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 .