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Stefan Kebekus 2023-12-08 09:33:30 +01:00
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@ -6,12 +6,12 @@
\sideremark{Vorlesung 12}Bevor es richtig losgeht, stelle ich schnell noch \sideremark{Vorlesung 12}Bevor es richtig losgeht, stelle ich schnell noch
einige Grundbegriffe zusammen, die wir später an allen möglichen Stellen einige Grundbegriffe zusammen, die wir später an allen möglichen Stellen
brauchen. Den ersten Begriff erkläre ich am besten an einem Beispiel: betrachte brauchen. Den ersten Begriff erkläre ich am besten an einem Beispiel: betrachte
den Körper $$. Wenn $K ⊂ $ irgendein Unterkörper ist, dann enthält den Körper $$. Wenn $K ⊂ $ irgendein Unterkörper ist, dann enthält $K$ auf
$K$ auf jeden Fall die Zahlen $0$ und $1$, und damit auch $2=1+1$, das additive jeden Fall die Zahlen $0$ und $1$, und damit auch $2=1+1$, das additive Inverse
Inverse $-2$, das multiplikative Inverse $\frac{1}{2}$, …. Am Ende erkennen wir, $-2$, das multiplikative Inverse $\frac{1}{2}$, …. Am Ende erkennen wir, dass
dass $K$ den gesamten Unterkörper $$ enthalten muss. In diesem Sinne ist $K$ den gesamten Unterkörper $$ enthalten muss. In diesem Sinne ist $$ also
$$ also der kleinste Unterkörper von $$. Das definieren wir jetzt für der kleinste Unterkörper von $$. Das definieren wir jetzt für beliebige
beliebige Körper. Die folgende Beobachtung wiederholt \vref{bsp:3-1-2a}. Körper. Die folgende Beobachtung wiederholt \vref{bsp:3-1-2a}.
\begin{beobachtung} \begin{beobachtung}
Es sei $L$ ein Körper, und es seien $(K_i)_{i ∈ I}$ Unterkörper. Dann ist Es sei $L$ ein Körper, und es seien $(K_i)_{i ∈ I}$ Unterkörper. Dann ist
@ -27,8 +27,8 @@ definieren.
\end{definition} \end{definition}
\begin{notation} \begin{notation}
Sei $p ∈ $ eine Primzahl. Dann ist $(p)$ ein maximales Ideal Sei $p ∈ $ eine Primzahl. Dann ist $(p)$ ein maximales Ideal und $/(p)$
und $/(p)$ ist ein Körper, der mit $𝔽_p$ bezeichnet wird. ist ein Körper, der mit $𝔽_p$ bezeichnet wird.
\end{notation} \end{notation}
Für Primkörper gibt es gar nicht viele Möglichkeiten. Für Primkörper gibt es gar nicht viele Möglichkeiten.
@ -50,15 +50,15 @@ Für Primkörper gibt es gar nicht viele Möglichkeiten.
\end{definition} \end{definition}
\begin{satz} \begin{satz}
Es sei $K$ ein endlicher Körper. Dann hat $K$ hat positive Charakteristik, Es sei $K$ ein endlicher Körper. Dann hat $K$ hat positive Charakteristik, $p
$p = \operatorname{char}(K) > 0$, und es gibt eine Zahl $m ∈ $, so das = \operatorname{char}(K) > 0$, und es gibt eine Zahl $m ∈ $, so das $K$ genau
$K$ genau $p^m$ Elemente hat. $p^m$ Elemente hat.
\end{satz} \end{satz}
\begin{proof} \begin{proof}
Ein endlicher Körper kann nicht $$ als Unterkörper besitzen. Also ist Ein endlicher Körper kann nicht $$ als Unterkörper besitzen. Also ist $p =
$p = \operatorname{char}(K) > 0$. Weil $K$ endlich ist, ist der \operatorname{char}(K) > 0$. Weil $K$ endlich ist, ist der Erweiterungsgrad
Erweiterungsgrad $m := [K:𝔽_p] = \dim_{𝔽_p} K$ ebenfalls endlich. Ein $m := [K:𝔽_p] = \dim_{𝔽_p} K$ ebenfalls endlich. Ein $m$-dimensionaler
$m$-dimensionaler Vektorraum über $𝔽_p$ hat aber $p^m$ viele Elemente. Vektorraum über $𝔽_p$ hat aber $p^m$ viele Elemente.
\end{proof} \end{proof}
Ich erinnere noch einmal an einige Körper, die wir in den vergangenen Kapiteln Ich erinnere noch einmal an einige Körper, die wir in den vergangenen Kapiteln

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@ -36,11 +36,11 @@ Der folgende Satz beantwortet die bescheidenere Frage, ob ein einzelnes
gegebenes Polynom $f ∈ K[x]$ immer eine Nullstelle in einem geeigneten gegebenes Polynom $f ∈ K[x]$ immer eine Nullstelle in einem geeigneten
Oberkörper hat. Oberkörper hat.
\begin{satz}\label{satz:12-1-2} \begin{satz}\label{satz:12-1-2}%
Sei $K$ ein Körper und $f∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom. Dann gibt es Sei $K$ ein Körper und $f∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom. Dann gibt es
einen Oberkörper $L ⊃ K$, in dem $f$ eine Nullstelle hat. Genauer: es sei $g$ einen Oberkörper $L ⊃ K$, in dem $f$ eine Nullstelle hat. Genauer: es sei $g$
ein nicht-konstanter irreduzibler Faktor von $f$. Dann hat $g$ im Körper ein nicht-konstanter irreduzibler Faktor von $f$. Dann hat $g$ im Körper $L
$L := K[x]/(g)$ eine Nullstelle. := K[x]/(g)$ eine Nullstelle.
\end{satz} \end{satz}
Der Beweis von Satz~\ref{satz:12-1-2} ist eine große Tautologie, verwirrt Der Beweis von Satz~\ref{satz:12-1-2} ist eine große Tautologie, verwirrt
@ -107,7 +107,7 @@ wirklich sein soll.
\end{bsp} \end{bsp}
\begin{bsp} \begin{bsp}
Wenn $L$ ein algebraisch abgeschlossener Körper ist und $K⊂ L$ ein Wenn $L$ ein algebraisch abgeschlossener Körper ist und $K ⊂ L$ ein
Unterkörper, dann ist der aus Satz und Definition~\vref{satzdef:aaieO} Unterkörper, dann ist der aus Satz und Definition~\vref{satzdef:aaieO}
bekannte algebraische Abschluss von $K$ in $L$, bekannte algebraische Abschluss von $K$ in $L$,
\[ \[
@ -123,7 +123,7 @@ wirklich sein soll.
über $K$. Also ist $a∈\overline{K}$. über $K$. Also ist $a∈\overline{K}$.
\end{bsp} \end{bsp}
\begin{defn}[Algebraischer Abschluss eines Körpers]\label{def:aAeK} \begin{defn}[Algebraischer Abschluss eines Körpers]\label{def:aAeK}%
Es sei $K$ ein Körper. Ein Oberkörper $L/K$ heißt \emph{algebraischer Es sei $K$ ein Körper. Ein Oberkörper $L/K$ heißt \emph{algebraischer
Abschluss von $K$}\index{Algebraischer Abschluss!eines Körpers}, wenn Abschluss von $K$}\index{Algebraischer Abschluss!eines Körpers}, wenn
Folgendes gilt. Folgendes gilt.
@ -183,8 +183,8 @@ Schlagwort „Symmetrien einer Körpererweiterung“ diskutiert.
\end{definition} \end{definition}
\begin{bsp} \begin{bsp}
Betrachte die Körpererweiterung $/$. Die komplexe Konjugation Betrachte die Körpererweiterung $/$. Die komplexe Konjugation $\varphi:
$\varphi: $ ist ein $$-Morphismus von $$ nach $$. $ ist ein $$-Morphismus von $$ nach $$.
\end{bsp} \end{bsp}
Der folgende Satz beschreibt die universelle Eigenschaft des algebraischen Der folgende Satz beschreibt die universelle Eigenschaft des algebraischen
@ -192,25 +192,24 @@ Abschluss. Dieser Satz ist absolut zentral für die kommende Diskussion; er ist
der eigentliche Grund, warum Galois-Theorie überhaupt funktioniert. Wieder der eigentliche Grund, warum Galois-Theorie überhaupt funktioniert. Wieder
werde ich den Satz aus Zeitgründen nicht beweisen. werde ich den Satz aus Zeitgründen nicht beweisen.
\begin{satz}[Universelle Eigenschaft des algebraischen Abschluss]\label{Satz_K_Morphismus_Fortsetzung} \begin{satz}[Universelle Eigenschaft des algebraischen Abschluss]\label{Satz_K_Morphismus_Fortsetzung}%
Es sei $K$ ein Körper und es sei $\overline{K}$ ein algebraischer Abschluss Es sei $K$ ein Körper und es sei $\overline{K}$ ein algebraischer Abschluss
von $K$. Zusätzlich seien weitere algebraische Körpererweiterungen von $K$. Zusätzlich seien weitere algebraische Körpererweiterungen $K ⊆ L_0
$K ⊆ L_0 ⊆ L$ von $K$ gegeben, sowie ein $K$-Morphismus L$ von $K$ gegeben, sowie ein $K$-Morphismus
\begin{equation*} \begin{equation*}
\varphi_0 : L_0 → \overline{K}. \varphi_0 : L_0 → \overline{K}.
\end{equation*} \end{equation*}
Dann existiert eine Fortsetzung von $\varphi_0$ zu einem $K$-Morphismus Dann existiert eine Fortsetzung von $\varphi_0$ zu einem $K$-Morphismus
$\varphi : L → \overline{K}$. Mit anderen Worten: es existiert ein $\varphi : L → \overline{K}$. Mit anderen Worten: es existiert ein
$K$-Morphismus $\varphi : L → \overline{K}$, sodass $K$-Morphismus $\varphi : L → \overline{K}$, sodass $\varphi|_{L_0} =
$\varphi|_{L_0} = \varphi_0$ ist. \qed \varphi_0$ ist. \qed
\end{satz} \end{satz}
\begin{bsp} \begin{bsp}
Es sei $K = L_0 = $, es sei $\overline{K} = L = $. Weiter sei Es sei $K = L_0 = $, es sei $\overline{K} = L = $. Weiter sei $\varphi_0 :
$\varphi_0 : $ die Identität. Dann gibt es \emph{zwei} Fortsetzungen von $ die Identität. Dann gibt es \emph{zwei} Fortsetzungen von $\varphi_0$
$\varphi_0$ zu einem $$-Morphismus $\varphi: $; wir können für $\varphi$ zu einem $$-Morphismus $\varphi: $; wir können für $\varphi$ einerseits
einerseits die Identität nehmen, andererseits ist auch die die Identität nehmen, andererseits ist auch die Konjugationsabbildung möglich.
Konjugationsabbildung möglich.
\end{bsp} \end{bsp}
Als Konsequenz der universellen Eigenschaft erhalten wir die Eindeutigkeit des Als Konsequenz der universellen Eigenschaft erhalten wir die Eindeutigkeit des
@ -218,7 +217,7 @@ algebraischen Abschlusses bis auf nicht-kanonische Isomorphie. Obwohl die
Isomorphie nicht kanonisch ist, spricht man in der Literatur häufig nicht ganz Isomorphie nicht kanonisch ist, spricht man in der Literatur häufig nicht ganz
korrekt von „dem“ algebraischen Abschluss. korrekt von „dem“ algebraischen Abschluss.
\begin{kor}[Eindeutigkeit des alg.~Abschluss bis auf nicht-kanonische Isomorphie]\label{cor:edaa} \begin{kor}[Eindeutigkeit des alg.~Abschluss bis auf nicht-kanonische Isomorphie]\label{cor:edaa}%
Es sei $K$ ein Körper und es seien $\overline{K}_1$ und $\overline{K}_2$ zwei Es sei $K$ ein Körper und es seien $\overline{K}_1$ und $\overline{K}_2$ zwei
algebraische Abschlüsse. Dann gibt es einen $K$-Isomorphismus $K_1 → K_2$. algebraische Abschlüsse. Dann gibt es einen $K$-Isomorphismus $K_1 → K_2$.
\end{kor} \end{kor}

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@ -24,16 +24,16 @@ Zerfällungskörper. Was das ist, erkläre ich jetzt.
\begin{bemerkung} \begin{bemerkung}
Die Elemente $a_1, …, a_n$ aus Definition~\ref{def:zerf} sind genau die Die Elemente $a_1, …, a_n$ aus Definition~\ref{def:zerf} sind genau die
Nullstellen des Polynoms $f ∈ L[x]$. Insbesondere sind die Elemente Nullstellen des Polynoms $f ∈ L[x]$. Insbesondere sind die Elemente $a_1, …,
$a_1, …, a_n$ eindeutig bis auf Vertauschung. a_n$ eindeutig bis auf Vertauschung.
\end{bemerkung} \end{bemerkung}
Der folgende Satz fasst die ersten Eigenschaften von Zerfällungskörpern Der folgende Satz fasst die ersten Eigenschaften von Zerfällungskörpern
zusammen. zusammen.
\begin{satz}\label{satz:13-0-3} \begin{satz}\label{satz:13-0-3}%
Es sei $K$ ein Körper und es sei $f ∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom. Es sei $K$ ein Körper und es sei $f ∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom. Dann
Dann gilt Folgendes. gilt Folgendes.
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item Das Polynom $f$ besitzt einen Zerfällungskörper. \item Das Polynom $f$ besitzt einen Zerfällungskörper.
@ -69,17 +69,15 @@ Beispielen $K = $, sodass man einen Zerfällungskörper als Teilmenge der
komplexen Zahlen konstruieren wird. komplexen Zahlen konstruieren wird.
\begin{bsp} \begin{bsp}
Es sei $K = $ und es sei $f =-2[x]$. Dann ist Es sei $K = $ und es sei $f =-2[x]$. Dann ist $L = (\sqrt 2,-\sqrt2)
$L = (\sqrt 2,-\sqrt2) = (\sqrt2)$ ein Zerfällungskörper = (\sqrt2) ⊆ $ ein Zerfällungskörper von $f$.
von $f$.
\end{bsp} \end{bsp}
\begin{bsp} \begin{bsp}
Es sei $K = $ und es sei $f =-2[x]$. Betrachte die komplexe Zahl Es sei $K = $ und es sei $f =-2[x]$. Betrachte die komplexe Zahl $ξ
$ξ := e^{\frac{2π i}{3}}$. Dann sind die komplexen Zahlen := e^{\frac{2π i}{3}}$. Dann sind die komplexen Zahlen $a_0 := \sqrt[3]{2}$,
$a_0 := \sqrt[3]{2}$, $a_1 := ξ·\sqrt[3]{2}$ und $a_2 := ξ_3²·\sqrt[3]{2}$ $a_1 := ξ·\sqrt[3]{2}$ und $a_2 := ξ_3²·\sqrt[3]{2}$ genau die komplexen
genau die komplexen Nullstellen von $f$. Also ein Zerfällungskörper gegeben Nullstellen von $f$. Also ein Zerfällungskörper gegeben durch
durch
\[ \[
L = (a_0, a_1, a_2) = \Bigl(\sqrt[3]{2}, ξ \Bigr). L = (a_0, a_1, a_2) = \Bigl(\sqrt[3]{2}, ξ \Bigr).
\] \]
@ -101,7 +99,7 @@ komplexen Zahlen konstruieren wird.
ich endlich erklären, was es mit meinem ständigen Reden von „Symmetrien“ auf ich endlich erklären, was es mit meinem ständigen Reden von „Symmetrien“ auf
sich hat. sich hat.
\begin{situation}\label{sit:gal} \begin{situation}\label{sit:gal}%
Es sei $K$ ein Körper, es sei $f ∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom und es Es sei $K$ ein Körper, es sei $f ∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom und es
sei $L/K$ ein Zerfällungskörper von $f$. Weiter seien $a_1, …, a_n$ die sei $L/K$ ein Zerfällungskörper von $f$. Weiter seien $a_1, …, a_n$ die
Nullstellen von $f$ in $L$. Nullstellen von $f$ in $L$.
@ -112,7 +110,7 @@ beiden Beobachtungen klären die Frage fast vollständig. Die Beobachtungen
zeigen auch, dass es sich bei der Frage um ein kombinatorisches Problem handelt, zeigen auch, dass es sich bei der Frage um ein kombinatorisches Problem handelt,
das wohl am besten in Termen endlicher Gruppen beantwortet werden sollte. das wohl am besten in Termen endlicher Gruppen beantwortet werden sollte.
\begin{beobachtung}[$K$-Morphismen geben Permutationen]\label{beob:p1} \begin{beobachtung}[$K$-Morphismen geben Permutationen]\label{beob:p1}%
In Situation~\ref{sit:gal} sei $\varphi: L → L$ ein $K$-Morphismus. Schreibe In Situation~\ref{sit:gal} sei $\varphi: L → L$ ein $K$-Morphismus. Schreibe
$f(x) = \sum b_i·xⁱ$. Wenn $a_• ∈ L$ eine der Nullstellen von $f$ ist, dann $f(x) = \sum b_i·xⁱ$. Wenn $a_• ∈ L$ eine der Nullstellen von $f$ ist, dann
ist ist
@ -130,7 +128,7 @@ das wohl am besten in Termen endlicher Gruppen beantwortet werden sollte.
\end{equation} \end{equation}
\end{beobachtung} \end{beobachtung}
\begin{beobachtung}[$K$-Morphismen sind durch Permutationen eindeutig beschrieben]\label{beob:p2} \begin{beobachtung}[$K$-Morphismen sind durch Permutationen eindeutig beschrieben]\label{beob:p2}%
In Situation~\ref{sit:gal} wissen wir schon, dass $L = K(a_1, …, a_n)$ ist. In Situation~\ref{sit:gal} wissen wir schon, dass $L = K(a_1, …, a_n)$ ist.
Ich kann also jedes Element $ ∈ L$ als endliche Summe schreiben, Ich kann also jedes Element $ ∈ L$ als endliche Summe schreiben,
\[ \[
@ -169,18 +167,18 @@ einfach mal nicht mache. Der einzig wichtige Punkt ist, dass Polynome immer
\emph{endliche} Summen sind. Insbesondere treten in jedem einzelnen Polynom \emph{endliche} Summen sind. Insbesondere treten in jedem einzelnen Polynom
immer nur endlich viele Variablen auf. immer nur endlich viele Variablen auf.
\begin{defn}[Ringadjunktion]\label{def:ringad} \begin{defn}[Ringadjunktion]\label{def:ringad}%
Es sei $S$ ein Ring und es sei $R ⊂ S$ ein Unterring. Weiter sei Es sei $S$ ein Ring und es sei $R ⊂ S$ ein Unterring. Weiter sei
$(a_λ)_{λ∈Λ}$ eine Familie von Elementen aus $S$. Dann bezeichnet man mit $(a_λ)_{λ∈Λ}$ eine Familie von Elementen aus $S$. Dann bezeichnet man mit
$R\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr]$ das Bild von $R\bigl[(x_λ)_{λ∈Λ}\bigr]$ unter $R\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr]$ das Bild von $R\bigl[(x_λ)_{λ∈Λ}\bigr]$ unter dem
dem Substitutionsmorphismus Substitutionsmorphismus
\[ \[
R\bigl[(x_λ)_{λ∈Λ}\bigr] → S, \quad f(x_{λ_1}, …, x_{λ_m}) ↦ R\bigl[(x_λ)_{λ∈Λ}\bigr] → S, \quad f(x_{λ_1}, …, x_{λ_m}) ↦
f(a_{λ_1}, …, a_{λ_m}) f(a_{λ_1}, …, a_{λ_m})
\] \]
Man sagt, der Unterring $R\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr] ⊂ S$ entsteht aus Man sagt, der Unterring $R\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr] ⊂ S$ entsteht aus $R$ durch
$R$ durch \emph{Adjunktion} der Elemente $(a_λ)_{λ∈Λ}$. Den Vorgang nennt \emph{Adjunktion} der Elemente $(a_λ)_{λ∈Λ}$. Den Vorgang nennt man
man \emph{Ringadjunktion}\index{Ringadjunktion}. \emph{Ringadjunktion}\index{Ringadjunktion}.
\end{defn} \end{defn}
\begin{beobachtung} \begin{beobachtung}
@ -202,8 +200,7 @@ Gegeben eine Körpererweiterung $L/K$ und eine Teilmenge $(a_λ)_{λ∈Λ}$ von
dann kann ich den Unterring $K\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr]$ und den Unterkörper dann kann ich den Unterring $K\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr]$ und den Unterkörper
$K\bigl( (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr)$ vergleichen. Offenbar gilt immer $K\bigl( (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr)$ vergleichen. Offenbar gilt immer
\[ \[
K ⊆ K\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr] ⊆ K\bigl( (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr) K ⊆ K\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr] ⊆ K\bigl( (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr) ⊆ L.
⊆ L.
\] \]
Die folgenden Sätze klären, wann Gleichheit herrscht. Die Sätze klären auch Die folgenden Sätze klären, wann Gleichheit herrscht. Die Sätze klären auch
noch einmal, warum SAGE eckige Klammern verwendet und den Körper „$$ adjungiert noch einmal, warum SAGE eckige Klammern verwendet und den Körper „$$ adjungiert
@ -221,8 +218,8 @@ auch noch einmal Fußnote~\vref{foot:sage} an.
\begin{proof} \begin{proof}
Wir wissen schon, dass $K\bigl[ (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr]$ der kleinste Unterring des Wir wissen schon, dass $K\bigl[ (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr]$ der kleinste Unterring des
Körpers $L$ ist, der $K$ und $(a_λ)_{λ∈Λ}$ enthält. Gemäß der universellen Körpers $L$ ist, der $K$ und $(a_λ)_{λ∈Λ}$ enthält. Gemäß der universellen
Eigenschaft ist der Quotientenkörper der kleinste Körper, der Eigenschaft ist der Quotientenkörper der kleinste Körper, der $K\bigl[
$K\bigl[ (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr]$ enthält, also gleich $K\bigl((a_λ)_{λ∈Λ}\bigr)$. (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr]$ enthält, also gleich $K\bigl((a_λ)_{λ∈Λ}\bigr)$.
\end{proof} \end{proof}
\begin{satz}[Ringadjunktion vs Körperadjunktion] \begin{satz}[Ringadjunktion vs Körperadjunktion]
@ -236,8 +233,8 @@ auch noch einmal Fußnote~\vref{foot:sage} an.
K(a) = K + K·a + ⋯ + K·a^{n-1} K(a) = K + K·a + ⋯ + K·a^{n-1}
\end{equation*} \end{equation*}
wobei $n= [a : K]$ ist. Also ist $K(a) = K[a]$. Wenn das Elemente $a$ wobei $n= [a : K]$ ist. Also ist $K(a) = K[a]$. Wenn das Elemente $a$
transzendent ist, dann ist $K[x] ≅ K[a]$ kein Körper und deshalb ist transzendent ist, dann ist $K[x] ≅ K[a]$ kein Körper und deshalb ist $K[a]
$K[a] ≠ K(a)$. K(a)$.
\end{proof} \end{proof}
\begin{kor}[Ringadjunktion vs Körperadjunktion] \begin{kor}[Ringadjunktion vs Körperadjunktion]

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14.tex
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@ -13,7 +13,7 @@ Nullstellen beschrieben sind, frage ich mich vermutlich als erstes, wie viele
Nullstellen es eigentlich gibt. Kann es überhaupt vorkommen, dass $a$ eine Nullstellen es eigentlich gibt. Kann es überhaupt vorkommen, dass $a$ eine
mehrfache Nullstelle von $f$ ist? mehrfache Nullstelle von $f$ ist?
\begin{beobachtung}\label{beo:14-0-1} \begin{beobachtung}\label{beo:14-0-1}%
Wenn $K = $ ist, geht das nicht. Denn wenn $a$ eine mehrfache Nullstelle Wenn $K = $ ist, geht das nicht. Denn wenn $a$ eine mehrfache Nullstelle
ist, also $f = (x-a)²·g ∈ [x]$ wäre, dann kann ich die Ableitung betrachten, ist, also $f = (x-a)²·g ∈ [x]$ wäre, dann kann ich die Ableitung betrachten,
\[ \[
@ -46,14 +46,14 @@ Andererseits kann man die Ableitungsregeln ganz formal kopieren:
\end{matrix} \end{matrix}
\right. \right.
\] \]
In der Praxis ist man meist zu faul und schreibt statt $φ(n) ∈ R$ einfach In der Praxis ist man meist zu faul und schreibt statt $φ(n) ∈ R$ einfach $n ∈
$n ∈ R$. Aber Achtung! Die Abbildung $φ$ ist nicht immer injektiv! Es gilt R$. Aber Achtung! Die Abbildung $φ$ ist nicht immer injektiv! Es gilt zum
zum Beispiel $p = 0𝔽_p$. Beispiel $p = 0𝔽_p$.
\end{notation} \end{notation}
\begin{definition}[Formale Ableitung]\label{Def_formale_Ableitung} \begin{definition}[Formale Ableitung]\label{Def_formale_Ableitung}%
Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins. Wenn jetzt ein Polynom Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins. Wenn jetzt ein Polynom $f =
$f = \sum_{i=0}^{n}a_i·xⁱ ∈ R[x]$ gegeben ist, dann nenne das Polynom \sum_{i=0}^{n}a_i·xⁱ ∈ R[x]$ gegeben ist, dann nenne das Polynom
\begin{equation*} \begin{equation*}
f' = \sum_{i=1}^{n} i· a_i· x^{i-1}∈ R[x] f' = \sum_{i=1}^{n} i· a_i· x^{i-1}∈ R[x]
\end{equation*} \end{equation*}
@ -62,7 +62,7 @@ Andererseits kann man die Ableitungsregeln ganz formal kopieren:
Iteration der Ableitung definiert. Iteration der Ableitung definiert.
\end{definition} \end{definition}
\begin{bemerkung}[Ableitung kann überraschend verschwinden]\label{bem:14-1-3} \begin{bemerkung}[Ableitung kann überraschend verschwinden]\label{bem:14-1-3}%
Es kann vorkommen, dass $\deg f >0$ ist, aber trotzdem $f' = 0$. Wenn nämlich Es kann vorkommen, dass $\deg f >0$ ist, aber trotzdem $f' = 0$. Wenn nämlich
Sei $K$ ein Körper der Charakteristik $p>0$, beispielsweise $K = 𝔽_p$. Dann Sei $K$ ein Körper der Charakteristik $p>0$, beispielsweise $K = 𝔽_p$. Dann
ist $p = 0 ∈ R$ und das Polynom $f(x) = x^p$ hat daher die formale Ableitung ist $p = 0 ∈ R$ und das Polynom $f(x) = x^p$ hat daher die formale Ableitung
@ -72,7 +72,7 @@ Andererseits kann man die Ableitungsregeln ganz formal kopieren:
Trotzdem ist $f$ aber nicht konstant, denn $f(1) = 1$ und $f(0) = 0$. Trotzdem ist $f$ aber nicht konstant, denn $f(1) = 1$ und $f(0) = 0$.
\end{bemerkung} \end{bemerkung}
\begin{satz}[Rechenregeln für die formale Ableitung]\label{Satz_Rechenregeln_Ableitung} \begin{satz}[Rechenregeln für die formale Ableitung]\label{Satz_Rechenregeln_Ableitung}%
Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins und es seien $f$, $g ∈ R[x]$. Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins und es seien $f$, $g ∈ R[x]$.
Weiter sei ein Element $r ∈ R$ gegeben. Dann gilt Folgendes. Weiter sei ein Element $r ∈ R$ gegeben. Dann gilt Folgendes.
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
@ -107,7 +107,7 @@ bestimmen. Was war noch einmal die Ordnung?
in $R[x]$ gelten. in $R[x]$ gelten.
\end{defn} \end{defn}
\begin{kor}\label{Korollar_Ableitung_an_Nullstelle} \begin{kor}\label{Korollar_Ableitung_an_Nullstelle}%
Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins, und es sei ein Polynom $f ∈ R[x]$ Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins, und es sei ein Polynom $f ∈ R[x]$
der Form $f = (x-a)^m· g$ gegeben, mit $a∈ R$ und $g∈ R[x]$. Dann ist der Form $f = (x-a)^m· g$ gegeben, mit $a∈ R$ und $g∈ R[x]$. Dann ist
\begin{equation*} \begin{equation*}
@ -124,11 +124,10 @@ bestimmen. Was war noch einmal die Ordnung?
\begin{equation*} \begin{equation*}
f(a) = f'(a) = ⋯ = f^{(m-1)}(a) = 0 f(a) = f'(a) = ⋯ = f^{(m-1)}(a) = 0
\end{equation*} \end{equation*}
ist. Wenn $R$ ein Körper der Charakteristik $0$ ist, also insbesondere ist. Wenn $R$ ein Körper der Charakteristik $0$ ist, also insbesondere $m!
$m!0 ∈ R$ ist, dann ist $f^{(m)}(a)0$, wenn $a$ eine $m$-fache 0 ∈ R$ ist, dann ist $f^{(m)}(a) ≠ 0$, wenn $a$ eine $m$-fache Nullstelle von
Nullstelle von $f$ ist. Wir haben aber schon in Bemerkung~\ref{bem:14-1-3} $f$ ist. Wir haben aber schon in Bemerkung~\ref{bem:14-1-3} gesehen, dass man
gesehen, dass man über beliebigen Körpern die Nullstellenordnung so nicht über beliebigen Körpern die Nullstellenordnung so nicht bestimmen kann!
bestimmen kann!
\end{beobachtung} \end{beobachtung}
@ -155,7 +154,7 @@ diese Abbildung \textbf{linear} ist!
Gibt es eine solche Zahl nicht, so sagt man, dass $R$ Charakteristik 0 hat. Gibt es eine solche Zahl nicht, so sagt man, dass $R$ Charakteristik 0 hat.
\end{defn} \end{defn}
\begin{satzdef}[Frobenius-Endomorphismus]\label{DefSatz_Frobenius-Endomorphismus} \begin{satzdef}[Frobenius-Endomorphismus]\label{DefSatz_Frobenius-Endomorphismus}%
Es sei $p$ eine Primzahl und es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins der Es sei $p$ eine Primzahl und es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins der
Charakteristik $p$. Dann ist die Abbildung Charakteristik $p$. Dann ist die Abbildung
\begin{equation*} \begin{equation*}
@ -199,8 +198,7 @@ Definition.
\emph{separabel}\index{separabel!Polynom}, wenn $f$ keine mehrfachen \emph{separabel}\index{separabel!Polynom}, wenn $f$ keine mehrfachen
Nullstellen in $\overline{K}$ hat. Ein beliebiges nicht-konstantes Polynom Nullstellen in $\overline{K}$ hat. Ein beliebiges nicht-konstantes Polynom
heißt separabel, wenn alle irreduziblen Faktoren separabel sind. heißt separabel, wenn alle irreduziblen Faktoren separabel sind.
Nicht-separable Polynome heißen Nicht-separable Polynome heißen \emph{inseparabel}\index{inseparabel!Polynom}.
\emph{inseparabel}\index{inseparabel!Polynom}.
\end{defn} \end{defn}
\begin{warnung} \begin{warnung}
@ -210,7 +208,7 @@ Definition.
Separable Polynome können mithilfe des Frobenius-Morphismus genau beschrieben Separable Polynome können mithilfe des Frobenius-Morphismus genau beschrieben
werden. werden.
\begin{satz}\label{Satz_aequivalent_zu_inseparabel} \begin{satz}\label{Satz_aequivalent_zu_inseparabel}%
Es sei $K$ ein Körper und es sei $f ∈ K[x]$ ein irreduzibles Polynom. Dann Es sei $K$ ein Körper und es sei $f ∈ K[x]$ ein irreduzibles Polynom. Dann
sind die folgenden Aussagen äquivalent. sind die folgenden Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
@ -318,33 +316,33 @@ separabel, wenn alle Elemente separabel sind.
\sideremark{Vorlesung 15} \sideremark{Vorlesung 15}
\begin{satz}\label{Satz_separabilitaet_Zwischenkoerper} \begin{satz}\label{Satz_separabilitaet_Zwischenkoerper}%
Wenn $L/K$ eine separable Körpererweiterung ist und $Z$ ein Zwischenkörper, Wenn $L/K$ eine separable Körpererweiterung ist und $Z$ ein Zwischenkörper,
dann sind auch $L/Z$ und $Z/K$ separabel. dann sind auch $L/Z$ und $Z/K$ separabel.
\end{satz} \end{satz}
\begin{proof} \begin{proof}
Es ist klar, dass $Z/K$ separabel ist. Sei jetzt also $a ∈ L$. Wir müssen Es ist klar, dass $Z/K$ separabel ist. Sei jetzt also $a ∈ L$. Wir müssen
zeigen, dass $a$ separabel über $Z$ ist. Dazu beobachten wird, dass das zeigen, dass $a$ separabel über $Z$ ist. Dazu beobachten wird, dass das
Minimalpolynom von $a$ über $Z$ das Minimalpolynom von $a$ über $K$ teilt. Das Minimalpolynom von $a$ über $Z$ das Minimalpolynom von $a$ über $K$ teilt.
letztere hat aber keine mehrfachen Nullstellen, also hat auch das erste keine Das letztere hat aber keine mehrfachen Nullstellen, also hat auch das erste
mehrfachen Nullstellen. keine mehrfachen Nullstellen.
\end{proof} \end{proof}
\subsection{Separabilität und Anzahl von $K$-Morphismen} \subsection{Separabilität und Anzahl von $K$-Morphismen}
Im Folgenden ist ein wesentlicher Punkt, dass sich endliche separable Im Folgenden ist ein wesentlicher Punkt, dass sich endliche separable
Körpererweiterungen $L/K$ durch die Anzahl der $K$-Homomorphismen Körpererweiterungen $L/K$ durch die Anzahl der $K$-Homomorphismen $L →
$L → \overline{K}$ charakterisieren lassen. Als Anwendung erhalten wir eine \overline{K}$ charakterisieren lassen. Als Anwendung erhalten wir eine Reihe
Reihe von Sätzen und Korollaren über separable Erweiterungen, die wir schon in von Sätzen und Korollaren über separable Erweiterungen, die wir schon in ganz
ganz ähnlicher Form (und mit ganz ähnlichen Beweisen) für algebraische ähnlicher Form (und mit ganz ähnlichen Beweisen) für algebraische Erweiterungen
Erweiterungen kennen. Die gesamte Diskussion baut auf folgendem Lemma auf. kennen. Die gesamte Diskussion baut auf folgendem Lemma auf.
\begin{lemma}\label{Lemma_Nullstellenanzahl_gleich_anzahl_der_Fortsetzungen} \begin{lemma}\label{Lemma_Nullstellenanzahl_gleich_anzahl_der_Fortsetzungen}%
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und $a ∈ L$ sei algebraisch über $K$, mit Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und $a ∈ L$ sei algebraisch über $K$, mit
Minimalpolynom $f ∈ K[x] ⊆ L[x]$. Wenn $m$ die Anzahl der Nullstellen von $f$ Minimalpolynom $f ∈ K[x] ⊆ L[x]$. Wenn $m$ die Anzahl der Nullstellen von $f$
in $L$ bezeichnet, dann gibt es genau $m$ verschiedene $K$-Morphismen in $L$ bezeichnet, dann gibt es genau $m$ verschiedene $K$-Morphismen $σ :
$σ : K(a) → L$. K(a) → L$.
\end{lemma} \end{lemma}
\begin{proof} \begin{proof}
Ich erinnere an die Beobachtungen~\ref{beob:p1} und \vref{beob:p2}: Jeder Ich erinnere an die Beobachtungen~\ref{beob:p1} und \vref{beob:p2}: Jeder
@ -357,9 +355,9 @@ Erweiterungen kennen. Die gesamte Diskussion baut auf folgendem Lemma auf.
\varphi_a : K[x] → K(a), \quad g ↦ g(a) \qquad\text{und}\qquad \varphi_b : K[x] → L, \quad g ↦ g(b). \varphi_a : K[x] → K(a), \quad g ↦ g(a) \qquad\text{und}\qquad \varphi_b : K[x] → L, \quad g ↦ g(b).
\end{equation*} \end{equation*}
Weil $f(a) = f(b) = 0$ ist, ist $f ∈ \ker \varphi_a$ und $f ∈ \ker \varphi_b$. Weil $f(a) = f(b) = 0$ ist, ist $f ∈ \ker \varphi_a$ und $f ∈ \ker \varphi_b$.
Weil $f$ irreduzibel ist, muss aber schon die Gleichheit Weil $f$ irreduzibel ist, muss aber schon die Gleichheit $(f) = \ker \varphi_a
$(f) = \ker \varphi_a = \ker \varphi_b$ gelten. Also liefern $\varphi_a$ und = \ker \varphi_b$ gelten. Also liefern $\varphi_a$ und $\varphi_b$
$\varphi_b$ $K$-Morphismen $K$-Morphismen
\begin{equation*} \begin{equation*}
\factor{K[x]}{(f)} \xrightarrow{ψ_a} K(a) \qquad\text{und}\qquad \factor{K[x]}{(f)} \xrightarrow{ψ_b} L, \factor{K[x]}{(f)} \xrightarrow{ψ_a} K(a) \qquad\text{und}\qquad \factor{K[x]}{(f)} \xrightarrow{ψ_b} L,
\end{equation*} \end{equation*}
@ -373,7 +371,7 @@ die Anzahl von $K$-Morphismen charakterisieren. Als Konsequenz erhalten wir
eine Reihe von Sätzen, die wir für den Begriff der „algebraischen eine Reihe von Sätzen, die wir für den Begriff der „algebraischen
Körpererweiterung“ in ganz ähnlicher Form schon kennen. Körpererweiterung“ in ganz ähnlicher Form schon kennen.
\begin{satz}\label{Satz_11_10} \begin{satz}\label{Satz_11_10}%
Es sei $L/K$ eine endliche (also insbesondere: algebraische) Körpererweiterung Es sei $L/K$ eine endliche (also insbesondere: algebraische) Körpererweiterung
und es sei $n := [L:K]$. Dann gilt Folgendes. und es sei $n := [L:K]$. Dann gilt Folgendes.
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
@ -396,9 +394,9 @@ Körpererweiterung“ in ganz ähnlicher Form schon kennen.
Man bette $M$ in $\overline{K}$ ein. Man bette $M$ in $\overline{K}$ ein.
\end{proof} \end{proof}
\begin{kor} \begin{kor}\label{cor:14-4-7}%
Sei $L = K[a_1, …, a_t]$, wobei $a_i$ stets separabel über Sei $L = K(a_1, …, a_t)$, wobei $a_i$ stets separabel über $K(a_1, …,
$K[a_1, …, a_{i-1}]$ ist. Dann ist $L/K$ separabel. a_{i-1})$ ist. Dann ist $L/K$ separabel.
\end{kor} \end{kor}
\begin{proof} \begin{proof}
Der Beweis von \ref{Satz_11_10} zeigt, dass es $n=\prod n_i$ viele Der Beweis von \ref{Satz_11_10} zeigt, dass es $n=\prod n_i$ viele
@ -411,22 +409,25 @@ Körpererweiterung“ in ganz ähnlicher Form schon kennen.
separabel. separabel.
\end{kor} \end{kor}
\begin{proof} \begin{proof}
Wir wissen schon, dass $M/K$ algebraisch ist. Sei $a∈ M$ ein Element und Wir wissen schon, dass $M/K$ algebraisch ist. Sei also $a ∈ M$ irgendein
Element. Wir müssen zeigen, dass $a$ separabel über $K$ ist. Betrachte dazu
das Minimalpolynom von $a$ über dem Zwischenkörper $L$,
\begin{equation*} \begin{equation*}
f = \underbrace{a_0+a_1· x+\dots +a_{n-1}x^{n-1}+x^n}_{∈ L[x]} f = a_0+a_1· x+\dots +a_{n-1}·x^{n-1}+x^n ∈ L[x].
\end{equation*} \end{equation*}
das zugehörige Minimalpolynom. Es gilt, dass $a$ separabel über Es gilt, dass $a$ separabel über $K(a_0, …, a_{n-1})$ ist. Gegeben einen
$K[a_0, …, a_{n-1}] =: L^{n-1}$ ist. Weil die $a_i$ aber separabel über $K$ Index $i$, dann gilt nach Satz~\ref{Satz_separabilitaet_Zwischenkoerper} auch,
sind, ist $L^\prime[a] = K[a_0, …, a_{n-1}, a]$ separabel. Insbesondere ist dass die $a_i$ separabel über $K(a_0, …, a_{i-1})$ sind. Also ist $K(a_0, …,
$a$ separabel. a_{n-1}, a)$ nach Korollar~\ref{cor:14-4-7} separabel über $K$. Insbesondere
ist $a$ separabel über $K$.
\end{proof} \end{proof}
\subsection{Der separable Abschluss} \subsection{Der separable Abschluss}
Erinnern Sie sich an den „algebraischen Abschluss eines Körpers in einem Erinnern Sie sich an den „algebraischen Abschluss eines Körpers in einem
Oberkörper“, den wir in Satz~\vref{satzdef:aaieO} eingeführt haben? Auch Oberkörper“, den wir in Satz~\vref{satzdef:aaieO} eingeführt haben? Auch dieser
dieser Satz und diese Definition lässt sich fast wortgleich in unseren Kontext Satz und diese Definition lässt sich fast wortgleich in unseren Kontext
übertragen. übertragen.
\begin{satzdef}[Separabler algebraischer Abschluss, Separabilitätsgrad] \begin{satzdef}[Separabler algebraischer Abschluss, Separabilitätsgrad]
@ -458,7 +459,7 @@ dieser Satz und diese Definition lässt sich fast wortgleich in unseren Kontext
unpassenden Witzen an, die sich nicht zum Abdruck eignen. unpassenden Witzen an, die sich nicht zum Abdruck eignen.
\end{bsp} \end{bsp}
\begin{satz}\label{Satz_Aequivalente_Aussagen_Vollkommen} \begin{satz}\label{Satz_Aequivalente_Aussagen_Vollkommen}%
Es sei $K$ ein Körper der Charakteristik $p>0$. Dann sind folgende Aussagen Es sei $K$ ein Körper der Charakteristik $p>0$. Dann sind folgende Aussagen
äquivalent. äquivalent.
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
@ -481,10 +482,10 @@ dieser Satz und diese Definition lässt sich fast wortgleich in unseren Kontext
\end{proof} \end{proof}
\begin{bemerkung} \begin{bemerkung}
Das einfachste Beispiel für einen unvollkommenen Körper ist $K = 𝔽_p(t)$. Das Das einfachste Beispiel für einen unvollkommenen Körper ist $K = 𝔽_p(t)$.
einfachste inseparable Polynom ist $x^p-t ∈ K[x]$. Wenn wir eine Nullstelle Das einfachste inseparable Polynom ist $x^p-t ∈ K[x]$. Wenn wir eine
dieses Polynoms in $\overline{K}$ wählen und sinnigerweise mit $\sqrt[p]{t}$ Nullstelle dieses Polynoms in $\overline{K}$ wählen und sinnigerweise mit
bezeichnen, dann ist $\sqrt[p]{t}$ bezeichnen, dann ist
\[ \[
\factor{K \Bigl( \sqrt[p]{t} \Bigr)}{K} \factor{K \Bigl( \sqrt[p]{t} \Bigr)}{K}
\] \]