代数结构(二)——环

一、环的基本概念与性质

1.环的定义

定义 1.(环)

若在非空集合 𝑅 上定义加法 + 和乘法 ⋅,并且满足以下条件:

  1. 𝑅 关于加法 + 构成交换群;
  2. 乘法的结合律成立,即 𝑎(𝑏𝑐)=(𝑎𝑏)𝑐 ;
  3. 乘法对加法的两个分配律成立,即:
{𝑎𝑏+𝑐̇=𝑎⋅𝑏+𝑎⋅𝑐(𝑏+𝑐)⋅𝑎=𝑏⋅𝑎+𝑐⋅𝑎

那么称 (𝑅,+,⋅) 构成环,在不至于混淆情况下称 𝑅 为环。当乘法亦满足交换律时,称其为交换环。

剖析来看,环中显然包含一个交换群(加群) (𝑅,+) ,将这个群称为环的加法群。在加群中我们将其单位元记为 0 ,但在环中我们将 0 称为环的零元(这个零元显然是对乘法说的)。以及,元素 𝑎 在加群中的逆元记为 −𝑎 ,而在环中则称为负元。而根据群的性质,环的零元和负元都是唯一的。

假如环 𝑅 的乘法具有元素 𝑒 使任意 𝑎∈𝑅 都有 𝑎𝑒=𝑒𝑎=𝑎 ,那么将 𝑒 称为环的单位元。 11 由于环对乘法的限制不多,环不一定有单位元。但如果有单位元,则单位元必唯一。

在环 𝑅 具有单位元 𝑒 的情况下,如果对于某元素(注意不是任意) 𝑎∈𝑅 存在 𝑏∈𝑅 使 𝑎𝑏=𝑏𝑎=𝑒 成立,那么称 𝑎 是 𝑅 的一个可逆元, 𝑏 称为 𝑎 的逆元,并且记作 𝑎−1 。

注 1.
注意环中存在逆元的前提是环具有单位元。环不要求乘法具有交换律,因此 𝑎𝑏=𝑏𝑎 不一定存在。同时,环不要求集合 𝑅 关于乘法构成群,因此环中元素也不一定有逆元。 而对于具有单位元 𝑒 的环 𝑅 来说,其所有可逆元则关于乘法构成群,称为环 𝑅 的单位群,记作 𝑈(𝑅) 。
注 2.
一个及其特殊的环是零环 {0} ,其中 0+0=0⋅0=0 。零环是唯一一个有单位元且等于零元,并且零元可逆的环。一般讨论环时都不考虑零环。除零环外,环的单位元总不等于零元。

2.环的性质

环具有以下运算性质;

  1. 𝑎⋅0=0⋅𝑎=0
  2. −(−𝑎)=𝑎
  3. 𝑎−𝑏̇=−𝑎⋅𝑏=−𝑎𝑏
  4. (−𝑎)−𝑏̇=𝑎𝑏

以及倍数法则,其中 𝑚,𝑛∈𝑍,𝑎,𝑏∈𝑅 :

  1. 𝑚𝑎+𝑛𝑎=(𝑚+𝑛)𝑎
  2. 𝑚(𝑎+𝑏)=𝑚𝑎+𝑚𝑏
  3. 𝑚(𝑛𝑎)=𝑛(𝑚𝑎)=(𝑚𝑛)𝑎
  4. 𝑚(𝑎𝑏)=(𝑚𝑎)𝑏=𝑎(𝑚𝑏)

指数法则,其中 𝑚,𝑛∈𝑁,𝑎,𝑏∈𝑅 (注意指数法则与倍数法则中 𝑚,𝑛 的所属域不同):

  1. (𝑎𝑚)𝑛=𝑎𝑚𝑛
  2. 𝑎𝑚⋅𝑎𝑛=𝑎𝑚+𝑛
注 3.
之所以指数法则与倍数法则中 𝑚,𝑛 的所属域不同,是因为元素 𝑎∈𝑅 不一定可逆,因此 𝑎0,𝑎−𝑛 不具有普遍的意义。并且,由于环中乘法交换律不一定成立,如果 𝑎𝑏≠𝑏𝑎 ,那么 (𝑎⋅𝑏)𝑛=𝑎𝑛⋅𝑏𝑛 一般也不成立。

环中的加法群的性质使我们可以定义环的减法运算,即 𝑎−𝑏=𝑎+(−𝑏) 。环的乘法对减法同样具有分配律。由此,得到我们解方程时常用的移项法则:

𝑎+𝑏=𝑐⟺𝑎=𝑐−𝑏

3.几种不同的环

首先说明零因子的概念。如果对于非零的 𝑎,𝑏∈𝑅 存在 𝑎⋅𝑏=0 ,那么将 𝑎,𝑏 分别称为 𝑅 的左零因子和右零因子,可以统称为零因子。

一个环,要么没有零因子,此时称为无零因子环;要么有零因子,此时既有左零因子也有右零因子——也就是说,左右零因子必然同时存在,或者同时不存在。但这不代表左零因子一定是右零因子。 22 在无零因子环中,左右消去律都成立。

对于无零因子的交换环,如果它在有单位元的同时、单位元不等于零元即 𝑒≠0 ,那么将其称为整环。

而如果一个整环中的所有非零元都可逆,那么将其称为域。

注 4.

由于域是一个交换环并且非零元可逆,也就是其上的乘法满足 𝑎𝑏−1=𝑏−1𝑎 (其中 𝑏≠0 ),所以直接用分数记号 𝑎𝑏 来表示是完全可行的。也就是说,可以在域上定义除法:

𝑎÷𝑏=𝑎𝑏=𝑎𝑏−1=𝑏−1𝑎
且称 𝑎𝑏 为 𝑏 除 𝑎 的商。分数形式具有我们熟知的所有运算法则,不再列举。

如果将域定义中的“交换环”条件去除,那么这样的环称为除环。完整的表述是:如果环 𝑅 有一个单位元 𝑒≠0 的同时、每个非零元都可逆,那么称之为除环。非交换的除环称为体。显然,域是交换的除环。


二、子环

与群类似,按类似的做法定义子环。

1.子环的定义

定义 2.(子环)
设 𝑆 是环 𝑅 的非空子集。如果 𝑆 关于 𝑅 上的加法和乘法亦构成环,那么称 𝑆 为 𝑅 的子环,记作 𝑆<𝑅 。

同样地, 𝑅 本身和零环 {0} 都是 𝑅 的子环,称为平凡子环。

注 5.

其中一种比较特殊的子环是中心 𝐶(𝑅) ,其定义如下:

𝐶(𝑅)={𝑟∈𝑅|𝑟𝑠=𝑠𝑟,∀𝑠∈𝑅}

2.子环的判定

设 𝑆 是环 𝑅 的非空子集,那么 𝑆 是 𝑅 的子环的充分必要条件是:

  1. (𝑆,+) 是 (𝑅,+) 的加法子群;
  2. 𝑆 关于 𝑅 的乘法封闭。

当然,和以下说法是等价的:

  1. 𝑆 关于 𝑅 的减法封闭;
  2. 𝑆 关于 𝑅 的乘法封闭。

3.子环的性质

应当注意,子环不一定继承环的单位元。准确来说,当环具有单位元时,子环不一定有单位元;同样地,当环没有单位元时,子环也可能有单位元。


三、理想

在环论中,与正规子群概念相对应的是理想。

1.理想的定义

定义 3.(理想)

设 𝐼 是环 𝑅 的非空子集。如果:

  1. 对任意 𝑖1,𝑖2∈𝐼 存在 𝑖1−𝑖2∈𝐼 ;
  2. 对任意 𝑖∈𝐼,𝑟∈𝑅 存在 𝑖𝑟,𝑟𝑖∈𝐼 ,

那么称 𝐼 为环 𝑅 的理想,记作 𝐼◁𝑅 。显然零理想 {0} 和 𝑅 本身都是 𝑅 的理想,称为平凡理想。而对于不等于 𝑅 自身的理想则称为真理想。

同时,如同群中定义陪集上的乘法那般,定义理想的和——若 𝐼,𝐽 是 𝑅 的理想:

𝐼+𝐽={𝑎+𝑏|𝑎∈𝐼,𝑏∈𝐽}

称为理想 𝐼,𝐽 的和。而 𝐼∩𝐽 称为理想 𝐼,𝐽 的交。

2.理想的性质

若 𝐼,𝐽 是 𝑅 的理想,那么其和 𝐼+𝐽 及交 𝐼∩𝐽 都是 𝑅 的理想。

注 6.

类似于生成子群,假设元素 𝑎∈𝑅 ,那么所有包含元素 𝑎 的理想的交称为由 𝑎 生成的主理想,记为 ⟨𝑎⟩ :

⟨𝑎⟩=⋂𝑎∈𝐼◁𝑅𝐼
主理想显然也是 𝑅 的理想。由定义显然可知, ⟨𝑎⟩ 是包含元素 𝑎 的最小理想。

关于主理想,其有以下性质:

  1. ⟨𝑎⟩={∑𝑖=1𝑛𝑥𝑖𝑎𝑦𝑖+𝑥𝑎+𝑎𝑦+𝑚𝑎|𝑥𝑖,𝑦𝑖,𝑥,𝑦∈𝑅,𝑛∈𝑁,𝑚∈𝑍}
  2. 如果环 𝑅 有单位元,那么可以重写为:
⟨𝑎⟩={∑𝑖=1𝑛𝑥𝑖𝑎𝑦𝑖|𝑥𝑖,𝑦𝑖∈𝑅,𝑛∈𝑁}
  1. 如果环 𝑅 是交换环,那么可以重写为:
⟨𝑎⟩={𝑥𝑎+𝑚𝑎|𝑥∈𝑅,𝑚∈𝑍}
  1. 如果环 𝑅 是有单位元的交换环,那么可以重写为:
⟨𝑎⟩=𝑎𝑅={𝑎𝑟|𝑟∈𝑅}

基于上述性质可以推知,整数环 𝑍 以及模 𝑚 剩余类环 𝑍𝑚 的每个理想都是主理想。


四、商环

既然理想类似于正规子群,那么就可以利用之定义商环。

1.商环的定义

由环与子环的定义,若 𝐼 是 𝑅 的理想,那么 (𝐼,+) 就是 (𝑅,+) 的正规子群,从而得到商群:

在其上定义加法与乘法:

那么 𝑅/𝐼 也构成环,因此将其称为商环。

2.商环的性质

根据定义,显然有:

  1. 是 𝑅/𝐼 的零元;
  2. 如果 𝑅 有单位元 𝑒 且 𝑒∉𝐼 ,那么 是 𝑅/𝐼 的单位元;
  3. 如果 𝑅 是交换环,那么 𝑅/𝐼 也是交换环。

五、环同态

与群同态类似地定义环同态。

1.环同态的定义

设 𝜙 是环 𝑅 到环 𝑅′ 的映射,若对任意 𝑎,𝑏∈𝑅 :

  1. 𝜙(𝑎+𝑏)=𝜙(𝑎)+𝜙(𝑏)
  2. 𝜙(𝑎𝑏)=𝜙(𝑎)𝜙(𝑏)

那么称 𝜙 是 𝑅 到 𝑅′ 的同态映射,可简称为同态。而根据映射的性质,同态又可以区分为几种:

  1. 若 𝜙 为单射,那么称 𝜙 为单同态;
  2. 若 𝜙 为满射,那么称 𝜙 为满同态,此时(才)可称 𝑅 与 𝑅′ 同态,记作 𝜙:𝑅∼𝑅′ ;
  3. 若 𝜙 既是单射又是满射,那么称 𝜙 为同构,可称 𝑅 与 𝑅′ 同构,记作 𝜙:𝑅≅𝑅′ 。
注 7.

一种比较特殊的同态是零同态,它将 𝑅 中的元素都映射到 𝑅′ 中的零元 0 :

𝜙:𝑅⟶𝑅′𝑎⟼0

于是:

{𝜙(𝑎+𝑏)=𝜙(𝑎)+𝜙(𝑏)=0𝜙(𝑎𝑏)=𝜙(𝑎)𝜙(𝑏)=0

另一种特殊且显然的同态是环 𝑅 到其商环 𝑅/𝐼 的同态:

这个同态称为自然同态。

同样地,定义环同态的核 Ker{𝜙} 为:

Ker{𝜙}={𝑎∈𝑅|𝜙(𝑎)=0}

同态核显然也是 𝑅 的理想。

2.环同态的性质

设 𝜙 是 𝑅 到 𝑅′ 的同态映射,且元素 𝑎∈𝑅 。首先是环同态的运算性质:

  1. 𝜙(0𝑅)=0𝑅′
  2. 𝜙(𝑛𝑎)=𝑛𝜙(𝑎),∀𝑛∈𝑍
  3. 𝜙(𝑎𝑛)=(𝜙(𝑎))𝑛,∀𝑛∈𝑍

而当两个环都分别具有单位元 𝑒,𝑒′ 时:

  1. 若 𝜙 是满同态,那么 𝜙(𝑒)=𝑒′ ;
  2. 若 𝑅′ 是无零因子环,且 𝜙(𝑒)≠0 ,那么 𝜙(𝑒)=𝑒′ ;
  3. 若 𝜙(𝑒)=𝑒′ ,则对任一可逆元 𝑢∈𝑅 , 𝜙(𝑢) 也是 𝑅′ 的可逆元,有 𝜙(𝑢−1)=(𝜙(𝑢))−1 。
定理 1.(环同态基本定理)

若 𝜙:𝑅→𝑅′ 是满同态,则

𝑅/Ker{𝜙}≅𝑅′.

还有环的第二同构定理:

定理 2.(环的第二同构定理)

设 𝑆 是 𝑅 的子环, 𝐼 是 𝑅 的理想,那么 𝑆∩𝐼 是 𝑆 的理想,于是:

𝑆/𝑆∩𝐼≅(𝑆+𝐼)/𝐼
注 8.
在环中,还存在一个环的扩张定理,又称为挖补定理。设 是 到 𝑅 的单同态、并且两个环中没有公共元素,那么应存在一个同构于 𝑅 的环 𝑆 、以及同构映射 𝜙:𝑆≅𝑅 ,使 是 𝑆 的子环、并且 。

六、素理想和极大理想

1.素理想的定义

定义 4.(素理想)
若 𝑃 是交换环 𝑅 的真理想,且对任意 𝑎,𝑏∈𝑅,由 𝑎𝑏∈𝑃 可以推出 𝑎∈𝑃 或 𝑏∈𝑃,那么称 𝑃 为 𝑅 的素理想。
注 9.
素理想这个名字当然容易联想到素数。对于环 𝑍 , ⟨𝑛⟩ 是素理想的充分必要条件是 𝑛 是素数。

2.素理想的性质

设 𝑅 是具有非零单位元 𝑒≠0 的交换环, 𝐼 是其理想。那么 𝐼 是 𝑅 的素理想的充分必要条件是 𝑅/𝐼 是整环。

3.极大理想的定义

定义 5.(极大理想)
设 𝑀 是交换环 𝑅 的真理想,若 𝑅 中任意包含 𝑀 的理想 𝑁 ,要么 𝑁=𝑀 要么 𝑁=𝑅 ,那么称 𝑀 为 𝑅 的极大理想。
注 10.
对于环 𝑍 ,当 𝑛 为素数时, ⟨𝑛⟩ 不仅是素理想,也是极大理想。

4.极大理想的性质

设 𝑅 是具有单位元 𝑒 的交换环, 𝐼 是其理想。那么 𝐼 是 𝑅 的极大理想的充分必要条件是 𝑅/𝐼 是域。

同时,既然域是整环,所以若 𝑅 是具有单位元 𝑒 的交换环,那么 𝑅 的每个极大理想都是素理想。


七、环的特征和素域

1.特征的定义

定义 6.(环的特征)
设在环 𝑅 中,如果有最小正整数 𝑛 使所有 𝑎∈𝑅 都有 𝑛𝑎=0 ,那么称 𝑛 为 𝑅 的特征,记作 Char{𝑅} 。如果不存在这样的正整数,那么其特征为 0 。
注 11.
一般而言数环的特征都是 0 ,例如 𝑍,𝑅,𝑄,𝐶 。而模 𝑚 剩余类环 𝑍𝑚 及其上的多项式环 𝑍𝑚[𝑥] 的特征为 𝑚 。

2.特征的性质

设环 𝑅 具有单位元 𝑒 。那么, 𝑒 关于加法的阶就是 𝑅 的特征。当这个阶为无穷大时,特征为 0 。

当环是整环时,特征要么为 0 ,要么为一个素数。由于域是整环,因此自然也有这个性质。

当环 𝑅 具有单位元 𝑒 时,映射 𝜙 :

𝜙:𝑍⟶𝑅𝑛⟼𝑛𝑒

是一个 𝑍 到 𝑅 的同态。从而可以得到以下推论:

(1)当环 𝑅 具有单位元 𝑒 时,且其特征为 0 :

  1. 若 𝑛>0 ,那么 𝑅 包含一个与 𝑍𝑛 同构的子环;
  2. 若 𝑛=0 ,那么 𝑅 包含一个与 𝑍 同构的子环。

(2)若有域 𝐹 ,其特征为 𝑛 :

  1. 若 𝑛=0 ,那么 𝐹 包含一个与有理数域同构的子域;
  2. 若 𝑛 是一个素数,那么 𝐹 包含一个与 𝑍𝑛 同构的子域。

3.素域的定义

定义 7.(素域)
若域 𝐹 不含任何真子域,那么称其为素域。
注 12.
有理数域 𝑄 ,模 𝑝 剩余类域 𝑍𝑝 ( 𝑝 是素数)都是素域。

4.素域的性质

根据素域的概念,中关于域的性质可以改写为:

若有域 𝐹 ,其特征为 𝑛 :

  1. 若 𝑛=0 ,那么 𝐹 包含一个与 𝑄 同构的素域;
  2. 若 𝑛 是一个素数,那么 𝐹 包含一个与 𝑍𝑛 同构的素域。

八、整环的商域

1.商域的构造

假设 𝐷 是整环,其上有单位元 1 ,那么按以下步骤可以生成其商域,而这将是一个有理数域。

  1. 构造集合 𝑆={(𝑎,𝑏)|𝑎,𝑏∈𝐷,𝑏≠0} ;
  2. 之后构造等价关系 ∼ ,使:
(𝑎,𝑏)∼(𝑐,𝑑)⟷𝑎𝑑=𝑏𝑐
  1. 由等价关系 ∼ 得到商集 𝐹 。现在,元组 (𝑎,𝑏) 可以写成分数的形式,在 𝑆 中它有等价类:
[𝑎𝑏]={(𝑐,𝑑)|(𝑐,𝑑)∼(𝑎,𝑏)}

于是,商集 𝐹 是:

𝐹=𝑆/∼={[𝑎𝑏]|𝑎,𝑏∈𝐷,𝑏≠0}
  1. 在 𝐹 上定义类似我们熟知的分数运算,于是 𝐹 构成了一个域;
  2. 在 𝐹 的基础上,利用环扩张定理,生成 𝐷 的扩环 𝑄 使 𝑄 同构于 𝐹 。 𝑄 显然可以表示为:
𝑄={𝑎𝑏−1|𝑎,𝑏∈𝐷,𝑏≠0}={𝑎𝑏|𝑎,𝑏∈𝐷,𝑏≠0}

将 𝑄 称为 𝐷 的商域。

2.商域的性质

域的商域还是其本身。

如果 𝐷 与 𝐷′ 是同构的两个整环,那么它们的商域亦同构。


九、唯一分解整环

1.因子与相伴

设 𝑅 是整环, 𝑎,𝑏∈𝑅 。如果还存在 𝑐∈𝑅 使 𝑎=𝑏𝑐 ,那么称 𝑏 是 𝑎 的因子,称 𝑎 能被 𝑏 整除或 𝑏 整除 𝑎 ,记为 𝑏∣𝑎 。反之,记为 𝑏∤𝑎 。

显然,对于环中的单位 𝑢 , 𝑎,𝑎𝑢 都是 𝑎 的因子,称为平凡因子。不是平凡因子的称为非平凡因子。

如果既存在 𝑏∣𝑎 又存在 𝑎∣𝑏 ,那么称 𝑎 与 𝑏 相伴,记为 𝑎∼𝑏 。相伴是一种等价关系。

2.因子的性质

首先给出以下三个我们较熟知的性质,设有整环 𝐷 :

  1. 若 𝑎∣𝑏 ,则对任意 𝑢∈𝑈 ,都有 𝑎𝑢∣𝑏 ;
  2. 若 𝑎∣𝑏 且 𝑎∣𝑐 ,那么对任意 𝑥,𝑦∈𝐷 ,都有 𝑎∣𝑥𝑏+𝑦𝑐 ;
  3. 若 𝑎∣𝑏 且 𝑏∣𝑐 ,那么 𝑎∣𝑐 。

而如果 𝑎 与 𝑏 相伴,那么以下三个条件等价:

  1. 𝑎∼𝑏 ;
  2. ⟨𝑎⟩=⟨𝑏⟩ ;
  3. 存在单位 𝑢∈𝐷 使 𝑎=𝑏𝑢 。

3.不可约元与素元

将整环 𝐷 中不存在非平凡因子的元素称为不可约元。

若 𝑝 是 𝐷 中的非零非单位元,而对任意 𝑎,𝑏∈𝐷 ,由 𝑝∣𝑎𝑏 可以推出 𝑝∣𝑎 或 𝑝∣𝑏 ,那么称 𝑝 是 𝐷 的一个素元。

显然,在整环中素元必定是不可约元,但反之则不一定。

4.不可约元与素元的性质

这整环 𝐷 中的一个元素 𝑝 。

  1. 𝑝 是不可约元当且仅当 ⟨𝑝⟩ 是 𝐷 的极大理想;
  2. 𝑝 是素元当且仅当 ⟨𝑝⟩ 是非零素理想;
  3. 素元必定是不可约元;
  4. 不可约元的伴元也是不可约元;素元的伴元也是素元。

5.不可约分解与唯一分解

设 𝑎 是整环 𝐷 上的一个非零非单位元,如果存在有限多不可约元 𝑝1,𝑝2,…,𝑝𝑠 使 𝑎=𝑝1𝑝2…𝑝𝑠 ,那么就称 𝑎 有不可约分解,此式为其的一个不可约分解。

在此基础上, 𝑎 的不可约分解在相伴等价的情况下是唯一的,那么称 𝑎 有唯一分解。

如果整环 𝐷 中每个非零非单位元都具有唯一分解,那么称 𝐷 是一个唯一分解整环,记作 UFD 。在唯一分解整环中,不可约元必是素元。

6.唯一分解整环的充要条件

首先介绍真因子链。设整环 𝐷 ,对于下述序列:

𝑎1,𝑎2,…,𝑎𝑛,…

若 𝑎𝑖 是 𝑎𝑖−1 的真因子,则称其为一个真因子链。

整环 𝐷 是唯一分解环的当且仅当 𝐷 的每个真因子链都有限,且 𝐷 的每个不可约元都是素元。


十、主理想整环

1.主理想整环的定义

如果整环 𝐷 的每个理想都是主理想,那么称其为主理想整环,记为 PID 。

2.主理想整环的性质

主理想整环都是唯一分解环,因此其真因子链必然有限。

设 𝑎 是主理想整环中的非零非单位元,那么下述四个条件等价:

  1. 𝑎 是素元;
  2. 𝑎 是不可约元;
  3. ⟨𝑎⟩ 是极大理想;
  4. ⟨𝑎⟩ 是素理想。

因此,对于主理想整环 𝐷 来说, 𝐷⟨𝑎⟩ 是域当且仅当 𝑎 是其上的素元。

3.欧几里得整环

若在整环 𝐷 上存在映射 𝜑:𝐷−{0}→ℕ ,使任意 𝑎,𝑏∈𝐷,𝑏≠0 总存在 𝑞,𝑟∈𝐷 使 𝑎=𝑏𝑞+𝑟 ,其中要求 𝑟=0 或 𝜑(𝑟)<𝜑(𝑏) ,那么就将 𝐷 称为欧几里得整环,记为 ED 。将 𝜑 称为欧式映射。

欧几里得整环必是主理想整环,因此也必然是唯一分解整环。

以下给出一些欧几里得整环,并给出它们的欧式映射:

  1. 整数环 ℤ ,欧式映射 𝑎⟼|𝑎| ;
  2. 高斯整环 ℤ[𝑖] ,欧式映射 𝑎+𝑏𝑖⟼𝑎2+𝑏2 ;
  3. 域 𝐹 上的多项式环 𝐹[𝑥] ,欧式映射 𝑓(𝑥)⟼deg{𝑓(𝑥)} 。

十一、有限域

1.有限域的性质

定理 3.(有限域的存在与唯一性)
有限域的阶必为素数幂。反之,对每个素数幂 𝑝𝑛,都存在一个 𝑝𝑛 阶有限域,并且它在同构意义下唯一。将其记作 GF(𝑝𝑛),称为伽罗瓦域。

伽罗瓦域 GF(𝑝𝑛) 作为加法群时,与 ⨁𝑛𝑍𝑝 是同构的。 GF(𝑝𝑛) 的全体非零元构成乘法群时,则会形成一个 𝑝𝑛−1 阶的循环群。由此得到以下三个推论:

  1. 有限域是它的素子域的一个单扩域;
  2. [GF(𝑝𝑛):GF(𝑝)]=𝑛 ;
  3. 若 𝑎 是 GF(𝑝𝑛) 的非零元乘法群的生成元,那么 𝑎 是 GF(𝑝) 的 𝑛 次代数元。

2.原根

故而, GF(𝑝) 同构于 𝑍𝑝 ,而 𝑍𝑝 的乘法群 𝑍𝑝∗ 也是循环群。如果存在 𝑎∈(0,𝑝) 使 ,那么就将 𝑎 称为模 𝑝 的一个原根。

3.子域

对于伽罗瓦域 GF(𝑝𝑛) ,对于 𝑛 的每一个因子 𝑚 ,那么 GF(𝑝𝑛) 中的 𝑝𝑚 阶子域存在且唯一。