Примітивні елементи скінченного поля
Примітивним елементом поля
називається такий елемент
, що всі ненульові елементи поля можна зобразити у вигляді степеня елемента
.
Приклад 7. 1) Всі ненульові елементи поля
зображені у вигляді степенів елемента
.
2) Примітивним елементом скінченного поля
є 2, тому що
,
,
,
.
Примітивні елементи скінченного поля
за простим
розглядалися раніше в теорії чисел під назвою первісних коренів за модулем
.
Означення. Порядком елемента
скінченного поля
називається найменше натуральне число
з умовою
. Позначається
.
Якщо
– елемент порядку
мультиплікативної групи
поля
, то
1)
;
2)
є дільником числа
;
3)
або
.
Зауваження. Якщо
– просте число, то елемент
поля
можна розглядати як клас лишків кільця
цілих чисел за простим модулем
, представником якого є елемент
. Тоді умова
рівносильна умові
, через що порядок будь-якого елемента
мультиплікативної групи
поля
дорівнює показнику, якому належить ціле число
за простим модулем
.
Приклад 8. Визначити порядки елементів скінченого поля
.
Розв’язання. Порядок елемента поля
є дільником числа
, тобто прядки елементів містяться серед чисел 1,2,3,6.
Для елемента 2:
,
,
,
отже
.
Для елемента 3:
,
,
,
,
, 
отже
.
Для елемента 4:
,
,
,
отже
.
Для елемента 5:
,
,
,
,
, 
отже
.
Для елемента 6:
,
,
отже
.
Для будь-якого ненульового елемента
порядку
з поля
виконуються наступні твердження:
1. Якщо
, то
,
.
2. Елементи
поля
всі різні.
3. Елементи
поля
являють собою всі корені многочлена
.
4. Порядок елемента
,
, дорівнює
(
– НСД чисел
і
). Зокрема, якщо
, то
.
5. Число всіх елементів поля
, порядок яких збігається з порядком
елемента
, дорівнює значенню функції Ейлера
.
Важливі властивості мультиплікативної групи
поля
сформулюємо у вигляді наступних теорем.
Теорема. Якщо
– ненульові елементи поля
, то
.
Доведення. Нехай
– довільний елемент мультиплікативної групи
поля
,
– порядок цього елемента. Тоді за теоремою Лагранжа (Порядок скінченої групи ділиться на порядок кожної своєї підгрупи)
ділить число
, тобто
. Отже,
і
дійсно є коренем многочлена
.□
Теорема (про мультиплікативну групу поля
). Мультиплікативна група
ненульових елементів поля
є циклічною.
Доведення. Розглянемо випадок
. Порядок групи
дорівнює
. Якщо число
розкладено на прості множники
, то для кожного
, у полі
многочлен
має не більше
коренів. А оскільки
, то у полі
існують ненульові елементи, які не є коренями цього многочлена. Нехай
– саме такий елемент поля. Покладемо
. В такому разі
, а тому порядок елемента
є дільником числа
і через це має вигляд
, де
. З іншого боку
і порядок елемента
дорівнює
.
Покажемо тепер, що елемент
має порядок
. Припустимо супротивне. Нехай додатково порядок елемента
– власний дільник числа
, а значить, і дільник принаймні одного з цілих чисел
,
. Тоді
.
Тепер, якщо
, то
ділить число
. Звідси
, тобто порядок елемента
повинен ділити число
, що неможливо, оскільки він дорівнює
.
Отже,
– циклічна група з твірним елементом
.□
Теорема (про примітивний елемент поля
). В кожному полі Галуа існує примітивний елемент.
Доведення. Оскільки всі ненульові елементи поля Галуа
утворюють циклічну групу
, то серед них існує елемент порядку
, який є примітивним. □
З останньої теореми випливає, що примітивним елементом поля
є твірний елемент
циклічної групи
.