Подполя в gf(pm).
Можно теперь
проинтерпретировать конструкцию теоремы
3, Л-2, РПЭК (если
неприводимый над полем GF(p)
многочлен степени n, то множество всех
многочленов от x степеней
с коэффициентами из поля GF(p),
операции над которыми выполняются по
модулю многочлена
,
образует поле порядка
),
воспользовавшись общим подходом к
построению расширений полей. Сначала
присоединим к GF(p)
корень неприводимого над GF(p)
многочлена
степени m
и построим поле
.
Пусть теперь
неприводимый над
многочлен степени n.
Образуем новое поле, присоединив к нему
корень многочлена
.
Соображения, использованные в лекции
2, приводят к выводу, что это новое поле
содержит
элементов. Согласно теореме 1 мы построили
поле
.
Таким образом, итерация конструкции
теоремы 3 не дает никаких новых полей.
Однако такой двухшаговый переход от
поля GF(p)
к
позволяет доказать следующую полезную
теорему.
Теорема 2. (i)
Поле
содержит
подполе (изоморфное
)
тогда и только тогда, когда s делит r.
(ii) Элемент
принадлежит полю
тогда и только тогда, когда
.
В любом поле из равенства
следует, что элемент
равняется 0
или 1.
Для доказательства воспользуемся результатом, который был получен в свое время2) при изучении теории делимости целых чисел. Сформулируем его в виде леммы.
Лемма.
Если
целые числа такие, что
;
;
,
то
тогда и только тогда, когда
.
Д о к а з а т е л ь
с т в о теоремы 2 (i). Расширение
поля
содержит все корни многочлена
,
причем все корни этого многочлена
различны. Если
,
то многочлен
делится на
многочлен
,
но последний сам по себе образует поле
,
то есть поле
содержит подполе, изоморфное полю
.
Наоборот, пусть
примитивный элемент поля
.
Тогда
;
.
Таким образом,
и согласно лемме
.
(ii) Первое утверждение вытекает непосредственно из теоремы Ферма (см. Л-2, РПЭК), а второе очевидно.
В качестве примера
на Рис.1 показаны все подполя поля
.
Сопряженные элементы и циклотомические классы
М6.
Минимальные
многочлены элементов
и
равны. В частности,
в поле GF(2m)
равны минимальные многочлены элементов
и
.
Д о к а з а т е л ь
с т в о проведем конструктивным путем,
используя конкретный пример. Пусть
минимальный многочлен элемента
,
который принадлежит полю GF(24).
В любом поле характеристики p
выполняется известное равенство
,
соответственно которому
,
то есть элемент
также является корнем многочлена
.
В
силу свойства (М2) минимальный многочлен
элемента
должен делить многочлен
.
Но
и потому после возведения в восьмую
степень минимального многочлена элемента
(если
-корень,
то корнями многочлена будут и
,
и
и
)
можно прийти к заключению, что корнем
этого многочлена является и элемент
,
то есть минимальный многочлен элемента
должен делить минимальный многочлен
элемента
.
Значит, эти минимальные многочлены
равны.
Рис.1. Подполя поля
Элементы
поля, минимальные многочлены которых
совпадают, называются сопряженными
(по этой же причине мнимые числа i
и i
называют комплексно-сопряженными: над
полем действительных чисел
многочлен
является минимальным для них обоих).
Таким образом,
согласно (М6), если
,
то для поля характеристики 2 имеем
,
,
,
…
Следовательно,
элементы
,
являются корнями того же самого
минимального многочлена (все эти
элементы имеют тот же самый
минимальный
многочлен). Аналогично, минимальным
многочленом для элементов
,
,
=
(и
)
является другой (тот же самый) минимальный
многочлен и т.д. В результате можно
сделать вывод, что степени элементов
поля, которое рассматривается, можно
объединить в непересекающиеся множества.
Они получили специальное название
циклотомические
классы.
Когда показатели степеней элементов
поля принадлежат одному и тому же
циклотомическому классу, минимальный
многочлен для всех этих элементов
является тем же самым.
В общем случае не двоичного поля GF(pm) циклотомический класс состоит из чисел
,
где
наименьшее положительное число такое,
что
).
Более строгое определение циклотомического класса можно представить в виде следствия следующей теоремы.
Теорема 3.
Множество целых чисел по модулю
относительно операции умножения на
простое число p распадается на
непересекающиеся подмножества. Эти
подмножества называются циклотомическими
классами по модулю
.
Например, циклотомическими классами по модулю 15 (для p = 2) являются:
;
;
;
;
.
Наши обозначения
выбраны так, что если
наименьшее число в классе, то класс
обозначается как
.
Индексы {
}
называются представителями
классов по модулю
.
Справедливость утверждаемого в теореме вытекает из того, что представители разных классов по модулю не сравнимы по этому модулю.
Введем для
минимальных многочленов, которые
отвечают циклотомическому классу
,
обозначение
(минимальный многочлен элемента
).
