Teorema 22.1.6.

Untuk setiap prima \(p\) dan setiap bilangan bulat positif \(n\text{,}\) terdapat lapangan hingga \(F\) dengan \(p^n\) elemen. Lebih lanjut, setiap lapangan berorde \(p^n\) isomorfik dengan lapangan pemisah dari \(x^{p^n} -x\) di atas \({\mathbb Z}_p\text{.}\)

Bukti.

Misalkan \(f(x) = x^{p^n} - x\) dan misalkan \(F\) lapangan pemisah dari \(f(x)\text{.}\) Maka menurut Lema 22.1.5, \(f(x)\) mempunyai \(p^n\) akar berbeda dalam \(F\text{,}\) karena \(f'(x) = p^n x^{p^n - 1} - 1 = -1\) relatif prima dengan \(f(x)\text{.}\) Kita mengklaim bahwa akar-akar \(f(x)\) membentuk sublapangan dari \(F\text{.}\) Jelas bahwa 0 dan 1 merupakan akar dari \(f(x)\text{.}\) Jika \(\alpha\) dan \(\beta\) merupakan akar dari \(f(x)\text{,}\) maka \(\alpha + \beta\) dan \(\alpha \beta\) juga merupakan akar dari \(f(x)\text{,}\) karena \(\alpha^{p^n} + \beta^{p^n} = (\alpha + \beta)^{p^n}\) dan \(\alpha^{p^n} \beta^{p^n} = (\alpha \beta)^{p^n}\text{.}\) Kita juga perlu menunjukkan bahwa invers aditif dan invers multiplikatif dari setiap akar \(f(x)\) merupakan akar dari \(f(x)\text{.}\) Untuk sebarang akar \(\alpha\) dari \(f(x)\text{,}\) kita mengetahui bahwa \(-\alpha\) juga merupakan akar dari \(f(x)\text{,}\) karena
\begin{equation*} f(-\alpha) = (-\alpha)^{p^n} - (-\alpha) = -\alpha^{p^n} + \alpha = -(\alpha^{p^n} - \alpha) = 0\text{,} \end{equation*}
asalkan \(p\) ganjil. Jika \(p = 2\text{,}\) maka
\begin{equation*} f(-\alpha) = (-\alpha)^{2^n} - (-\alpha) = \alpha + \alpha = 0\text{.} \end{equation*}
Jika \(\alpha \neq 0\text{,}\) maka \((\alpha^{-1})^{p^n} = (\alpha^{p^n})^{-1} = \alpha^{-1}\text{.}\) Karena akar-akar \(f(x)\) membentuk sublapangan dari \(F\) dan \(f(x)\) terurai dalam sublapangan ini, sublapangan tersebut haruslah seluruh \(F\text{.}\)
Misalkan \(E\) sebarang lapangan lain berorde \(p^n\text{.}\) Untuk menunjukkan bahwa \(E\) isomorfik dengan \(F\text{,}\) kita harus menunjukkan bahwa setiap elemen dalam \(E\) merupakan akar dari \(f(x)\text{.}\) Jelas bahwa 0 merupakan akar dari \(f(x)\text{.}\) Misalkan \(\alpha\) elemen tak nol dari \(E\text{.}\) Orde grup multiplikatif elemen tak nol dari \(E\) adalah \(p^n-1\text{;}\) jadi, \(\alpha^{p^n-1} =1\) atau \(\alpha^{p^n} -\alpha = 0\text{.}\) Karena \(E\) memuat \(p^n\) elemen, \(E\) harus merupakan lapangan pemisah dari \(f(x)\text{;}\) tetapi, menurut Korolari 21.2.8, lapangan pemisah sebarang polinomial tunggal hingga isomorfisma.
Dalam Konteks