi degli elementi di $\faktor{L}{K}$. Si dimostra che $L$ è il campo di spezzamento di $\mathcal{F}$ su $K$. Chiaramente $\mathcal{F} \subseteq L$, dal momento che $L$ contiene una radice per ipotesi di ogni polinomio minimo, e per (ii) contiene tutti i suoi coniugati (e dunque tutte le radici di ogni polinomio della famiglia $\mathcal{F}$). Inoltre vale anche che $L \subseteq \mathcal{F}$, dal momento che ogni elemento di $L$ è radice di un polinomio di $\mathcal{F}$, per costruzione. Pertanto $L = \mathcal{F}$. \item[$(iii)\implies (i)\;$] Sia $\varphi : L \to \overline{K}$ una $K$-immersione di $L$. Sia $\alpha \in L \setminus K$.Dal momento per che $L$ è campo di spezzamento di una famiglia $\mathcal{F}$ di polinomi, $L$ è generato dalle radici di $\mathcal{F}$. Per ogni $\alpha$ generatore di $L$, allora, $\varphi$ deve mappare $\alpha$ ad un suo coniugato, ancora appartenente ad $L$ dacché $\mathcal{F}$ è campo di spezzamento. Pertanto $\varphi(\alpha) \in L$. Allora, dal momento che $L$ è generato dalle radici di $\mathcal{F}$, ogni suo elemento viene ancora mappato ad un elemento di $L$, e quindi $\faktor{L}{K}$ è un'estensione normale. \end{itemize} \end{proof} \begin{remark} Per esempio, $\faktor{\QQ(\sqrt[3]{2})}{\QQ}$ non è normale, dal momento che $\sqrt[3]{2} \zeta_3$, un coniugato di $\sqrt[3]{2}$, non appartiene a $\QQ(\sqrt[3]{2})$. Al contrario, $\faktor{\QQ(\zeta_3)}{\QQ}$ è normale, dal momento che l'unico coniugato di $\zeta_3$ è $\zeta_3^2$. \end{remark} Dimostriamo inoltre che le estensioni di grado $2$ sono sempre normali, come mostra la: \begin{proposition} Sia $\faktor{L}{K}$ un'estensione di grado $2$. Allora $L$ è normale su $K$, se $\Char K \neq 2$. \end{proposition} \begin{proof} Chiaramente $L$ è un'estensione algebrica di $K$, essendo finita. Sia\footnote{ $L$ è di grado $2$ su $K$, e quindi $K$ deve essere un suo sottinsieme proprio. } allora $\alpha \in L \setminus K$. Dal momento che $\alpha \notin K$, $[K(\alpha) : K] = 2$, e quindi $L = K(\alpha)$. Inoltre $\deg_K \alpha = 2$, pertanto, poiché $\Char K \neq 2$, esiste un polinomio irriducibile $p(x) = x^2 + bx + c$ con $b$, $c \in K$ di cui $\alpha$ è radice. In particolare, $\alpha$, $\overline{\alpha} = \frac{-b \pm \sqrt{\Delta}}{2}$, dove $\overline{\alpha}$ il coniugato di $\alpha$. Allora $\alpha$, $\overline{\alpha} \in K(\sqrt{\Delta})$. Dal momento allora che $L = K(\alpha) = K(\sqrt{\Delta})$, $L$ è campo di spezzamento di $p \in K[x]$, e dunque, per la proposizione precedente, è normale su $K$. \end{proof} Infine, si esplora la normalità su un diagramma di estensioni. \begin{proposition}[normalità nel composto e nell'intersezione] Siano $\faktor{L}{K}$ e $\faktor{M}{K}$ estensioni normali. Allora $\faktor{LM}{K}$ e $\faktor{L \cap M}{K}$ sono a loro volta normali. \[\begin{tikzcd}[column sep=small] && LM \\ \\ L &&&& M \\ \\ && {L \cap M} \\ \\ && K \arrow[no head, from=5-3, to=7-3] \arrow[no head, from=1-3, to=3-5] \arrow[no head, from=1-3, to=3-1] \arrow[no head, from=3-1, to=5-3] \arrow[no head, from=5-3, to=3-5] \arrow[no head, from=1-3, to=5-3] \end{tikzcd}\] \end{proposition} \begin{proof} Chiaramente $LM$ e $L \cap M$ sono estensioni algebriche di $K$, in quanto sia $L$ che $M$ lo sono. Sia $\varphi : LM \to \overline{K}$ una $K$-immersione di $LM$. Allora $\varphi(LM) = \varphi(L(M)) = L(\varphi(M)) = L(M) = LM$, e quindi $LM$ è normale su $K$. Analogamente, se $\varphi : L \cap M \to \overline{K}$ è una $K$-immersione di $L \cap M$, $\varphi(L \cap M) = \varphi(L) \cap \varphi(M) = L \cap M$, e quindi $L \cap M$ è normale su $K$. \end{proof} \begin{proposition} Sia $K \subseteq F \subseteq L$ una torre di campi. Allora $\faktor{L}{K}$ normale $\implies$ $\faktor{L}{F}$ normale. \end{proposition} \begin{proof} Poiché $L$ è normale su $K$, $L$ è un campo di spezzamento di una famiglia $\mathcal{F}$ di polinomi di $K[x]$. A maggior ragione, allora, $L$ è campo di spezzamento di $\mathcal{F}$ come polinomi di $F[x]$, e quindi è normale anche su $F$. \end{proof} \medskip Si può adesso introdurre la teoria di Galois introducendo prima l'insieme $\Aut_K L$ e poi il gruppo $\Gal(\faktor{L}{K})$. \begin{definition} Si definisce l'insieme $\Aut_K L$ come l'insieme delle $K$-immersioni di $L$, ossia delle immersioni $\varphi : L \to \overline{K}$ tali per cui $\restr{\varphi}{K} = \Id_K$. \end{definition} Se $L$ è normale su $K$, le immersioni di $\Aut_K L$ possono essere ristrette al codominio su $L$ (infatti $\varphi(L) = L$ per definizione) e sono tali per cui mandano gli elementi di $L$ nei loro coniugati su $K$. Inoltre, se $L$ è un'estensione finita di $K$, la separabilità di $L$ garantisce che\footnote{ In generale, se $L$ è un'estensione finita e normale di $K$, $\abs{\Aut_K L} = [L : K]$ se e solo se $L$ separabile su $K$. } $\abs{\Aut_K L} = [L : K]$. Pertanto, riducendoci a considerare le estensioni normali e separabili di $K$, ogni immersione, ristretta opportunamente sul codominio, ammette un inverso, e quindi si può considerare $\Aut_K L$ come gruppo sulla composizione, denotato come $\Gal(\faktor{L}{K})$. Tali estensioni sono speciali, e vengono pertanto dette \textit{di Galois}. \begin{definition}[estensioni di Galois] Si dice che $\faktor{L}{K}$ è un'\textbf{estensione di Galois} se $L$ è sia normale che separabile su $K$. \end{definition} \begin{definition}[gruppo di Galois di $\faktor{L}{K}$] Si definisce il gruppo di Galois di $\faktor{L}{K}$, denotato come $\Gal(\faktor{L}{K})$, il gruppo rispetto alla composizione delle immersioni di $\Aut_K L$ ristrette sul codominio a $L$. \end{definition} La maggior parte dei teoremi della teoria di Galois si fondano particolarmente sul fatto che il gruppo di Galois di un campo di spezzamento di un irriducibile $f$ agisce sulle radici di $f$, come mostra la: \begin{proposition} Sia $f(x) \in K[x]$ un irriducibile. Allora, se $L$ è il suo campo di spezzamento, $\Gal(\faktor{L}{K})$ agisce fedelmente e transitivamente sulle radici di $L$. Pertanto $\Gal(\faktor{L}{K}) \mono S_n$, dove $n = [L : K] = \deg f(x)$, e quindi $n \mid [L : K] \mid n!$. \end{proposition} \begin{proof} Si consideri l'azione $\Xi : \Gal(\faktor{L}{K}) \to S(\{ \alpha_1, \ldots, \alpha_n \})$ tale per cui $\varphi \xmapsto{\Xi} [\alpha_i \mapsto \varphi(\alpha_i)]$, dove\footnote{ Si ricorda l'ipotesi di $K$ campo perfetto; pertanto $f(x)$ è separabile. } le $\alpha_i$ sono le radici distinte di $f(x)$. Allora chiaramente $n \mid [L : K]$, dal momento che $[K(\alpha_1) : K] = n$ e $K(\alpha_1) \subseteq L$. \medskip Inoltre $\Xi$ è un'azione fedele dacché $\Ker \Xi$ è banale. Infatti l'unica $K$-immersione che fissa ogni radice è necessariamente l'identità. Allora $\Xi$ è un'immersione di $\Gal(\faktor{L}{K})$ in $S(\{ \alpha_1, \ldots, \alpha_n \}) \cong S_n$, e quindi $[L : K] = \abs{\Gal(\faktor{L}{K})} \mid n!$. Infine, esiste sempre una $K$-immersione di $L$ che mappa un qualsiasi $\alpha_i$ ad un altro $\alpha_j$, purché $i \neq j$. Pertanto $\Gal(\faktor{L}{K})$ agisce transitivamente sulle radici di $f(x)$. \end{proof} \end{document}