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Wedderburn's little theorem

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1050: 846: 81:), Wedderburn's first proof was incorrect – it had a gap – and his subsequent proofs appeared only after he had read Dickson's correct proof. On this basis, Parshall argues that Dickson should be credited with the first correct proof. 415: 780: 2305: 841: 3467: 2777: 2704: 1045:{\displaystyle N_{L/K}(\alpha )=\prod _{\sigma \in \mathrm {Gal} (L/K)}\sigma (\alpha )=\alpha \cdot \alpha ^{q}\cdot \alpha ^{q^{2}}\cdots \alpha ^{q^{n-1}}=\alpha ^{\frac {q^{n}-1}{q-1}}.} 3307: 1358: 2952: 3721: 3110: 466: 3215: 3597: 654: 1144: 2572: 3023: 2983: 2860: 2628: 2597: 1100: 2400: 2208: 1200: 2346: 2147: 1279: 609: 2895: 2490: 2455: 2523: 2049: 2020: 1991: 1913: 1864: 1697: 1235: 1070: 3660: 3536: 3496: 3330: 3244: 1792: 512: 182: 2174: 269: 1942: 1726: 1648: 1553: 1484: 1173: 328:
in 1964. This proof, Kaczynski's first published piece of mathematical writing, was a short, two-page note which also acknowledged the earlier historical proofs.
3049: 1599: 540: 315: 677: 563: 3640: 3620: 3516: 3390: 3370: 3350: 3154: 3134: 2821: 2801: 2420: 2366: 2109: 2089: 2069: 1962: 1884: 1832: 1812: 1766: 1746: 1668: 1619: 1573: 1524: 1504: 1452: 1432: 1405: 1385: 289: 242: 222: 202: 137: 110: 686: 3859:(1983). "In pursuit of the finite division algebra theorem and beyond: Joseph H M Wedderburn, Leonard Dickson, and Oswald Veblen". 351: 2219: 3752: 680: 271:
elements; so they are isomorphic and thus are conjugate by Skolem–Noether. But a finite group (the multiplicative group of
785: 340:
of a finite field is trivial. In fact, this characterization immediately yields a proof of the theorem as follows: let
3398: 2709: 2636: 3885: 3252: 1307: 3925: 1414:
To prove that every finite skew-field is a field, we use strong induction on the size of the skew-field. Thus, let
3779: 77:
shortly after Wedderburn's original proof, and Dickson acknowledged Wedderburn's priority. However, as noted in (
3877: 3805: 2900: 3668: 3057: 420: 3162: 2211: 1367:, and thus, surjective by counting. It follows from elementary group theory that the nonzero elements of 3544: 614: 1835: 89: 1105: 2538: 2526: 2992: 2957: 2829: 2602: 2580: 1075: 2371: 2179: 1178: 469: 2313: 2114: 1240: 568: 475:
The triviality of the Brauer group can also be obtained by direct computation, as follows. Let
2865: 2530: 2460: 2425: 74: 54: 2495: 2025: 1996: 1967: 1889: 1840: 1673: 1364: 1205: 1055: 3645: 3521: 3475: 3315: 3223: 1771: 478: 142: 2152: 1455: 247: 117: 43: 3910: 3762: 1918: 1702: 1624: 1529: 1460: 1149: 8: 3028: 1578: 517: 294: 35: 659: 545: 73:
in 1905, who went on to prove the theorem in two other ways. Another proof was given by
3822: 3625: 3605: 3501: 3375: 3355: 3335: 3139: 3119: 2806: 2786: 2405: 2351: 2094: 2074: 2054: 1947: 1869: 1817: 1797: 1751: 1731: 1653: 1604: 1558: 1509: 1489: 1437: 1417: 1390: 1370: 274: 227: 207: 187: 122: 95: 3881: 3748: 345: 88:. Witt's proof is sketched below. Alternatively, the theorem is a consequence of the 70: 3901: 3814: 3758: 1886:
is clearly a skew-field and thus a field, by the induction hypothesis, and because
113: 58: 3791: 3744: 3841: 3856: 3919: 1408: 325: 47: 31: 1434:
be a skew-field, and assume that all skew-fields that are proper subsets of
3906: 3803:
Kaczynski, T.J. (June–July 1964). "Another Proof of Wedderburn's Theorem".
337: 321: 291:
in our case) cannot be a union of conjugates of a proper subgroup; hence,
3246:
using factorization over the complex numbers. In the polynomial identity
39: 20: 3826: 2310:
where the sum is taken over the conjugacy classes not contained within
85: 28: 331: 3818: 410:{\displaystyle \operatorname {Br} (K)=H^{2}(K^{\text{al}}/K)} 775:{\displaystyle H^{2}(L/K)=K^{\times }/N_{L/K}(L^{\times }),} 2368:
are defined so that for each conjugacy class, the order of
3741:
Points and lines. Characterizing the classical geometries
336:
The theorem is essentially equivalent to saying that the
2300:{\displaystyle q^{n}-1=q-1+\sum {q^{n}-1 \over q^{d}-1}} 3911:
http://mizar.org/version/current/html/weddwitt.html#T38
3671: 3648: 3628: 3608: 3547: 3524: 3504: 3478: 3401: 3378: 3358: 3338: 3318: 3255: 3226: 3165: 3142: 3122: 3060: 3031: 2995: 2960: 2903: 2868: 2832: 2809: 2789: 2712: 2639: 2605: 2583: 2541: 2498: 2463: 2428: 2408: 2374: 2354: 2316: 2222: 2182: 2155: 2117: 2097: 2077: 2057: 2028: 1999: 1970: 1950: 1921: 1892: 1872: 1843: 1820: 1800: 1774: 1754: 1734: 1705: 1676: 1656: 1627: 1607: 1581: 1561: 1532: 1512: 1492: 1463: 1440: 1420: 1393: 1373: 1310: 1243: 1208: 1181: 1152: 1108: 1078: 1058: 849: 788: 689: 662: 617: 571: 548: 520: 481: 423: 354: 297: 277: 250: 230: 210: 190: 145: 125: 98: 84:
A simplified version of the proof was later given by
61:: every finite alternative division ring is a field. 3790:
Theorem 4.1 in Ch. IV of Milne, class field theory,
3715: 3654: 3634: 3614: 3591: 3530: 3510: 3490: 3461: 3384: 3364: 3344: 3324: 3301: 3238: 3209: 3148: 3128: 3104: 3043: 3017: 2977: 2946: 2889: 2854: 2815: 2795: 2771: 2698: 2622: 2591: 2566: 2517: 2484: 2449: 2414: 2394: 2360: 2340: 2299: 2202: 2168: 2141: 2103: 2083: 2063: 2043: 2014: 1985: 1956: 1936: 1907: 1878: 1858: 1826: 1806: 1786: 1760: 1740: 1720: 1691: 1662: 1642: 1613: 1593: 1567: 1547: 1518: 1498: 1478: 1446: 1426: 1399: 1379: 1352: 1273: 1229: 1194: 1167: 1138: 1094: 1064: 1044: 836:{\displaystyle N_{L/K}:L^{\times }\to K^{\times }} 835: 774: 671: 648: 603: 557: 534: 506: 460: 409: 332:Relationship to the Brauer group of a finite field 309: 283: 263: 236: 216: 196: 176: 131: 104: 2210:as groups under multiplication, we can write the 3917: 3462:{\displaystyle |\Phi _{n}(q)|=\prod |q-\zeta |.} 2772:{\displaystyle x^{d}-1=\prod _{m|d}\Phi _{m}(x)} 2699:{\displaystyle x^{n}-1=\prod _{m|n}\Phi _{m}(x)} 3792:http://www.jmilne.org/math/CourseNotes/cft.html 3774: 3772: 3302:{\displaystyle \Phi _{n}(x)=\prod (x-\zeta ),} 1353:{\displaystyle a\mapsto ax,a\mapsto xa:A\to A} 3842:http://www.jmilne.org/math/CourseNotes/GT.pdf 3902:Proof of Wedderburn's Theorem at Planet Math 3861:Archives of International History of Science 3769: 3840:e.g., Exercise 1-9 in Milne, group theory, 3802: 2962: 2607: 2585: 1387:form a group under multiplication. Thus, 3880:. Vol. 131 (2 ed.). Springer. 3855: 1175:and therefore it must be a generator of 78: 2947:{\displaystyle {x^{n}-1 \over x^{d}-1}} 3918: 3874:A first course in noncommutative rings 3716:{\displaystyle |\Phi _{n}(q)|>q-1.} 3105:{\displaystyle |\Phi _{n}(q)|\leq q-1} 2630:and respect the following identities: 1072:to be a generator of the cyclic group 461:{\displaystyle H^{1}(K^{\text{al}}/K)} 3738: 3210:{\displaystyle |\Phi _{n}(q)|>q-1} 1964:can be viewed as a vector space over 1915:can be viewed as a vector space over 1293:be a finite domain. For each nonzero 679:and the standard method of computing 3051:, and therefore by taking the norms 3871: 3592:{\displaystyle |q-\zeta |>|q-1|} 649:{\displaystyle \mathrm {Gal} (L/K)} 13: 3678: 3408: 3257: 3172: 3067: 2997: 2834: 2751: 2678: 2543: 1575:. Our objective is then to show 898: 895: 892: 681:cohomology of finite cyclic groups 625: 622: 619: 42:, there is no distinction between 14: 3937: 3895: 3498:, we see that for each primitive 2989:so by the above class equation, 1139:{\displaystyle N_{L/K}(\alpha )} 542:be a finite extension of degree 69:The original proof was given by 1834:that is not in the center, the 1728:contains the distinct elements 92:by the following argument. Let 3834: 3796: 3784: 3732: 3697: 3693: 3687: 3673: 3585: 3571: 3563: 3549: 3452: 3438: 3427: 3423: 3417: 3403: 3392:and then take absolute values 3293: 3281: 3272: 3266: 3191: 3187: 3181: 3167: 3086: 3082: 3076: 3062: 3012: 3006: 2972: 2966: 2849: 2843: 2766: 2760: 2741: 2693: 2687: 2668: 2617: 2611: 2577:The cyclotomic polynomials on 2558: 2552: 2328: 2322: 2129: 2123: 1931: 1925: 1715: 1709: 1637: 1631: 1542: 1536: 1473: 1467: 1344: 1329: 1314: 1268: 1254: 1237:is surjective, and therefore 1133: 1127: 930: 924: 916: 902: 874: 868: 820: 766: 753: 714: 700: 643: 629: 581: 573: 491: 483: 455: 434: 404: 383: 367: 361: 158: 146: 1: 3878:Graduate Texts in Mathematics 3849: 3806:American Mathematical Monthly 2567:{\displaystyle \Phi _{f}(q).} 344:be a finite field. Since the 3831:(Jstor link, requires login) 3018:{\displaystyle \Phi _{n}(q)} 2978:{\displaystyle \mathbb {Z} } 2855:{\displaystyle \Phi _{n}(x)} 2623:{\displaystyle \mathbb {Z} } 2592:{\displaystyle \mathbb {Q} } 1095:{\displaystyle L^{\times },} 468:, which in turn vanishes by 224:. Every maximal subfield of 7: 3662:in the complex plane. Thus 3602:because of the location of 2395:{\displaystyle {Z}_{x}^{*}} 2203:{\displaystyle {Z}_{x}^{*}} 1195:{\displaystyle K^{\times }} 656:is a cyclic group of order 57:generalizes the theorem to 25:Wedderburn's little theorem 10: 3942: 2341:{\displaystyle {Z(A)}^{*}} 2142:{\displaystyle {Z(A)}^{*}} 1274:{\displaystyle H^{2}(L/K)} 604:{\displaystyle |L|=q^{n}.} 204:denote the cardinality of 64: 3739:Shult, Ernest E. (2011). 2890:{\displaystyle {x}^{n}-1} 2485:{\displaystyle {q}^{n}-1} 2450:{\displaystyle {q}^{d}-1} 3743:. Universitext. Berlin: 3726: 3352:-th roots of unity, set 3332:runs over the primitive 3116:To see that this forces 2527:polynomial factorization 1284: 348:vanishes by finiteness, 3926:Theorems in ring theory 3872:Lam, Tsit-Yuen (2001). 2803:is a proper divisor of 2518:{\displaystyle q^{d}-1} 2044:{\displaystyle {q}^{d}} 2015:{\displaystyle {Z}_{x}} 1986:{\displaystyle {Z}_{x}} 1908:{\displaystyle {Z}_{x}} 1859:{\displaystyle {Z}_{x}} 1692:{\displaystyle {q}^{n}} 1526:is a vector space over 1230:{\displaystyle N_{L/K}} 1065:{\displaystyle \alpha } 3717: 3656: 3655:{\displaystyle \zeta } 3636: 3616: 3593: 3532: 3531:{\displaystyle \zeta } 3512: 3492: 3491:{\displaystyle n>1} 3463: 3386: 3366: 3346: 3326: 3325:{\displaystyle \zeta } 3303: 3240: 3239:{\displaystyle n>1} 3211: 3150: 3130: 3106: 3045: 3019: 2979: 2948: 2891: 2856: 2817: 2797: 2773: 2700: 2624: 2593: 2568: 2531:cyclotomic polynomials 2519: 2486: 2451: 2416: 2396: 2362: 2342: 2301: 2204: 2170: 2143: 2105: 2085: 2065: 2045: 2016: 1987: 1958: 1938: 1909: 1880: 1860: 1828: 1808: 1788: 1787:{\displaystyle q>1} 1762: 1742: 1722: 1693: 1664: 1644: 1615: 1595: 1569: 1555:with finite dimension 1549: 1520: 1500: 1480: 1454:are fields. Since the 1448: 1428: 1401: 1381: 1354: 1275: 1231: 1196: 1169: 1140: 1096: 1066: 1046: 837: 776: 673: 650: 605: 559: 536: 508: 507:{\displaystyle |K|=q,} 462: 411: 311: 285: 265: 238: 218: 198: 178: 177:{\displaystyle =n^{2}} 133: 106: 90:Skolem–Noether theorem 75:Leonard Eugene Dickson 38:. In other words, for 3718: 3657: 3637: 3617: 3594: 3533: 3513: 3493: 3464: 3387: 3367: 3347: 3327: 3304: 3241: 3212: 3151: 3131: 3107: 3046: 3020: 2980: 2949: 2892: 2857: 2818: 2798: 2774: 2701: 2625: 2594: 2569: 2520: 2487: 2452: 2417: 2397: 2363: 2343: 2302: 2205: 2171: 2169:{\displaystyle A^{*}} 2144: 2106: 2086: 2066: 2046: 2017: 1988: 1959: 1939: 1910: 1881: 1861: 1829: 1809: 1789: 1763: 1743: 1723: 1694: 1665: 1645: 1616: 1596: 1570: 1550: 1521: 1501: 1481: 1449: 1429: 1402: 1382: 1365:cancellation property 1363:are injective by the 1355: 1276: 1232: 1202:. This implies that 1197: 1170: 1141: 1097: 1067: 1047: 838: 777: 674: 651: 606: 560: 537: 509: 463: 412: 324:" proof was given by 312: 286: 266: 264:{\displaystyle q^{n}} 239: 219: 199: 179: 134: 107: 3669: 3646: 3626: 3606: 3545: 3522: 3502: 3476: 3399: 3376: 3356: 3336: 3316: 3253: 3224: 3163: 3140: 3120: 3058: 3029: 2993: 2958: 2901: 2866: 2830: 2807: 2787: 2710: 2637: 2603: 2581: 2539: 2496: 2461: 2426: 2406: 2372: 2352: 2314: 2220: 2180: 2153: 2115: 2095: 2075: 2055: 2026: 1997: 1968: 1948: 1937:{\displaystyle Z(A)} 1919: 1890: 1870: 1841: 1818: 1798: 1772: 1752: 1732: 1721:{\displaystyle Z(A)} 1703: 1699:. Note that because 1674: 1654: 1643:{\displaystyle Z(A)} 1625: 1605: 1579: 1559: 1548:{\displaystyle Z(A)} 1530: 1510: 1490: 1479:{\displaystyle Z(A)} 1461: 1438: 1418: 1391: 1371: 1308: 1241: 1206: 1179: 1168:{\displaystyle q-1,} 1150: 1106: 1076: 1056: 847: 786: 687: 660: 615: 569: 546: 518: 479: 421: 352: 295: 275: 248: 228: 208: 188: 143: 123: 96: 3044:{\displaystyle q-1} 2391: 2199: 1594:{\displaystyle n=1} 782:where the norm map 535:{\displaystyle L/K} 310:{\displaystyle n=1} 3713: 3652: 3632: 3612: 3589: 3528: 3518:-th root of unity 3508: 3488: 3459: 3382: 3362: 3342: 3322: 3299: 3236: 3207: 3146: 3126: 3102: 3041: 3015: 2975: 2944: 2887: 2852: 2813: 2793: 2769: 2749: 2696: 2676: 2620: 2589: 2564: 2515: 2482: 2447: 2412: 2392: 2375: 2358: 2338: 2297: 2200: 2183: 2166: 2139: 2101: 2081: 2061: 2041: 2012: 1983: 1954: 1934: 1905: 1876: 1856: 1824: 1804: 1784: 1758: 1738: 1718: 1689: 1660: 1640: 1611: 1591: 1565: 1545: 1516: 1496: 1476: 1444: 1424: 1397: 1377: 1350: 1271: 1227: 1192: 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Index

mathematics
finite
division ring
field
finite rings
domains
division rings
Artin–Zorn theorem
alternative rings
Joseph Wedderburn
Leonard Eugene Dickson
Parshall 1983
Ernst Witt
Skolem–Noether theorem
division algebra
center
group-theoretic
Ted Kaczynski
Brauer group
Herbrand quotient
Hilbert 90
cohomology of finite cyclic groups
cancellation property
skew-field
center
centralizer
class equation
polynomial factorization
cyclotomic polynomials
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