#LyX 2.3 created this file. For more info see http://www.lyx.org/ \lyxformat 544 \begin_document \begin_header \save_transient_properties true \origin unavailable \textclass book \begin_preamble \input{../defs} \end_preamble \use_default_options true \maintain_unincluded_children false \language spanish \language_package default \inputencoding auto \fontencoding global \font_roman "default" "default" \font_sans "default" "default" \font_typewriter "default" "default" \font_math "auto" "auto" \font_default_family default \use_non_tex_fonts false \font_sc false \font_osf false \font_sf_scale 100 100 \font_tt_scale 100 100 \use_microtype false \use_dash_ligatures true \graphics default \default_output_format default \output_sync 0 \bibtex_command default \index_command default \paperfontsize default \spacing single \use_hyperref false \papersize default \use_geometry false \use_package amsmath 1 \use_package amssymb 1 \use_package cancel 1 \use_package esint 1 \use_package mathdots 1 \use_package mathtools 1 \use_package mhchem 1 \use_package stackrel 1 \use_package stmaryrd 1 \use_package undertilde 1 \cite_engine basic \cite_engine_type default \biblio_style plain \use_bibtopic false \use_indices false \paperorientation portrait \suppress_date false \justification true \use_refstyle 1 \use_minted 0 \index Index \shortcut idx \color #008000 \end_index \secnumdepth 3 \tocdepth 3 \paragraph_separation indent \paragraph_indentation default \is_math_indent 0 \math_numbering_side default \quotes_style french \dynamic_quotes 0 \papercolumns 1 \papersides 1 \paperpagestyle default \tracking_changes false \output_changes false \html_math_output 0 \html_css_as_file 0 \html_be_strict false \end_header \begin_body \begin_layout Standard Sea \begin_inset Formula $K\subseteq L$ \end_inset una extensión de cuerpos, \begin_inset Formula $f\in K[X]$ \end_inset de grado \begin_inset Formula $n\geq0$ \end_inset se \series bold descompone \series default o \series bold factoriza completamente \series default en \begin_inset Formula $L$ \end_inset si existen \begin_inset Formula $c\in K$ \end_inset y \begin_inset Formula $\alpha_{1},\dots,\alpha_{n}\in L$ \end_inset con \begin_inset Formula \[ f(X)=c\prod_{i=1}^{n}(X-\alpha_{i}). \] \end_inset \end_layout \begin_layout Standard Sean \begin_inset Formula $K$ \end_inset un cuerpo y \begin_inset Formula ${\cal P}\subseteq K[X]\setminus0$ \end_inset , un \series bold cuerpo de descomposición \series default de \begin_inset Formula ${\cal P}$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset es una extensión \begin_inset Formula $L$ \end_inset de \begin_inset Formula $K$ \end_inset en la que todos los polinomios de \begin_inset Formula ${\cal P}$ \end_inset se descomponen completamente y sus raíces generan \begin_inset Formula $L$ \end_inset . Un cuerpo de descomposición de \begin_inset Formula $f\in K[X]\setminus0$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset es uno de \begin_inset Formula $\{f\}$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard Sean \begin_inset Formula $K\subseteq L$ \end_inset una extensión de cuerpos, \begin_inset Formula $f\in K[X]\setminus0$ \end_inset de grado \begin_inset Formula $n$ \end_inset y \begin_inset Formula ${\cal P}\subseteq K[X]\setminus0$ \end_inset : \end_layout \begin_layout Enumerate \begin_inset Formula $f$ \end_inset se descompone completamente sobre \begin_inset Formula $L$ \end_inset si y solo si lo hace el polinomio mónico \begin_inset Formula $f/f_{n}$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Enumerate Si \begin_inset Formula $n\in\{0,1\}$ \end_inset , \begin_inset Formula $K$ \end_inset es cuerpo de descomposición de \begin_inset Formula $f$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Enumerate Sean \begin_inset Formula $f_{1},\dots,f_{n}\in K[X]\setminus0$ \end_inset y \begin_inset Formula $f:=f_{1}\cdots f_{n}$ \end_inset , \begin_inset Formula $L$ \end_inset es un cuerpo de descomposición de \begin_inset Formula $\{f_{1},\dots,f_{n}\}$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset si y solo si lo es de \begin_inset Formula $f$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Enumerate Si \begin_inset Formula $L$ \end_inset es un cuerpo de descomposición de \begin_inset Formula ${\cal P}$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset , \begin_inset Formula $K\subseteq L$ \end_inset es algebraica. \end_layout \begin_layout Enumerate Si \begin_inset Formula $L$ \end_inset es un cuerpo de descomposición de \begin_inset Formula ${\cal P}$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset , también lo es de \begin_inset Formula ${\cal P}$ \end_inset sobre cualquier cuerpo intermedio entre \begin_inset Formula $K$ \end_inset y \begin_inset Formula $L$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Enumerate Si cada \begin_inset Formula $f\in{\cal P}$ \end_inset se descompone completamente en \begin_inset Formula $L$ \end_inset , sea \begin_inset Formula $S\subseteq L$ \end_inset el conjunto de raíces de los elementos de \begin_inset Formula ${\cal P}$ \end_inset , entonces \begin_inset Formula $K(S)$ \end_inset es un cuerpo de descomposición de \begin_inset Formula ${\cal P}$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard Así, para obtener el cuerpo de descomposición de \begin_inset Formula ${\cal P}$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset , basta considerar los polinomios mónicos correspondientes a los polinomios de \begin_inset Formula ${\cal P}$ \end_inset de grado al menos 2, u opcionalmente del producto de todos ellos si hay un número finito de ellos, luego hay que encontrar una extensión de \begin_inset Formula $K$ \end_inset en que estos polinomios tengan todas sus raíces y quedarnos con el subcuerpo generado por las raíces sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard Un cuerpo de descomposición de \begin_inset Formula $X^{n}-1$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $\mathbb{Q}$ \end_inset es \begin_inset Formula $\mathbb{Q}(\xi)$ \end_inset , con \begin_inset Formula $\xi:=e^{2\pi i/n}$ \end_inset , que también es el cuerpo de descomposición de \begin_inset Formula $X^{n-1}+\dots+X+1$ \end_inset y de \begin_inset Formula $\text{Irr}(\xi,\mathbb{Q})$ \end_inset . \begin_inset Note Comment status open \begin_layout Plain Layout En efecto, las raíces de \begin_inset Formula $X^{n}-1$ \end_inset en \begin_inset Formula $\mathbb{C}$ \end_inset son \begin_inset Formula $\{\xi^{i}\}_{i=0}^{n-1}$ \end_inset y \begin_inset Formula $\mathbb{Q}(\{\xi^{i}\}_{i=0}^{n-1})=\mathbb{Q}(\xi)$ \end_inset . Los otros dos polinomios son divisores de \begin_inset Formula $X^{n}-1$ \end_inset y por tanto tendrán un subconjunto de sus raíces, pero una de las que tienen es \begin_inset Formula $\xi$ \end_inset y \begin_inset Formula $\mathbb{Q}(\xi)$ \end_inset contiene al resto. \end_layout \end_inset \end_layout \begin_layout Standard Si \begin_inset Formula $K$ \end_inset es un cuerpo y \begin_inset Formula $f\in K[X]\setminus0$ \end_inset , existe un cuerpo de descomposición \begin_inset Formula $L$ \end_inset de \begin_inset Formula $f$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset y \begin_inset Formula $[L:K]\leq n!$ \end_inset . Esta cota no es mejorable \begin_inset Note Comment status open \begin_layout Plain Layout ; por ejemplo, las raíces de \begin_inset Formula $X^{3}-2$ \end_inset en \begin_inset Formula $\mathbb{C}$ \end_inset son \begin_inset Formula $\alpha$ \end_inset , \begin_inset Formula $\alpha\omega$ \end_inset y \begin_inset Formula $\alpha\omega^{2}$ \end_inset con \begin_inset Formula $\alpha:=\sqrt[3]{2}$ \end_inset y \begin_inset Formula $\omega:=e^{2\pi i/3}$ \end_inset , luego un cuerpo de descomposición es \begin_inset Formula $\mathbb{Q}(\alpha,\alpha\omega,\alpha\omega^{2})$ \end_inset , y como \begin_inset Formula $\omega=\frac{1}{2}\alpha^{2}(\alpha\omega)$ \end_inset , esto es lo mismo que \begin_inset Formula $\mathbb{Q}(\alpha,\omega)$ \end_inset , pero como \begin_inset Formula $\text{Irr}(\alpha,\mathbb{Q})=X^{3}-2$ \end_inset e \begin_inset Formula $\text{Irr}(\omega,\mathbb{Q}(\alpha))=X^{2}+X+1$ \end_inset , \begin_inset Formula $[\mathbb{Q}(\alpha,\omega):\mathbb{Q}]=[\mathbb{Q}(\alpha,\omega):\mathbb{Q}(\alpha)][\mathbb{Q}(\alpha):\mathbb{Q}]=2\cdot3=6$ \end_inset \end_layout \end_inset . \end_layout \begin_layout Section Grupo de Galois de un polinomio \end_layout \begin_layout Standard Dados un cuerpo \begin_inset Formula $K$ \end_inset y un \begin_inset Formula $f\in K[X]$ \end_inset con cuerpo de descomposición \begin_inset Formula $L$ \end_inset sobre \begin_inset Formula $K$ \end_inset , el \series bold grupo de Galois \series default de \begin_inset Formula $f$ \end_inset es \begin_inset Formula $G_{f}:=\text{Gal}(L/K)$ \end_inset . Sean \begin_inset Formula $\alpha_{1},\dots,\alpha_{n}\in L$ \end_inset las raíces distintas de \begin_inset Formula $f$ \end_inset , cada \begin_inset Formula $\sigma\in G_{f}$ \end_inset lleva raíces a raíces y por tanto \begin_inset Formula $\sigma|_{\{\alpha_{1},\dots,\alpha_{n}\}}:\{\alpha_{1},\dots,\alpha_{n}\}\to\{\alpha_{1},\dots,\alpha_{n}\}$ \end_inset es inyectiva por serlo \begin_inset Formula $\sigma$ \end_inset y por tanto biyectiva. Sea \begin_inset Formula $\varphi:G_{f}\to{\cal S}_{n}$ \end_inset dada por \begin_inset Formula $\varphi(\sigma)(i)=j\iff\sigma(\alpha_{i})=\alpha_{j}$ \end_inset , \begin_inset Formula $\varphi$ \end_inset es un homomorfismo inyectivo y por tanto \begin_inset Formula $G_{f}\cong\text{Im}\varphi\leq{\cal S}_{n}$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Section Clausura algebraica \end_layout \begin_layout Standard Un cuerpo \begin_inset Formula $K$ \end_inset es \series bold algebraicamente cerrado \series default si todo \begin_inset Formula $f\in K[X]\setminus0$ \end_inset tiene una raíz en \begin_inset Formula $K$ \end_inset . Una extensión \begin_inset Formula $L$ \end_inset de un cuerpo \begin_inset Formula $K$ \end_inset es una \series bold clausura algebraica \series default de \begin_inset Formula $K$ \end_inset si \begin_inset Formula $K\subseteq L$ \end_inset es algebraica y \begin_inset Formula $L$ \end_inset es algebraicamente cerrado. Todo cuerpo tiene una clausura algebraica. \end_layout \begin_layout Standard El cuerpo de descomposición sobre un cuerpo \begin_inset Formula $K$ \end_inset de un \begin_inset Formula ${\cal P}\subseteq K[X]$ \end_inset es único salvo isomorfismos. \end_layout \begin_layout Section Cuerpos finitos \end_layout \begin_layout Standard Dado un anillo \begin_inset Formula $A$ \end_inset de característica prima \begin_inset Formula $p$ \end_inset , \begin_inset Formula $h:A\to A$ \end_inset dado por \begin_inset Formula $h(a):=a^{p}$ \end_inset es un homomorfismo de anillos, el \series bold homomorfismo de Frobenius \series default \begin_inset Note Comment status open \begin_layout Plain Layout , pues conserva el 1, \begin_inset Formula $h(ab)=(ab)^{p}=a^{p}b^{p}$ \end_inset y \begin_inset Formula $h(a+b)=(a+b)^{p}=\sum_{k=0}^{p}\binom{p}{k}a^{p}b^{p-k}=a^{p}+b^{p}$ \end_inset , usando que, para \begin_inset Formula $k\in\{1,\dots,p-1\}$ \end_inset , \begin_inset Formula $\binom{p}{k}=\frac{p!}{(p-k)!k!}=0$ \end_inset al ser un cociente de un múltiplo de \begin_inset Formula $p$ \end_inset entre algo que no es múltiplo de \begin_inset Formula $p$ \end_inset \end_layout \end_inset . En particular \begin_inset Formula $h^{n}=(a\mapsto a^{p^{n}})$ \end_inset es un homomorfismo. \end_layout \begin_layout Standard Como \series bold teorema \series default : \end_layout \begin_layout Enumerate Si \begin_inset Formula $K$ \end_inset es un cuerpo finito, existen \begin_inset Formula $p,n\in\mathbb{Z}^{+}$ \end_inset con \begin_inset Formula $p$ \end_inset primo tales que \begin_inset Formula $\text{car}K=p$ \end_inset , \begin_inset Formula $|K|=p^{n}$ \end_inset y \begin_inset Formula $K$ \end_inset es un cuerpo de descomposición sobre \begin_inset Formula $\mathbb{Z}_{p}$ \end_inset de \begin_inset Formula $X^{p^{n}}-X$ \end_inset . \end_layout \begin_deeper \begin_layout Standard Como \begin_inset Formula $K$ \end_inset es finito, \begin_inset Formula $\text{car}K\neq0$ \end_inset y \begin_inset Formula $\text{car}K=p$ \end_inset para cierto primo \begin_inset Formula $p$ \end_inset . Entonces \begin_inset Formula $K$ \end_inset es una extensión finita de su subcuerpo primo \begin_inset Formula $\mathbb{Z}_{p}$ \end_inset y, tomando \begin_inset Formula $n:=[K:\mathbb{Z}_{p}]$ \end_inset , \begin_inset Formula $|K|=p^{n}$ \end_inset , luego \begin_inset Formula $n<\infty$ \end_inset . Entonces el grupo multiplicativo \begin_inset Formula $K^{*}$ \end_inset tiene \begin_inset Formula $p^{n}-1$ \end_inset elementos, pero para \begin_inset Formula $g\in K^{*}$ \end_inset , \begin_inset Formula $g^{|K^{*}|}=g^{p^{n}-1}=1$ \end_inset y \begin_inset Formula $g$ \end_inset es raíz de \begin_inset Formula $X^{p^{n}-1}-1$ \end_inset y por tanto de \begin_inset Formula $f:=X^{p^{n}}-X$ \end_inset , que también es raíz del 0. Como \begin_inset Formula $f$ \end_inset tiene a lo sumo \begin_inset Formula $p^{n}=|K|$ \end_inset raíces, \begin_inset Formula $K$ \end_inset está formado por las raíces de \begin_inset Formula $f$ \end_inset y por tanto es está generado por estas. \end_layout \end_deeper \begin_layout Enumerate Para cada \begin_inset Formula $p,n\in\mathbb{Z}^{+}$ \end_inset con \begin_inset Formula $p$ \end_inset primo, sea \begin_inset Formula $\overline{\mathbb{Z}_{p}}$ \end_inset la clausura algebraica de \begin_inset Formula $\mathbb{Z}_{p}$ \end_inset , el cuerpo de descomposición sobre \begin_inset Formula $\mathbb{Z}_{p}$ \end_inset de \begin_inset Formula $X^{p^{n}}-X$ \end_inset tiene \begin_inset Formula $p^{n}$ \end_inset elementos y viene dado por \begin_inset Formula $\mathbb{F}_{p^{n}}:=\{\alpha\in\overline{\mathbb{Z}_{p}}:\alpha^{p^{n}}=\alpha\}$ \end_inset . \end_layout \begin_deeper \begin_layout Standard Sea \begin_inset Formula $S:=\{\alpha\in\overline{\mathbb{Z}_{p}}:\alpha^{p^{n}}=\alpha\}$ \end_inset el conjunto de raíces de \begin_inset Formula $f:=X^{p^{n}}-X$ \end_inset en \begin_inset Formula $\mathbb{Z}_{p}$ \end_inset , el cuerpo de descomposición es \begin_inset Formula $\mathbb{F}_{p^{n}}=\mathbb{Z}_{p}(S)$ \end_inset , pero \begin_inset Formula $S$ \end_inset un cuerpo, pues \begin_inset Formula $1\in S$ \end_inset y, para \begin_inset Formula $\alpha,\beta\in S$ \end_inset , por el homomorfismo de Frobenius, \begin_inset Formula $(\alpha-\beta)^{p^{n}}=\alpha^{p^{n}}-\beta^{p^{n}}=\alpha-\beta$ \end_inset , \begin_inset Formula $(\alpha\beta)^{p^{n}}=\alpha^{p^{n}}\beta^{p^{n}}=\alpha\beta$ \end_inset y \begin_inset Formula $(\alpha^{-1})^{p^{n}}=(\alpha^{p^{n}})^{-1}=\alpha^{-1}$ \end_inset . Además, \begin_inset Formula $(1)=\mathbb{Z}_{p}\subseteq S$ \end_inset y \begin_inset Formula $\mathbb{Z}_{p}(S)=S$ \end_inset , pero como \begin_inset Formula $\text{mcd}\{f,f'\}=\text{mcd}\{X^{p^{n}}-X,-1\}=1$ \end_inset , \begin_inset Formula $f$ \end_inset no tiene raíces múltiples y \begin_inset Formula $|\mathbb{F}_{p^{n}}|=|S|=p^{n}$ \end_inset . \end_layout \end_deeper \begin_layout Enumerate Para \begin_inset Formula $p,n\in\mathbb{Z}^{+}$ \end_inset con \begin_inset Formula $p$ \end_inset primo, todo cuerpo finito de tamaño \begin_inset Formula $p^{n}$ \end_inset es isomorfo a \begin_inset Formula $\mathbb{F}_{p^{n}}$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Standard \begin_inset Newpage pagebreak \end_inset \end_layout \begin_layout Standard Con esto: \end_layout \begin_layout Enumerate Vistos como subcuerpos de \begin_inset Formula $\overline{\mathbb{Z}_{p}}$ \end_inset , \begin_inset Formula $\mathbb{F}_{p^{m}}\subseteq\mathbb{F}_{p^{n}}\iff m\mid n$ \end_inset . \end_layout \begin_deeper \begin_layout Enumerate \begin_inset Argument item:1 status open \begin_layout Plain Layout \begin_inset Formula $\implies]$ \end_inset \end_layout \end_inset \begin_inset Formula $\mathbb{Z}_{p}\subseteq\mathbb{F}_{p^{m}}\subseteq\mathbb{F}_{p^{n}}$ \end_inset , luego \begin_inset Formula $m=[\mathbb{F}_{p^{m}}:\mathbb{Z}_{p}]\mid[\mathbb{F}_{p^{n}}:\mathbb{Z}_{p}]=n$ \end_inset . \end_layout \begin_layout Enumerate \begin_inset Argument item:1 status open \begin_layout Plain Layout \begin_inset Formula $\impliedby]$ \end_inset \end_layout \end_inset Sea \begin_inset Formula $t:=\frac{n}{m}$ \end_inset , para \begin_inset Formula $\alpha$ \end_inset con \begin_inset Formula $\alpha=\alpha^{p^{m}}$ \end_inset es \begin_inset Formula $\alpha=\alpha^{p^{mt}}=\alpha^{p^{n}}$ \end_inset . En efecto, para \begin_inset Formula $t=1$ \end_inset esto es trivial, y para \begin_inset Formula $t>1$ \end_inset , supuesto esto probado para \begin_inset Formula $t-1$ \end_inset , \begin_inset Formula $\alpha^{p^{mt}}=\alpha^{p^{m(t-1)+m}}=\alpha^{p^{m(t-1)}p^{m}}=(\alpha^{p^{m(t-1)}})^{p^{m}}=\alpha^{p^{m}}=\alpha$ \end_inset . \end_layout \end_deeper \begin_layout Enumerate \begin_inset Formula $X^{p^{n}}-X$ \end_inset es el producto de todos los irreducibles mónicos de \begin_inset Formula $\mathbb{Z}_{p}[X]$ \end_inset cuyo grado divide a \begin_inset Formula $n$ \end_inset . \end_layout \begin_deeper \begin_layout Standard Como \begin_inset Formula $F:=X^{p^{n}}-X$ \end_inset no tiene raíces múltiples, no tiene factores repetidos y es pues el producto de todos los irreducibles mónicos que lo dividen, y queremos ver que, para un irreducible mónico \begin_inset Formula $f\in\mathbb{Z}_{p}[X]$ \end_inset de grado \begin_inset Formula $m$ \end_inset , \begin_inset Formula $f\mid F$ \end_inset si y solo si \begin_inset Formula $m\mid n$ \end_inset . Sea entonces una raíz \begin_inset Formula $\alpha\in\overline{\mathbb{Z}_{p}}$ \end_inset de \begin_inset Formula $f$ \end_inset , \begin_inset Formula $f=\text{Irr}(\alpha,\mathbb{Z}_{p})$ \end_inset y \begin_inset Formula $[\mathbb{Z}_{p}(\alpha):\mathbb{Z}_{p}]=m$ \end_inset , luego \begin_inset Formula $|\mathbb{Z}_{p}(\alpha)|=p^{m}$ \end_inset y por tanto \begin_inset Formula $\mathbb{Z}_{p}(\alpha)\cong\mathbb{F}_{p^{m}}$ \end_inset . Entonces, por la caracterización de \begin_inset Formula $\text{Irr}(\alpha,f)$ \end_inset , \begin_inset Formula $f\mid F$ \end_inset si y solo si \begin_inset Formula $\alpha$ \end_inset es raíz de \begin_inset Formula $F$ \end_inset , si y solo si \begin_inset Formula $\alpha^{p^{n}}=\alpha$ \end_inset , si y solo si \begin_inset Formula $\alpha\in\mathbb{F}_{p^{n}}$ \end_inset , si y solo si \begin_inset Formula $\mathbb{F}_{p^{m}}\cong\mathbb{Z}_{p}(\alpha)\subseteq\mathbb{F}_{p^{n}}$ \end_inset , si y solo si \begin_inset Formula $m\mid n$ \end_inset . \end_layout \end_deeper \begin_layout Enumerate Dada una extensión de cuerpos finitos \begin_inset Formula $K\subseteq L$ \end_inset de grado \begin_inset Formula $m$ \end_inset , existe \begin_inset Formula $\alpha\in L$ \end_inset tal que \begin_inset Formula $L=K(\alpha)$ \end_inset , \begin_inset Formula $\text{Irr}(\alpha,K)$ \end_inset tiene \begin_inset Formula $m$ \end_inset raíces distintas en \begin_inset Formula $L$ \end_inset y \begin_inset Formula $|\text{Gal}(L/K)|=m$ \end_inset . \end_layout \end_body \end_document