\chapter{Teoremi rilevanti sui campi finiti} \section{Campo di spezzamento di un irriducibile in \texorpdfstring{$\FFpp$}{F\_p}} \begin{theorem} Sia $f(x)$ un polinomio irriducibile in $\FFpp$ e sia $n$ il suo grado. Allora $\FFpn$ è il suo campo di spezzamento. \end{theorem} \begin{proof} Dacché $f(x)$ è irriducibile, $\FFpp/((f(x))$ è un campo con $p^n$ elementi, ed è quindi isomorfo a $\FFpn$. \\ Sia $\alpha = x + (f(x))$ una radice di $f(x)$ in $\FFpn$. Dal momento che $f(x)$ è irriducibile in $\FFpp$, esso è il polinomio minimo di $\alpha$. Tuttavia, poiché $\alpha \in \FFpn$, $\alpha$ è anche radice di $x^{p^n}-x$. Pertanto si deduce che $f(x)$ divide $x^{p^n}-x$. \\ Dunque, poiché $x^{p^n}-x$ in $\FFpn$ è prodotto di fattori lineari, tutte le radici di $f(x)$ sono già in $\FFpn$. \\ Inoltre, $\FFpn$ è il più piccolo sottocampo contenente $\alpha$, dacché $\FFpn \cong \FFpp/(f(x)) \cong \FFpp(\alpha)$. Quindi si deduce che $\FFpn$ è un campo di spezzamento per $f(x)$, ossia la tesi. \end{proof} \begin{lemma} \label{lem:frobexp} Sia $f(x)$ un irriducibile di grado $n$ su $\FFpp[x]$ e sia $\alpha$ una sua radice in $\FFpn$. Allora $f(\Frobexp^k(\alpha))=0$, $\forall k \geq 0$ \footnote{$\Frob$ è l'omomorfismo di Frobenius, definito come $\Frob : \FFpp \to \FFpp$, $a \mapsto a^p$.}. \end{lemma} \begin{proof} Sia $f(x) = a_n x^n + \ldots + a_0$ a coefficienti in $\FFpp$. Si dimostra la tesi applicando il principio di induzione su $k$. \\ \ (\textit{passo base})\; $f(\Frobexp^0(\alpha))=f(\alpha)=0$. \\ \ (\textit{passo induttivo})\; Per l'ipotesi induttiva, $f(\Frobexp^{k-1}(\alpha))=0$. Allora, si verifica algebricamente che: \begin{multline*} f(\Frobexp^k(\alpha)) = a_n (\Frobexp^k(\alpha))^n + \ldots + a_0 = \Frob(a_n) \Frob((\Frobexp^{k-1}(\alpha))^n) + \ldots + \Frob(a_0) = \\ \Frob(f(\Frobexp^{k-1}(\alpha))) = \Frob(0) = 0, \end{multline*} \vskip 0.1in dove si è usato che $\Frob(a_i) = a_i$, $\forall 0 \leq i \leq n$, dacché ogni elemento di $\FFpp$ è radice di $x^p-x$. \end{proof} \begin{theorem} Sia $f(x)$ un irriducibile di grado $n$ su $\FFpp[x]$ e sia $\alpha$ una sua radice in $\FFpn$. Allora vale la seguente fattorizzazione in $\FFpn$: \[ f(x) = \prod_{i=0}^{n-1} \left(x - \alpha^{p^i}\right) = \prod_{i=0}^{n-1} \left(x - \Frobexp^i(\alpha)\right), \] \vskip 0.1in dove ogni fattore non è associato. \end{theorem} \begin{proof} Si verifica innanzitutto che vale chiaramente che $\alpha^{p^i} = \Frobexp^i(\alpha)$. Dal momento che $\alpha$ è radice, allora ogni $\alpha^{p^i}$ lo è, per il \lemref{lem:frobexp}. \\ Affinché tutti i fattori della moltiplicazione non siano associati è sufficiente dimostrare che $n$ è il più piccolo esponente $j$ per cui $\Frobexp^j(\alpha)=\alpha$. Infatti, siano $\Frobexp^i(\alpha)=\Frobexp^j(\alpha)$ con $0\leq j < i < n$, allora, applicando più volte $\Frob$, si ricava che: \[ \Frobexp^n(\alpha)=\Frobexp^{j+n-i}(\alpha) \implies \Frobexp^{j+n-i}(\alpha)= \alpha, \] \vskip 0.1in che è assurdo, dacché $j < i < n \implies j+n-i < n$, \Lightning{}. \\ Innanzitutto, si verifica che $\Frobexp^{n}(\alpha)=\alpha^{p^n}=\alpha$, dacché $\alpha \in \FFpn$. Infine, sia $t$ il più piccolo esponente $j$ per cui $\Frobexp^j(\alpha)=\alpha$. Se $j$ fosse minore di $n$, $\alpha$ sarebbe radice di $x^{p^t}-x$. Tuttavia questo è assurdo, dal momento che così $\alpha$ apparterrebbe a $\FFp{t} \neq \FFpn$, quando invece il più piccolo campo che lo contiene è $\FFpp(\alpha) \cong \FFpp[x]/(f(x)) \cong \FFpn$, \Lightning{}. \end{proof} \section{L'inclusione \texorpdfstring{$\FFpm \subseteq \FFpn$}{F\_(p\string^m) in F\_(p\string^n)} e il polinomio \texorpdfstring{$x^{p^n}-x$}{x\string^(p\string^n)-x}} \begin{lemma} \label{lem:alpha_radice} Sia $\alpha$ una radice di $x^{p^d}-x$ con $d \mid n$. Allora $\alpha$ è anche una radice di $x^{p^n}-x$. \end{lemma} \begin{proof} Sia $s \in \NN$ tale che $n=ds$. Si verifica la tesi applicando il principio di induzione su $k \in \NN$. \\ \ (\textit{passo base})\; Per ipotesi, $\alpha^{p^d}=\alpha$. \\ \ (\textit{passo induttivo})\; Per ipotesi induttiva, $\alpha^{p^{(k-1)d}}=\alpha$. Allora si ricava che: \[ \alpha^{p^{(k-1)d}}=\alpha \implies \alpha^{p^{kd}}=\alpha^{p^d}=\alpha. \] \vskip 0.1in In particolare, $\alpha^{p^n} = \alpha^{p^{ds}} = \alpha$, da cui la tesi. \end{proof} \begin{theorem} \label{th:inclusione} $\FFpm \subseteq \FFpn$ se e solo se $m \mid n$. \end{theorem} \begin{proof} Si dimostrano le due implicazioni separatamente. \\ \ ($\implies$)\; Dal momento che $\FFpm \subseteq \FFpn$, si ricava la seguente catena di estensioni: \[ \FFpp \subseteq \FFpm \subseteq \FFpn, \] \vskip 0.1in dalla quale, applicando il \textit{Teorema delle Torri Algebriche}, si desume la seguente equazione: \[ \underbrace{[\FFpn : \FFpp]}_n = [\FFpn : \FFpm] \underbrace{[\FFpm : \FFpp]}_d, \] e quindi che $m$ divide $n$. \\ \ ($\,\Longleftarrow\,\,$)\; Sia $m \mid n$. Si consideri $\alpha \in \FFpm$. $\alpha$ è sicuramente radice di $x^{p^m}-x$, e poiché $m$ divide $n$, è anche radice di $x^{p^n}-x$, per il \lemref{lem:alpha_radice}. Allora $\alpha$ appartiene al campo di spezzamento di $x^{p^n}-x$ su $\FFpp$, ossia $\FFpn$. Pertanto $\FFpm \subseteq \FFpn$. \\ \end{proof} \begin{corollary} $\forall 1 \leq i \leq n$. Allora, detta $m_i$ il grado di $g_i(x)$, il campo di spezzamento di $f(x)$ è $\FFp{k}$, dove $k = \mcm(m_1, m_2, \ldots, m_n)$. \end{corollary} \begin{proof} Il campo di spezzamento di $f(x)$ è il più piccolo campo rispetto all'inclusione che ne contenga tutte le radici, ossia il più piccolo campo che contenga $\FFp{m_1}$, $\FFp{m_2}$, $\ldots,\, \FFp{m_n}$. Si dimostra che tale campo è proprio $\FFp{k}$. \\ Innanzitutto $\FFp{k}$, per il \thref{th:inclusione}, contiene tutti i campi di spezzamento dei fattori irriducibili di $f(x)$, dacché $m_i$ divide $k$ $\forall 1 \leq i \leq n$. \\ Sia supponga esista adesso un altro campo $\FFp{t} \subseteq \FFp{k}$ con tutte le radici. Sicuramente $t \mid k$, per il \thref{th:inclusione}. Inoltre, dal momento che dovrebbe includere ogni campo $\FFp{m_i}$, sempre per il \thref{th:inclusione}, $m_i$ divide $t$ $\forall 1 \leq i \leq n$. \\ Allora $t$ è un multiplo comune di tutti i $m_i$, e quindi $k$, in quanto minimo comune multiplo, lo divide. Si conclude allora che $t = k$, e quindi che $\FFp{k}$ è un campo di spezzamento di $f(x)$. \end{proof} \begin{theorem} $x^{p^n}-x$ è il prodotto di tutti i polinomi irriducibili in $\FFpp$ di grado divisore di $n$. \end{theorem} \begin{proof} La proposizione è equivalente a affermare che ogni polinomio irriducibile in $\FFpp$ ha grado divisore di $n$ se e solo se divide $x^{p^n}-x$. Si dimostrano le due implicazioni separatamente. \\ \ ($\implies$)\; Sia $f(x)$ un polinomio irriducibile in $\FFpp$ di grado $d$, con $d \mid n$. Si consideri allora il campo $\FFpd \cong \FFpp/(f(x))$, e sia $\alpha$ una radice di $f(x)$ in tale campo. \\ Per il \lemref{lem:alpha_radice} si verifica che $\alpha$ è anche una radice di $x^{p^n}-x$. Poiché $f(x)$ è irriducibile, esso è il polinomio minimo di $\alpha$, e quindi si deduce che $f(x)$ divide $x^{p^n}-x$. \\ \ ($\,\Longleftarrow\,\,$)\; Sia $f(x)$ un polinomio irriducibile in $\FFpp$ di grado $d$ che divide $x^{p^n}-x$. Si consideri allora il campo $\FFpd \cong \FFpp/(f(x))$, e sia $\alpha$ una radice di $f(x)$ in tale campo. Allora $\FFpd \cong \FFpp(\alpha)$, dacché $f(x)$, in quanto irriducibile, è il polinomio minimo di $\alpha$. \\ Dacché $f(x)$ divide $x^{p^n}-x$, $\alpha$ è anche una radice di $x^{p^n}-x$, e quindi che $\alpha \in \FFpn$. Dal momento che chiaramente anche $\FFpp \subseteq \FFpn$, si deduce che $\FFpd \cong \FFpp(\alpha) \subseteq \FFpn$. Allora, per il \thref{th:inclusione}, $d$ divide $n$. \end{proof}