Si una ecuación no tiene solución racional, podemos trabajar en un cuerpo mayor que contenga una raíz. Pero no añadimos símbolos con reglas arbitrarias: sus sumas, productos e inversos deben ser coherentes. Empezaremos con √3, reduciremos sus potencias y construiremos coordenadas exactas. Después veremos cómo cambian al añadir más elementos.
Si necesitas repasar:
1. Una extensión contiene al cuerpo anterior y conserva sus operaciones
L/K significa que K es subcuerpo de L: sus elementos mantienen suma, producto, cero, uno e inversos.
K(α) es el menor cuerpo que contiene K y α; sus elementos pueden escribirse como f(α)/g(α), con coeficientes en K y g(α)≠0. K[α] reúne solo expresiones polinómicas. Para α algebraico resultará que los inversos ya están en K[α], pero eso necesita demostración.
Añadir una raíz irracional
ℚ⊂ℚ(√3).
Lo anterior
Cada racional a permanece como a+0√3.
Elemento nuevo
√3 no es racional y satisface su relación cuadrática.
Cierre requerido
No basta escribir {racionales,√3}; debemos incluir también 1+√3 y todos los resultados de operaciones permitidas.
La extensión es un cuerpo generado, no una lista con un único número añadido.
Las reglas anteriores de los racionales se conservan dentro del cuerpo mayor.
Un anillo generado puede necesitar más elementos para ser cuerpo
Usa una indeterminada formal t sobre un cuerpo K.
Anillo
K[t] contiene polinomios en t.
Inverso que falta
No hay polinomio q con tq=1 por grados, así que 1/t no está en K[t].
Cuerpo
K(t) sí incluye los cocientes de polinomios con denominador no nulo.
K[t] y K(t) no coinciden en este caso trascendente.
La igualdad que probaremos para un generador algebraico no se afirma para una indeterminada sin relación.
2. Algebraico se refiere siempre a una base y a un polinomio no nulo
Es trascendente si no existe ninguno. El polinomio cero no cuenta, porque anula cualquier entrada y haría vacía la definición.
Una ecuación aporta una relación que permite reducir potencias, pero su grado puede ser redundante. Además, al ampliar la base se permiten nuevos coeficientes: todo α que ya esté en K es algebraico sobre K por x−α.
La misma raíz cambia de grado al cambiar la base
α=√3.
Sobre ℚ
Cumple x²−3, con coeficientes racionales.
Sobre ℚ(√3)
Ya podemos usar √3 como coeficiente y x−√3 la anula.
Distinguir
La relación lineal no era un polinomio de ℚ[x].
El grado mínimo puede bajar al ampliar el cuerpo base.
La base no se elige después del cálculo: determina qué relaciones están permitidas.
Una relación de grado seis puede no ser la menor
α=∛3 real.
Relación corta
α³−3=0.Otra relación
También (α³−3)²=0, producida por un polinomio de grado seis.
Límite de la información
Escribir la segunda ecuación no demuestra grado seis; hay una relación de grado tres y este polinomio cúbico es irreducible por Eisenstein con tres.
El grado de α sobre ℚ es 3, no 6.
Siempre distinguimos un polinomio que anula de su polinomio mínimo.
3. El mínimo es mónico, irreducible y divide todas las relaciones
Para α algebraico elegimos una relación no nula de menor grado y normalizamos su coeficiente principal a uno: mα. Si se factorizara en dos grados positivos, al evaluar el producto en el cuerpo L uno de los factores se anularía, contradiciendo la minimalidad.
El resto también se anula en α y tiene menor grado; debe ser cero. Por tanto mα divide f. Dos mínimos mónicos se dividen mutuamente y son iguales. Estas propiedades identifican las relaciones exactas, no solo algunas ecuaciones favorables.
Justificar el mínimo de una raíz cuadrada
α=√3 sobre ℚ.
Relación
x²−3 es mónico y anula α.
Irracionalidad
Si √3=u/v en fracción reducida, u²=3v² fuerza 3|u; sustituir u=3k fuerza 3|v, contradicción.
Minimalidad
No hay relación lineal racional; la relación cuadrática es mínima e irreducible.
mα=x²−3.
Todo otro polinomio racional que anule √3 será múltiplo de este mínimo.
Desplazar la raíz cambia el polinomio
β=1+√3.
Eliminar radical
(β−1)²=3 da β²−2β−2=0.Raíces
x²−2x−2 tiene raíces 1±√3, ambas irracionales.
Grado
No hay factor lineal racional y la cuadrática es irreducible.
mβ=x²−2x−2 sobre ℚ.
Que β genere el mismo cuerpo que √3 no hace que tengan el mismo polinomio mínimo.
4. Bézout demuestra que las expresiones polinómicas ya contienen los inversos
La evaluación K[x]→K[α] tiene núcleo (mα), porque sus elementos son exactamente las relaciones. El primer isomorfismo da K[α]≅K[x]/(mα).
El inverso es otro polinomio en α, así que K[α] ya es cuerpo y coincide con K(α). Esta es la razón formal que faltaba en el contraste con K[t].
Invertir sin salir de una raíz cuadrática
α=√3; calcula 1/(2+α).
Multiplicar
(2+α)(2−α)=4−α².Relación mínima
α²=3 reduce el producto a uno.Resultado
El inverso es 2−α, dentro de ℚ[α].
1/(2+√3)=2−√3.
El producto exacto uno certifica el inverso sin aproximar el radical.
Un inverso cúbico obtenido por identidad polinómica
α=∛3; invierte α−1.
Identidad
(α−1)(α²+α+1)=α³−1=2.Dividir
El inverso es (α²+α+1)/2.
Bézout
En polinomios, (x−1)(x²+x+1)−(x³−3)=2; al dividir entre dos y evaluar se obtiene la identidad de inverso.
1/(α−1)=(α²+α+1)/2.
El denominador α−1 no es cero porque α³=3 y uno al cubo es uno.
5. Las potencias menores que el grado son una base de coordenadas
Si deg mα=d, dividir por mα reduce toda expresión a una combinación de 1,α,…,α^(d−1), con coeficientes en K. Esas potencias generan K(α). Una combinación nula no trivial daría una relación de grado menor que d; por minimalidad son independientes.
La escritura es única. Para multiplicar expandimos y reducimos potencias con mα(α)=0; los números algebraicos no necesitan convertirse en decimales para hacer las cuentas.
La tabla cuadrática del dibujo
α=√3; multiplica (2+α)(1−3α).
Expandir
2−6α+α−3α².
Reducir
α²=3, así que el término −3α² es −9.Reunir
La parte racional es −7 y la de α es −5α.
El producto es −7−5α en la base {1,α}.
La tabla registra 1·1=1, 1·α=α y α·α=3, suficientes para multiplicar todas las coordenadas.
Tres coordenadas en una extensión cúbica
α=∛3; multiplica (1+α²)(α+α²).
Expandir
α+α²+α³+α⁴.
Reducir
α³=3 y α⁴=3α.Reunir
Queda 3+4α+α², usando la base {1,α,α²}.
Las tres coordenadas son 3,4,1.
Su independencia procede del mínimo cúbico; no podemos eliminar otra potencia sin una relación de menor grado.
6. Grado finito implica algebraicidad, pero algebraicidad no obliga a grado finito
Si [L:K]=d<∞, para cada α∈L los d+1 vectores 1,α,…,αᵈ son dependientes. Sus coeficientes dan un polinomio no nulo que anula α. Esto prueba que toda extensión de grado finito es algebraica.
Una extensión algebraica puede tener elementos de grados sin cota común y entonces no tener dimensión finita. El cuerpo de todos los números algebraicos sobre ℚ contiene raíces de xⁿ−3 para todo n≥1; Eisenstein con tres da grados n. La estabilidad de los algebraicos bajo operaciones se justificará también mediante extensiones finitas.
Un elemento puede tener grado menor que el cuerpo que lo contiene
L=ℚ(α), α=⁴√3.
Grado total
x⁴−3 es irreducible por Eisenstein, así que [L:ℚ]=4.Elemento
β=α²=√3 satisface x²−3, irreducible de grado dos.Comparar
β pertenece al cuerpo de grado cuatro, pero su propio grado es dos.
La dimensión del cuerpo da una cota, no igualdad para todos sus elementos.
Los racionales dentro de L tienen incluso grado uno sobre ℚ.
Una extensión algebraica sin dimensión finita
Considera todos los números algebraicos complejos sobre ℚ.
Elementos
Incluye una raíz αₙ de xⁿ−3 para cada n positivo.
Grados
Cada αₙ tiene grado n por Eisenstein.
Contradicción finita
Si todo el cuerpo tuviera dimensión d, ninguno de sus elementos podría tener grado mayor que d; toma n>d.
Su grado sobre ℚ es infinito aunque cada elemento sea algebraico.
La finitud de cada generador considerado por separado no proporciona una cota para una familia infinita de generadores.
7. La ley de la torre multiplica las cantidades de coordenadas
Con base bᵢ de M/K y cⱼ de L/M, los productos bᵢcⱼ generan L sobre K. Agrupar una relación primero por los cⱼ y después por los bᵢ demuestra independencia.
Un cuerpo intermedio finito tiene grado sobre K que divide al total. Al añadir un nuevo generador calculamos su mínimo sobre el cuerpo ya construido, no de nuevo sobre K. Puede tener un grado menor porque parte de la información ya estaba añadida.
La torre de grados tres y dos del dibujo
K=ℚ, M=ℚ(∛3), L=M(√5).
Primer paso
[M:ℚ]=3 por el mínimo cúbico.La raíz no estaba
Si √5 perteneciera a M, el grado dos de ℚ(√5) dividiría tres por la torre, imposible.
Segundo paso
x²−5 no tiene raíz en M, luego es irreducible allí y [L:M]=2.Multiplicar
[L:ℚ]=2·3=6; podemos usar seis productos de las dos bases.
El grado total es 6, no la suma 5.
Se justificó que el segundo generador realmente añade un paso cuadrático.
Dos radicales pueden contener la misma información
L=ℚ(√3,√12).
Dependencia
√12=2√3 ya pertenece a ℚ(√3).Segundo mínimo
Sobre M=ℚ(√3), la nueva raíz satisface el lineal x−2√3.Torre
[L:M]=1 y [L:ℚ]=1·2=2.
No se obtiene grado cuatro por ver dos raíces cuadradas.
Multiplicar dos grados calculados solo sobre ℚ habría ignorado la dependencia entre los generadores.
8. Sumar, multiplicar e invertir algebraicos mantiene la algebraicidad
Si α,β son algebraicos sobre K, K(α)/K es finita y β sigue teniendo alguna relación no nula sobre K(α). Así K(α,β)/K(α) es finita; por la torre, K(α,β)/K también. Toda suma, producto o cociente no nulo dentro de ella es algebraico.
Esto prueba que los algebraicos forman un cuerpo. A veces podemos obtener una ecuación concreta eliminando radicales; esa ecuación prueba algebraicidad. Afirmar que es el mínimo exige además irreducibilidad o un grado demostrado independientemente.
Eliminar dos raíces de una suma
s=√2+√5.
Cuadrar
s²=7+2√10.Aislar y cuadrar
(s²−7)²=40.Expandir
s⁴−14s²+9=0.
s es algebraico sobre ℚ.
Hemos producido una relación cuártica; esta cuenta sola no demuestra que sea la mínima.
El inverso también tiene una relación exacta
β=1/(√2+√5).
Racionalizar
(√2+√5)(√5−√2)=3, así que β=(√5−√2)/3.Relación
Si s=1/β, divide s⁴−14s²+9=0 entre s⁴.Reordenar
9β⁴−14β²+1=0.
β es algebraico y está en el mismo cuerpo generado por las dos raíces.
El denominador es positivo, de modo que la inversión está permitida antes de transformar la ecuación.
9. Añadir una raíz y añadir todas sus conjugadas son construcciones distintas
Para x²−3, añadir √3 incorpora también −√3 por cierre aditivo; ambas raíces quedan dentro. Para x³−3, el cuerpo real generado por ∛3 no contiene las otras dos raíces no reales.
Esto prepara cuerpos de descomposición y Galois. Antes de contar simetrías o imágenes de un generador comprobamos cuáles de sus conjugadas pertenecen al cuerpo. Conocer su mínimo no permite asumir que todas sus raíces ya están disponibles.
Una cuadrática que se descompone completamente
L=ℚ(√3).
Raíces
x²−3 tiene √3 y −√3.
Pertenencia
La segunda es −1 veces la primera y está en L.
Factores
x²−3=(x−√3)(x+√3) en L[x].
Añadir una raíz bastó para las dos en este caso.
La conclusión se comprobó con las raíces concretas; no es una regla para cualquier grado.
La cúbica del dibujo deja dos raíces fuera
α=∛3 real y ω=e^(2πi/3).
Todas las raíces
Son α,αω,αω².
Cuerpo real
Toda expresión racional en el real α con coeficientes racionales sigue siendo real.
Faltan
αω y αω² no son reales, así que no pertenecen a ℚ(α).
ℚ(∛3) no es el cuerpo de descomposición de x³−3.
El eje real del dibujo es una referencia geométrica; no afirma que todos los reales estén en ese cuerpo.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Añadir una raíz
Describe Q(√2).
Relación
α=√2 satisface x²−2.Mínimo
La irracionalidad de √2 excluye raíces racionales de esta cuadrática, así que es irreducible y mínima.
Reducir
α²=2 reduce toda potencia a un racional o un múltiplo racional de α.
Inversos
Para a+bα≠0, (a+bα)(a−bα)=a²−2b²≠0; si se anulara con b≠0 haría √2 racional, y con b=0 daría a=0.
Independencia
a+b√2=0 con a,b racionales obliga a b=0 y a=0.Descripción
Todo elemento tiene forma única a+b√2; base {1,√2} y grado dos. El producto conserva las coordenadas racionales.
Base {1,√2}; grado 2.
El producto (a+b√2)(c+d√2)=(ac+2bd)+(ad+bc)√2 conserva las coordenadas racionales y la reducción establecida.
EJEMPLO RESUELTO 2
Invertir en la extensión
Calcula 1/(1+√2).
Denominador
1+√2 es positivo y no nulo.
Conjugado
Multiplicamos numerador y denominador por 1−√2.
Producto
(1+√2)(1−√2)=1−(√2)².Reducir
La relación cuadrática da denominador −1.
Simplificar
(1−√2)/(−1)=√2−1.Verificar
(1+√2)(√2−1)=1; el inverso queda dentro de la misma base racional y no necesita otra extensión.
√2−1.
Al multiplicar, (1+√2)(√2−1)=√2−1+2−√2=1. Esto certifica el inverso calculado.
Los símbolos que hemos usado
- L/K
- Extensión de cuerpos: L contiene a K y sus operaciones restringidas a K coinciden.
- [L:K]
- Dimensión de L como espacio vectorial sobre K, llamada grado de la extensión.
- K(α)
- Menor subcuerpo que contiene K y el elemento α.
- K[α]
- Conjunto de valores f(α) para polinomios f con coeficientes en K.
- mα
- Polinomio mínimo de un elemento algebraico α: mónico irreducible que lo anula.
- Algebraico sobre K
- Elemento que satisface algún polinomio no nulo de K[x].
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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