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Fuerte caracterización de $\mathbb C$ con respecto a los $\mathbb R$

$\mathbb R^2$ , no es un campo, sino $2$-tupla de la aritmética reglas como $(a,b)(c,d)=(ac-bd,ad+bc)$, junto con $\mathbb R^2$ hacen de ella un campo, pero hay otras reglas de $(a,b)(c,d)=(ac-db,ad+bc)$ combinado con $\mathbb R^2$ que hacen de ella un campo?

Es $\mathbb C$ el único campo que contiene $\mathbb R$ como un subcampo o hay otros campos que contienen $\mathbb R$ subcampos?

Es $\mathbb C$ el único que puede ser hecho por el acoplamiento $\mathbb R^2$ y reglas como $(a,b)(c,d)$ $=$ $(ac-db,ad+bc)$? Hay otras reglas que pueden ser acoplados con $\mathbb R^2$ sea un campo?

PS: Sólo tratando de definir algunas propiedades que hacen de $\mathbb C$ /especiales únicas de otros campos que puede/pueden ser construidos usando algunos específicos de la estructura algebraica de 2 tuplas en $\mathbb R$ por ejemplo $(\sqrt 2,\pi)$. En este punto, esto es sólo una red tan amplia como me falta la terminología para hacer esta pregunta específica. Pero consejos sobre cómo hacer esta pregunta específica listado de propiedades que hacen de $\mathbb C$ único o da fuerte caracterización de la relación entre el $\mathbb C$ $\mathbb R$ son bienvenidos.

9voto

Xenph Yan Puntos 20883

Para cualquier campo $F$, el campo de $F(t)$ de una función racional en la variable $t$ es un campo que contenga $F$. El grado $[F(t):F]$ es infinito, y $F(t)$ es un trascendental (es decir, no algebraicas) la extensión de $F$. Cualquiera de estas observaciones es suficiente para comprobar que el $\mathbb{R}(t)\not\cong\mathbb{C}$ (como extensiones de $\mathbb{R}$), debido a que $[\mathbb{C}:\mathbb{R}]=2$ $\mathbb{C}/\mathbb{R}$ es algebraico. Por otra parte, no es ni siquiera un resumen isomorfismo entre el $\mathbb{R}(t)$ $\mathbb{C}$ (es decir, uno que no necesariamente respetar el camino de $\mathbb{R}$ se encuentra dentro de cada uno de ellos) porque $\mathbb{R}(t)$, y, de hecho, $F(t)$ para cualquier campo $F$, no es algebraicamente cerrado, mientras que el $\mathbb{C}$ es.

También, esto es hasta el isomorfismo; técnicamente, si has elegido lo que quieres decir por "$\mathbb{C}$" y yo tome su $\mathbb{C}$ y la pintura de los elementos de $\mathbb{C}\setminus\mathbb{R}$ rojo, que es un campo diferente de $\mathbb{C}$ que contiene $\mathbb{R}$. Del mismo modo, $\mathbb{C}$ $\mathbb{R}^2$ son diferentes cosas; sí, $\mathbb{C}$ es una de dos dimensiones reales de espacio vectorial, y por lo que a menudo pensamos en él como un avión, pero esta es una identificación que estamos haciendo - que no son, literalmente iguales.

Sí, si $F$ es un campo que contenga $\mathbb{R}$ $[F:\mathbb{R}]=2$ (es decir, $F\cong \mathbb{R}^2$ como verdaderos espacios vectoriales), a continuación,$F\cong \mathbb{C}$. Esto es debido a que $[F:\mathbb{R}]$ finito $\implies$ $F$ es una extensión algebraica de $\mathbb{R}$, lo $\overline{F}$ (el algebraicas cierre de $F$) es algebraicamente cerrado campo que contiene $\mathbb{R}$ y que es una extensión algebraica de $\mathbb{R}$, por lo que el $\overline{F}$ es también una expresión algebraica cierre de $\mathbb{R}$, y por lo tanto $\overline{F}\cong\mathbb{C}$.

La más sencilla caracterización de $\mathbb{C}$ es sólo que es una clausura algebraica de $\mathbb{R}$. También es cierto que $\mathbb{C}$ (hasta el isomorfismo) el único algebraicamente cerrado campo de la característica $0$ y cardinalidad $\mathfrak{c}$.

6voto

riza Puntos 170

En primer lugar, ${\bf R}^2$, no es un campo. Déjame construir la idea que usted desea. Si $L/K$ es una extensión de campo, a continuación, en particular, $L$ es un espacio vectorial sobre $K$, y el grado de la extensión de $[L:K]$ se define como la dimensión$\dim_KL$$L$$K$. Así que tal vez desee pedir a

Pregunta: ¿Qué tipo de grado $2$ extensiones de los reales hay?

Respuesta: Los números complejos son los únicos que dicha extensión.

Esto requiere sólo el más básico de la teoría del campo; si $K/{\bf R}$ es un grado dos de extensión, a continuación, $K={\bf R}(a)$ cualquier $a\in K\setminus{\bf R}$, y un $a$ tiene un mínimo de polinomio de grado dos en $\bf R$, la única irreducibles sobre $\bf R$ son de la forma$(x+s)^2+b$$b>0$, lo ${\bf R}(a)\cong {\bf R}(\sqrt{-b})={\bf R}(i)={\bf C}$.

Nota: la notación $F(a)$ donde $F$ es de campo, significa "la más pequeña de campo que contenga $F$$a$," donde $a$ vive en algún campo que contenga $F$.


Hay muchos campos en los que figure $\bf R$ no sólo en el de $\bf C$. La teoría de campo da maneras de construir el campo de las extensiones de cualquier campo, de hecho. Aquí hay una manera: si $F$ es un campo que no es algebraicamente cerrado, entonces hay algunas polinomio $p(x)\in F[x]$ que no tiene una raíz en $F$, y podemos lindan con una raíz del polinomio a $F$ mediante el cociente del anillo de $F[x]/(p(x))$.

(Sin embargo, sí tiene sentido lindan con diferentes raíces y obtener distintas extensiones, a pesar de que las extensiones son isomorfos como campos, desde la perspectiva de algunos que recubre campo $L/F$. Por ejemplo, contigua a la verdadera raíz cúbica de a $2$ $\bf Q$y contiguo al complejo de la raíz cúbica de a $2$ $\bf Q$la producción de dos distintos campos de número, campo finito extensiones de $\bf Q$.)

Otra forma es unirse a un trascendental elemento. Si $F$ es un campo y queremos $T$ a ser un elemento trascendental$F$, $F(T)$ puede ser pensado como el campo de todas las funciones racionales en la variable $T$ con coeficientes de $F$. (En el caso de característica positiva, debemos ser rápidos nota que dos funciones racionales, en realidad de dos polinomios, puede actuar de la misma función aunque son diferentes expresiones abstractas.)

Esto tiene sentido: si hay dos distintas funciones racionales $a(\cdot)/b(\cdot)$ $c(\cdot)/d(\cdot)$ tal que $a(T)/b(T)=c(T)/d(T)$$F(T)$, $a(T)d(T)-b(T)c(T)=0$ hacer $T$ algebraica, una contradicción. Por lo tanto $F(T)$ contiene todas las funciones racionales en $T$ como elementos distintos, y por definición de minimality esto significa $F(T)$ necesidad no contienen otros elementos.

Hay un analíticamente inspirado camino de la creación de los campos que yo también lo nota. Si un campo $F$ también es un espacio métrico, entonces el espacio métrico de la finalización del campo de $F$ también será un campo. Esto puede ser construido de manera abstracta como el anillo de todas las secuencias de elementos de $F$ que son de Cauchy con respecto a la métrica, el modulo de la máxima ideal compuesto de secuencias nulas (aquellos en los que convergen a $0$ en la métrica).

Pregunta: ¿Qué tipo de formas que hay para la construcción de nuevos campos a partir de las viejas?

Respuesta: Contigua algebraicas elementos, junto trascendental de los elementos, completando con respecto a una métrica, la toma de ciertos tipos de cierres.

Un ejemplo de un cierre es una clausura algebraica de un campo. Podemos decir $\bar{F}$ algebraica de cierre de $F$ es es (i) algebraicamente cerrado, (ii) contiene $F$, y (iii) no hay ningún campo que se extiende entre los $\bar{F}$ $F$ que también es algebraicamente cerrado. De hecho, cualquiera de los dos algebraica de los cierres de un campo de $F$ va a ser isomorfo (un hecho que requiere una cierta cantidad de su elección.) Podemos limitarnos a demás dispositivos de cierre, tales como la máxima abelian extensión, máximas (total/confiando inocentemente) ramificado, extensiones, etc.


No hay más que decir acerca de la singularidad de extensiones de campo y su relación con la $\bf C$ que en la primera sección anterior. De hecho, con el axioma de elección,

Pregunta ¿cuántos algebraicamente cerrado campos de cardenal tamaño de $\kappa\ge{\frak c}:=|{\bf R}|$ hay?

Respuesta: siempre Hay sólo uno, hasta el isomorfismo.

Yo en realidad no sé cómo probar tal hecho.

1voto

GmonC Puntos 114

Simplemente porque no creo que la primera pregunta se refiere explícitamente en otras respuestas:

Hay otras reglas de $(a,b)\times(c,d)=(ac−db,ad+bc)$ que hacer (la $\Bbb R$-espacio vectorial) $\Bbb R^2$ un campo?

Sí, los hay, pero el campo se define siempre es isomorfo a $\Bbb C$ (por transferencia a través de algunos lineal isomorfismo de $\Bbb R^2$, generalmente diferente de la identidad). Para limitar trivial variaciones un poco podemos insistir en que el elemento $1$ de el campo se se $(1,0)$, por lo que, en cualquier caso,$(a,0)\times(c,0)=(ac,0)$. Si usted llama a $x$ el elemento $(0,1)$,$(a,b)=a+bx$, por lo que la multiplicación está totalmente determinado por el conocimiento de $x^2=(s,t)$, es decir,$(a,b)\times(c,d)=(ac+sbd,ad+bc+tbd)$. No todas las opciones se traducirá en un campo, aunque. El elemento $x$ va a satisfacer la ecuación de $x^2=s+tx$, por lo que si ponemos $P=X^2-tX-s$, a continuación, la estructura será el cociente del anillo de $\Bbb R[X]/(P)$. Este será un campo si y sólo si $P$ no hay raíces reales, lo que sucede cada vez que se ha discriminante negativo: $D=t^2+4s<0$. En este caso el lineal del mapa a los números complejos, es decir, a $\Bbb R^2$ con la habitual del producto, que envía a $(1,0)$$(1,0)$, e $x=(0,1)$ a los complejos de raíz de $(\frac t2,\frac12\sqrt{-D})$ del polinomio $P$, es fácilmente demostrado ser un isomorfismo de los campos.

1voto

Mat Puntos 155

Esto no es realmente una respuesta a su pregunta, sino que parece estar interesado en la medida en que la compleja estructura en $\mathbb{C}$ es 'especial' o 'único'. Creo que el Gelfand-teorema de Mazur podría ser de interés para usted. Surge en el estudio de la teoría espectral de operadores en espacios de Banach:

Si $A$ es un conmutativa complejo álgebra de Banach, en la que cada elemento distinto de cero es invertible, entonces a $A$ es isométrico y isomorfo a $\mathbb{C}$.

En otras palabras, si te doy un álgebra de Banach $A$ $\mathbb{C}$ que satisface la multiplicativo y aditivo desigualdades $\|xy\| \leq \|x\|\|y\|$$\|x+y\| \leq \|x\|+\|y\|$, siempre y cuando el espacio es i) completar y ii) un "campo", que el espacio debe ser el de los números complejos.

La prueba es también muy simple, si usted asume el (no trivial) resultado de que el espectro de cualquier elemento $x \in A$ no vacío. Decir que $\lambda \in \mathrm{sp}(x)$ es decir que $x-\lambda e$ no es invertible. La única que no es invertible elemento en $A$ es 0, por lo $x-\lambda e = 0$. El isomorfismo $\phi(x) = \lambda$ también es una isometría.

Este teorema resulta útil en la definición de la Gelfand de transformación (ver Rudin del análisis funcional, en el capítulo 11).

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