在
数论中,分圆域是在有理数域Q中添加
复数单位根进行扩张而得到的
数域。将n次单位根 加入而得到的分圆域称为n次分圆域,记作 。
由于与
费马最后定理的联系,分圆域在现代代数和数论的研究中扮演着重要的角色。正是因为
库默尔对这些数域上(特别是当p为
素数时)的算术的深入研究,特别是在相应
整环上唯一分解定理的失效,使得库默尔引入了
理想数的概念,并证明了著名的库默尔同余。
n次分圆域是多项式 的分裂域,因此是有理数域的伽罗瓦扩域。这个扩张的次数:等于 ,其中 是
欧拉函数。 的所有伽罗瓦共轭是 ,其中 a 遍历模 n的简化剩余系(所有与 n 互质的剩余类)。同样地,n次分圆域的
伽罗瓦群同构于模 n 的乘法群 ,其元素为
高斯最早在研究尺规作
正多边形问题时涉及到了分圆域的理论。这个几何问题实际上可以被转化为
伽罗瓦理论下的叙述:对什么样的n,n次分圆域可以通过若干次的二次扩张得到?高斯发现
正十七边形是可以用尺规作出的。更一般地说,对于一个素数p,正p边形可以用尺规作出当且仅当p为费马素数。
研究费马最后定理时,一个很自然的思路是将分解为的形式,其中的n是一个奇素数。这样得到的一次因式都是n次分圆域中的
代数整数。如果在n次分圆域中
算术基本定理成立,代数整数的素数分解是唯一的,那么可以通过它来确定方程是否有非平凡解。
然而,对于一般的n,这个结论是错误的。但是,库默尔找到了一个绕过这个困难的办法。他引进了“
理想数”的概念,作为对素数概念的改良。他将代数整数的素数分解不唯一的概念量化为
类数:hp,并证明了如果hp不能被p整除(这样的p被称为正规素数),那么费马的猜想对于n=p是成立的。此外,他给出了库默尔准则来判断素数是否是正规的。运用这个准则,库默尔检验了100以下的素数,除了三个“不正规”的:37、59和67。