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2b7a70f848 Mache Lemme präziser 2024-01-16 11:05:30 +01:00
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aa7376e1f3 Minor improvements 2023-12-08 09:33:30 +01:00
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9c4f912def Kleine Verbesserungen 2023-11-28 10:56:55 +01:00
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@@ -127,3 +127,85 @@ Separabilität
Substitutionsmorphismen
Separabilitätsgrad
inseparablen
Galoiserweiterung
Quotientengruppe
Galoisgruppen
Signumsabbildung
Kleinsche
Primzahlordnung
Klassifikationssatzes
Klassifikationsprogramms
Solomon
Gorenstein
.ten
.ter
.te
.tes
Primteiler
Galoisch
Fermatsche
Fermatzahl
Bunsenstraße
Courant
Foliaten
Koeffizientenschemata
Gauss
MSRI
Galoissche
Bourg-la-Reine
quadratfreie
Évariste
Galoisschen
Galoiserweiterungen
Konjugation
galoiskonjugierten
Nichtkonstruierbarkeitsbeweisen
Nichtkonstruierbarkeitsbeweise
Fixkörper
Artin
Automorphismengruppe
Frobeniusmorphismus
Fixkörperkonstruktion
Äquivalenzklassen
Sylow
Primzahlpotenzteiler
Christiania
Cauchy
Bahnengleichung
Sceaux
Sylowuntergruppe
Sylowuntergruppen
Normalisator
Camille
Zykel
Signums-Abbildung
Sylow-Satz
Isotropiegruppe
Moduln
Torsionsanteil
Feb
Radikalerweiterungen
Gradformel
Legendre-Symbol
Repräsentantenniveau
Identifikationen
Legendre-Symbole
Summationsreihenfolge
Legendre-Symbolen
uninspirierend
Zornschen
Bloomington
Helsingfors
Bahnenraum
Stabilisatorgruppen
Zentralisator
Untergruppen
Leonhardus
Eulerus
Diedergruppe
Beaumont-de-Lomagne
Département
Tarn-et-Garonne
Castres
inklusionsumkehrend
indexerhaltend

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@@ -53,3 +53,46 @@
{"rule":"KOMMA_ZWISCHEN_HAUPT_UND_NEBENSATZ","sentence":"^\\QFür beliebige Körpererweiterungen \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und beliebige Teilmengen \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist die Äquivalenz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q alle \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sind algebraisch ganz falsch.\\E$"}
{"rule":"DOPPELTES_AUSRUFEZEICHEN","sentence":"^\\QFalsch!!\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QDann ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Ist mir zu langweilig.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QDann gilt nach dem Chinesischen Restsatz, Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QFür alle Tupel \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q von paarweise verschiedene Primzahlen und alle Tupel \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gilt \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QFür jede Zahl \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gilt die Gleichung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Die Aussage über \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist trivial.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QAußerdem sind linke und rechte Seite von Gleichung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q normiert.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QPrimzahlen der Form \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q heißen Fermatsche PrimzahlenIm August 1640 vermutete Fermat, dass alle Zahlen dieser Form (die später nach ihm benannt wurden) Primzahlen seien.\\E$"}
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\Q?.\\E$"}
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\QWorum geht es?.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QHatten Sie sich gewundert, warum SAGE eckige Klammern verwendet und den Körper „\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q adjungiert \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q“ mit QQ[sqrt(5)] bezeichnet?\\E$"}
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\QWohin geht die Reise?.\\E$"}
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qund Mult.\\E$"}
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qquadratfrei = kein Primteiler tritt doppelt auf\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\Q\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.p.-Gruppen und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.p.-Sylowuntergruppen.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QAlso ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\QSatz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Mit den gleichen Voraussetzungen wie in Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gilt: wenn \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q den Index \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q teilt, dann ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QDie Antwort kennen Sie wahrscheinlich aus der Vorlesung „Lineare Algebra II“, wo man diese Frage im Zusammenhang mit der Konstruktion von Jordan-Basen diskutiert.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Ordnung 24:] Dies muss die ganze Gruppe \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sein.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Ordnung 12:] Die Menge \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q der geraden Permutationen, also der Kern der Signums-Abbildung, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, ist eine Untergruppe von Ordnung 12.\\E$"}
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 12:] Die Menge \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q der geraden Permutationen, also der Kern der Signums-Abbildung, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, ist eine Untergruppe von Ordnung 12.\\E$"}
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 24:] Dies muss die ganze Gruppe \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sein.\\E$"}
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 8:] Dies müssen die 2-Sylowuntergruppen sein.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Ordnung 8:] Dies müssen die 2-Sylowuntergruppen sein.\\E$"}
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 6:] Es ist im Moment unklar, ob eine solche Untergruppe existiert.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Ordnung 6:] Es ist im Moment unklar, ob eine solche Untergruppe existiert.\\E$"}
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 4:] Jedes Element der Ordnung 4 liefert eine zyklische Untergruppe der Ordnung 4.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Ordnung 4:] Jedes Element der Ordnung 4 liefert eine zyklische Untergruppe der Ordnung 4.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QPartition Repräsentant Geometrische Anschauung Ordnung Anzahl der Elemente in der Konjugationsklasse abcd () Identität 1 1 aabc (12) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 2 4 2=6 aabb (12)(34) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 2 6/2 = 3 aaab (123) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 3 4· 2 = 8 aaaa (1234) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 4 3· 2 = 6 Konjugationsklassen in \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+$"}
{"rule":"LEERZEICHEN_RECHENZEICHEN","sentence":"^\\QPartition Repräsentant Geometrische Anschauung Ordnung Anzahl der Elemente in der Konjugationsklasse abcd () Identität 1 1 aabc (12) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 2 4 2=6 aabb (12)(34) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 2 6/2 = 3 aaab (123) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 3 4· 2 = 8 aaaa (1234) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 4 3· 2 = 6 Konjugationsklassen in \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+$"}
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 3:] Dies müssen die 3-Sylowuntergruppen von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sein.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Ordnung 3:] Dies müssen die 3-Sylowuntergruppen von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sein.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDer Satz von Gauß über die Konstruierbarkeit des regulären \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.n.-Ecks.\\E$"}
{"rule":"KOMMA_ZWISCHEN_HAUPT_UND_NEBENSATZ_2","sentence":"^\\QDann schreibe \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q falls \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q quadratischer Rest modulo \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q falls \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q quadratischer Nichtrest modulo \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q falls \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ein Vielfaches von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDas Buch \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q nennt 196 unterschiedliche, publizierte Beweise; die Autorenliste ist ein Who-is-Who der Mathematik seit Gauß und Euler.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Behauptung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Die Zahl \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist ungerade.\\E$"}
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\QWas ist in dieser Vorlesung eigentlich passiert?.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QIch hatte oben geschrieben „[Der Hauptsatz der Galoistheorie] reduziert die Frage nach Zwischenkörpern auf ein gruppentheoretisches Problem“.\\E$"}
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qfür alle \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"UNPAIRED_BRACKETS","sentence":"^\\Q“Restklassengruppen” oder “Gruppenquotienten” kennen wir schon lange.\\E$"}
{"rule":"DE_SUBJECT_VERB_AGREEMENT","sentence":"^\\QEine Restklassengruppe oder Gruppenquotient ist eine Gruppe \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q zusammen mit einem Gruppenmorphismus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, sodass \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist und so, dass folgende universelle Eigenschaft gilt.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QDie Untergruppen von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sind leicht zu bestimmen.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\Q\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q (lateinisch Leonhardus Eulerus; * 15. April 1707 in Basel; † 7. Septemberjul./ 18. September 1783greg.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QDie Gruppe der \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Qten Einheitswurzeln ist Gruppe der Drehungen des regulären \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q-Ecks.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QDie vollständige Symmetriegruppe des \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q-Ecks enthält neben Drehungen noch Spiegelungen.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QDie Gruppe der \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.ten Einheitswurzeln ist Gruppe der Drehungen des regulären \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q-Ecks.\\E$"}
{"rule":"UNPAIRED_BRACKETS","sentence":"^\\QNach Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q (“Satz von Lagrange”) ist die Ordnung von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, also die Größe der von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q erzeugten Untergruppe, ein Teiler von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}

10
01.tex
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@@ -23,7 +23,7 @@ Begriffe
Gruppe -- Ringe -- Körper -- Körpererweiterungen
\end{quote}
ein, beweisen ganz viele komplizierte Sätze und überraschen dann gegen Ende mit
einigen unerwarteten Anwendungen. Mögen Sie solche Vorlesungen? Ich nicht. Ich
einigen unerwarteten Anwendungen. Mögen Sie solche Vorlesungen? Ich nicht. Ich
habe langwierigen Lernstoff nie gemocht und konnte mich als Student nur schwer
motivieren, Definitionen auswendig zu lernen die nicht gut motiviert waren. Das
ist doch langweilig!
@@ -84,7 +84,7 @@ sehenswerten Büchern \cite{Moon07} und \cite{MR2377148}}.
Als Beispiel konstruieren wir uns ein Fünfeck in vier einfachen Schritten.
Abbildung~\vref{fig:fiveGon} erläutert die Konstruktion.
Abbildung~\vref{fig:fiveGon} erläutert die Konstruktion.
\href{https://cplx.vm.uni-freiburg.de/storage/video/az/v1/Konstruktion%20des%20regelm%c3%a4%c3%9figen%205-Eck.ggb}{Hier}
finden Sie die Konstruktion auch als GeoGebra-Arbeitsblatt.
\begin{itemize}
@@ -114,7 +114,7 @@ zu illustrieren, dass das 5-Eck auf jeden Fall schwer zu berechnen ist!
Wir betrachten weiterhin Abbildung~\ref{fig:fiveGon} und beginnen mit einer
Vorüberlegung. Elementare Schulgeometrie (Satz vom Z-Winkel, etc.) zeigt,
dass das kleine $5$-Eck die Sekantenlänge $a$ und Kantenlänge $d-a$ hat. Der
Beweis involviert einige Zeichnungen, die ich
Beweis involviert einige Zeichnungen, die ich
\href{https://cplx.vm.uni-freiburg.de/storage/video/az/v1/Kantenl%c3%a4nge%20des%20kleinen%205-Ecks.pdf}{hier}
für Sie als Scan hinterlegt habe.
@@ -123,7 +123,7 @@ zu illustrieren, dass das 5-Eck auf jeden Fall schwer zu berechnen ist!
$s$ mit $d = n·s$ und $a = m·s$, wobei $n$ und $m$ natürliche Zahlen sind.
Die Vorüberlegung zeigt aber, dass
\begin{equation*}
d-a=\underbrace{(n-m)}_{^+}·s
d-a=\underbrace{(n-m)}_{}·s
\end{equation*}
die Kantenlänge eines kleineren $5$-Ecks ist, das eine Sekante der Länge $a$
hat. Wir haben also, dass auch $a-(d-a)=2a-d$ ein Vielfaches von $s$ ist.
@@ -270,7 +270,7 @@ zurückgeführt, wie die Unterkörper von $$ aussehen, und wie Unterkörper
ineinander enthalten sein können.
\begin{satz}[Mengen von konstruierbaren Punkten sind Unterkörper]\label{satz:1-2-9}%
Es sei $M ⊂ $ eine Teilmenge, die die Zahlen $0$ und $1$ enthält. Dann ist
Es sei $M ⊂ $ eine Teilmenge, die die Zahlen $0$ und $1$ enthält. Dann ist
$\Kons(M)$ ein Unterkörper von $$.
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis durch Übungsaufgabe]

2
02.tex
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@@ -301,7 +301,7 @@ Untergruppe; ich werde das hier nicht wiederholen.
\begin{defn}[Schiefkörper, Körper]
Ein Ring $(R, +, ·)$ heißt \emph{Schiefkörper}\index{Schiefkörper}, wenn $R$
nicht der Nullring ist und alle Elemente außer der $0$ invertierbar sind, wenn
also $R^* = R \{0\}$ gilt. Ein Schiefkörper heißt
also $R^* = R \{0\}$ gilt. Ein Schiefkörper heißt
\emph{Körper}\index{Körper}, wenn $R$ zusätzlich noch kommutativ ist.
\end{defn}

18
03.tex
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@@ -3,9 +3,6 @@
\chapter{Algebraische und transzendente Elemente}
Für dieses Kapitel haben wir Ihnen Beispiele auf unserem
\href{https://sage.cplx.vm.uni-freiburg.de/share/}{Sage/CoCalc-Server}
bereitgestellt.
\section{Körpererweiterungen}
@@ -37,7 +34,7 @@ einmal ein wenig Sprache fällig.
\begin{warnung}[Polynome und Funktionen]
In der Situation von Definition~\ref{def:3-0-2} kann ich jedem Polynom eine
Funktion $K → K$ zuweisen, Polynome sind aber etwas anderes als Funktionen! Im
Funktion $K → K$ zuweisen, Polynome sind aber etwas anderes als Funktionen! Im
Falle wo $K = 𝔽_p$ ein endlicher Körper ist, gibt es zwar unendlich viele
Polynome (zum Beispiel $x$, $$, $$, …) aber nur endlich viele Abbildungen
von $K$ nach $K$!
@@ -82,7 +79,7 @@ Folgende.
Freiburger Mathematiker Ferdinand
Lindemann\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Ferdinand_von_Lindemann}{Carl
Louis Ferdinand Lindemann}, ab 1918 Ritter von Lindemann (* 12.~April 1852 in
Hannover; † 6.~März 1939 in München) war ein deutscher Mathematiker. Lindemann
Hannover; † 6.~März 1939 in München) war ein deutscher Mathematiker. Lindemann
hatte die Idee für den Transzendenzbeweis bei einem Spaziergang auf dem
Lorettoberg.} bewies im Jahr 1882 in der berühmten Arbeit \cite{MR1510165},
dass die Zahl $π$ transzendent ist.
@@ -142,7 +139,7 @@ enthält.
\section{Das Minimalpolynom}
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $a ∈ L$ algebraisch über $K$. Per
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $a ∈ L$ algebraisch über $K$. Per
Definition gibt es dann ein Polynom $f ∈ K[x]$ welches $a$ als Nullstelle hat.
Natürlich ist $f$ kein bisschen eindeutig -- man multipliziere $f$ mit
irgendeinem anderen Polynom und erhalte ein neues Polynom (größeren Grades), das
@@ -293,7 +290,7 @@ Oberkörpern. Die Frage ist, wie sich die Erweiterungsgrade verhalten.
\begin{satz}[Gradformel]\label{satz:3-6-1}%
\index{Gradformel für Körpererweiterungen}Es sei $K ⊆ L ⊆ M$ eine Kette von
Körpererweiterungen. Dann gilt\footnote{Wir verwenden die Konvention $∞·∞ =$
Körpererweiterungen. Dann gilt\footnote{Wir verwenden die Konvention $∞·∞ =$
und $∞·n =$, falls $n$ eine positive ganze Zahl ist.} die Gleichung
\[
[M:K] = [M:L]·[L:K].
@@ -315,9 +312,10 @@ Oberkörpern. Die Frage ist, wie sich die Erweiterungsgrade verhalten.
\end{kor}
\begin{kor}[Adjunktion von Quadratwurzeln]\label{kor:ajQ}%
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung von Grad zwei. Dann entsteht $L$ aus $K$
durch Adjunktion einer Quadratwurzel. Genauer: es gibt Elemente $a ∈ L$ und
$b ∈ K$, sodass Folgendes gilt.
Es sei $K$ ein Körper, in dem das Element $2 := 1+1$ ungleich $0$ ist (zum
Beispiel $K = $). Weiter sei $L/K$ eine Körpererweiterung von Grad zwei.
Dann entsteht $L$ aus $K$ durch Adjunktion einer Quadratwurzel. Genauer: es
gibt Elemente $a ∈ L$ und $b ∈ K$, sodass Folgendes gilt.
\begin{itemize}
\item Es gilt die Gleichung $= b$.

54
05.tex
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@@ -101,9 +101,9 @@ verhält sich der Grad gut.
\end{proof}
\begin{kor}
Ist $R$ ein kommutativer Integritätsring und ist $n ∈ $, dann ist auch
$R[x_1, …, x_n]$ ein kommutativer Integritätsring. Für die Gruppe der
Einheiten gilt
Ist $R$ ein kommutativer Integritätsring und ist $n ∈ $, dann ist auch der
Polynomring $R[x_1, …, x_n]$ ein kommutativer Integritätsring. Für die Gruppe
der Einheiten gilt
\begin{equation*}
R[x_1, …, x_n]^* = R^*,
\end{equation*}
@@ -112,9 +112,9 @@ verhält sich der Grad gut.
\end{kor}
\begin{proof}
Die erste Aussage folgt mit Induktion aus Satz~\vref{Satz_Polynom_Grad}. Die
zweite Aussage folgt ebenfalls mit Induktion, sobald wir zeigen, dass
$R[x]^* = R^*$ ist. Sei also $p ∈ R[x]^*$. Das bedeutet per Definition: es
existiert ein Polynom $q$ mit $p·q = 1$. Dann folgt aber
zweite Aussage folgt ebenfalls mit Induktion, sobald wir zeigen, dass $R[x]^*
= R^*$ ist. Sei also $p ∈ R[x]^*$. Das bedeutet per Definition: Es existiert
ein Polynom $q$ mit $p·q = 1$. Dann folgt aber
\[
\deg p ≤ \deg p + \deg q = \deg (p·q) = \deg 1 = 0.
\]
@@ -184,7 +184,7 @@ bombastischer Sprache die Phrase „unterscheidet sich nur um ein Vorzeichnen“
Wir beweisen die Richtung \ref{Satz_assoziiert_2}$$\ref{Satz_assoziiert_1}.
Wegen $ε· r = s$ gilt $r|s$. Multiplikation mit $ε^{-1}$ liefert $r =
ε^{-1}·s$, also gilt $s|r$. Wir beweisen als Nächstes die Richtung
\ref{Satz_assoziiert_1}$$\ref{Satz_assoziiert_2}. Nach Annahme existieren
\ref{Satz_assoziiert_1}$$\ref{Satz_assoziiert_2}. Nach Annahme existieren
$u,v∈ R$ mit
\begin{equation*}
u· r=s \quad\text{und}\quad v· s=r.
@@ -310,10 +310,10 @@ Alexandria} war ein griechischer Mathematiker, der wahrscheinlich im
3.~Jahrhundert v.~Chr.~in Alexandria gelebt hat.} zurück. Der Beweis, den wir
hier vorstellen, ist genial-elegant-modern und von Emmy
Noether\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Emmy_Noether}{Amalie Emmy
Noether} (Emmy war der Rufname; geb.~am 23.~März 1882 in Erlangen; gest.~am
14.~April 1935 in Bryn Mawr, Pennsylvania) war eine deutsche Mathematikerin, die
grundlegende Beiträge zur abstrakten Algebra und zur theoretischen Physik
lieferte. Insbesondere hat Noether die Theorie der Ringe, Körper und Algebren
Noether} (Emmy war der Rufname; * 23.~März 1882 in Erlangen; † 14.~April 1935 in
Bryn Mawr, Pennsylvania) war eine deutsche Mathematikerin, die grundlegende
Beiträge zur abstrakten Algebra und zur theoretischen Physik lieferte.
Insbesondere hat Noether die Theorie der Ringe, Körper und Algebren
revolutioniert. Das nach ihr benannte Noether-Theorem gibt die Verbindung
zwischen Symmetrien von physikalischen Naturgesetzen und Erhaltungsgrößen an.}.
Die Beweismethode ist heute als „Noethersche Induktion“ bekannt.
@@ -361,7 +361,7 @@ wichtig.
\begin{definition}[Primelemente eines Ringes]
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring. Ein Element $p ∈ R$ heißt
\emph{prim}\index{Primelement eines Ringes}, wenn $p$ keine Einheit ist,
$p \neq 0$ gilt und wenn für alle $a,b ∈ R$ mit $p|(a·b)$ schon folgt, dass
$p 0$ gilt und wenn für alle $a,b ∈ R$ mit $p|(a·b)$ schon folgt, dass
$p|a$ oder $p|b$ gilt.
\end{definition}
@@ -374,7 +374,7 @@ wichtig.
\item\label{Satz_Prim_3} $p$ und $q$ sind prim und $p|q$ $$
$p \sim q$.
\item\label{Satz_Prim_4} $p$ ist prim und $p|(a_1 ⋯ a_n)$
$$ Es existiert ein $i$ mit $p|a_i$.
$$ es existiert ein $i$ mit $p|a_i$.
\end{enumerate}
\end{satz}
\begin{proof}
@@ -609,7 +609,7 @@ weiteres auf Ringe.
\begin{itemize}
\item Es ist $r|v$ und $s|v$.
\item Für alle $t ∈ R$ gilt:, $r|t$ und $s|t$ impliziert $v|t$.
\item Für alle $t ∈ R$ gilt: $r|t$ und $s|t$ impliziert $v|t$.
\end{itemize}
Man schreibt in dieser Situation oft $v = \kgV(r,s)$\index{kgV}.
\end{defn}
@@ -620,11 +620,11 @@ weiteres auf Ringe.
\end{definition}
\begin{warnung}
Obwohl man oft von ``dem größten gemeinsamen Teiler'' spricht, ist der größte
Obwohl man oft von dem größten gemeinsamen Teiler spricht, ist der größte
gemeinsame Teiler nicht eindeutig! Wenn $g$ ein größter gemeinsame Teiler ist
und $ε ∈ R^*$, dann ist auch $ε·g$ ein größter
gemeinsame Teiler! Mit unserer Definition ist sowohl $3 = \ggT(6,9)$ als auch
$-3 = \ggT(6,9)$. Dito für $\kgV$.
und $ε ∈ R^*$, dann ist auch $ε·g$ ein größter gemeinsame Teiler! Mit unserer
Definition ist sowohl $3 = \ggT(6,9)$ als auch $-3 = \ggT(6,9)$. Dito für
$\kgV$.
\end{warnung}
\begin{warnung}
@@ -667,14 +667,18 @@ ohne die Primfaktorzerlegung explizit zu kennen.
$f,g∈ K[x]$ gegeben. Dann betrachte die Kette von Gleichungen, die man durch
Division mit Rest bekommt
\begin{align}
f(x)&= q_1(x)· g(x)+r_1(x)&&\text{mit }\deg r_1 < \deg g\label{eq:Euklid_1}\\
g(x)&= q_2(x)· r_1(x)+r_2(x)&&\text{mit }\deg r_2 < \deg r_1\label{eq:Euklid_2}\\
&\qquad\vdots&&\qquad\vdots\nonumber\\
r_{n-2}(x)&=q_n(x)· r_{n-1}(x)+r_n(x)&&\text{mit } \deg r_{n} < \deg r_{n-1}\label{eq:Euklid_3}\\
\intertext{und zuletzt}
r_{n-1}(x)&= q_{n+1}(x)· r_n(x)\label{eq:Euklid_4}
f(x) &= q_1(x)· g(x)+r_1(x)&&\text{mit }\deg r_1 < \deg g\label{eq:Euklid_1}\\
g(x) &= q_2(x)·r_1(x)+r_2(x)&&\text{mit }\deg r_2 < \deg r_1\label{eq:Euklid_2}\\
r_1(x)&= q_3(x)·r_2(x)+r_3(x)&&\text{mit }\deg r_3 < \deg r_2 \\
r_2(x)&= q_4(x)·r_3(x)+r_4(x)&&\text{mit }\deg r_4 < \deg r_3 \\
r_3(x)&= q_5(x)·r_4(x)+r_5(x)&&\text{mit }\deg r_5 < \deg r_4 \\
r_4(x)&= q_6(x)·r_5(x)+r_6(x)&&\text{mit }\deg r_6 < \deg r_5 \\
&\qquad\vdots&&\qquad\vdots\nonumber\\
\intertext{denn da die Grade immer kleiner werden, muss die Division irgendwann aufgehen}
r_{n-2}(x) &= q_n(x)· r_{n-1}(x)+r_n(x)&&\text{mit } \deg r_{n} < \deg r_{n-1}\label{eq:Euklid_3}\\
r_{n-1}(x) &= q_{n+1}(x)· r_n(x)\label{eq:Euklid_4}
\end{align}
denn da die Grade immer kleiner werden, muss die Division irgendwann aufgehen.
\end{bsp}
\begin{satz}

2
06.tex
View File

@@ -1,7 +1,7 @@
% spell checker language
\selectlanguage{german}
\chapter{Der Quotientenkörper eines Integritätsringes}
\chapter{Der Quotientenkörper eines Integritätsrings}
\section{Worum geht es?}

66
07.tex
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@@ -83,19 +83,18 @@ den Anfängervorlesungen.
\begin{erinnerung}[Lagrangesche Interpolationsformel\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph-Louis_Lagrange}{Joseph-Louis de Lagrange} (* 25.~Januar 1736 in Turin als Giuseppe Lodovico Lagrangia; † 10.~April 1813 in Paris) war ein italienischer Mathematiker und Astronom.}\index{Lagrangesche Interpolationsformel}]%
Es sei $K$ ein Körper\footnote{Wir denken an $K = $.}, es sei $f(x) ∈ K[x]$
ein Polynom vom Grad $≤ n$ und es seien $a_1, …, a_{n+1}∈ K$ paarweise
verschiedene Elemente. Dann ist $f$ durch seine Werte $f(a_1), …, f(a_{n+1})$
ein Polynom vom Grad $≤ n$ und es seien $a_0, …, a_n∈ K$ paarweise
verschiedene Elemente. Dann ist $f$ durch seine Werte $f(a_0), …, f(a_n)$
eindeutig festgelegt. Genauer gilt:
\begin{equation*}
f(x) = \sum_{i=1}^{n+1}f(a_i)\prod_{\genfrac{}{}{0pt}{}{j=0}{j≠ i}}\frac{x-a_j}{a_i-a_j}.
f(x) = \sum_{i=0…n}f(a_i)\prod_{\genfrac{}{}{0pt}{}{j=0…n}{j≠i}}\frac{x-a_j}{a_i-a_j}.
\end{equation*}
\end{erinnerung}
\begin{proof}
Die rechte Seite der Gleichung ist ein Polynom $R(x)$ vom Grad $≤ n$, für das
gilt
Die rechte Seite der Gleichung ist ein Polynom $R(x) ∈ K[x]$ vom Grad $\deg
R = n$, sodass für alle Indices $i$ gilt:
\[
R(a_i) = f(a_i)·\prod_{\genfrac{}{}{0pt}{}{j=0}{j≠
i}}\frac{a_i-a_j}{a_i-a_j}=f(a_i).
R(a_i) = f(a_i)·\prod_{\genfrac{}{}{0pt}{}{j=0…n}{j≠i}}\frac{a_i-a_j}{a_i-a_j}=f(a_i).
\]
Dann ist $f-R$ ein Polynom vom Grad $≤ n$, das $n+1$ Nullstellen hat, also das
Nullpolynom.
@@ -163,7 +162,7 @@ Wikipedia} gibt\index{Eisenstein-Kriterium}.
\begin{notation}
Ein Polynom, das die Bedingung von Satz~\ref{Satz_Eisenstein_Kriterium}
erfüllt, nennt man \emph{Eisenstein-Polynom}\index{Eisenstein-Polynom}.
erfüllt, nennt man \emph{Eisen\-stein-Polynom}\index{Eisenstein-Polynom}.
\end{notation}
\begin{bsp}
@@ -183,7 +182,7 @@ Wikipedia} gibt\index{Eisenstein-Kriterium}.
x_1^m+g(x_2, …, x_n) ∈ R[x_1, …, x_n]
\end{equation*}
über einem faktoriellen Ring $R$ ist sicher dann irreduzibel, wenn $g(x_2, …,
x_n)R[x_2, …, x_n]$ irreduzibel ist.
x_n)$ als Element von $R[x_2, …, x_n]$ irreduzibel ist.
\end{bsp}
@@ -238,25 +237,42 @@ folgenden Weisen.
\begin{bsp}\label{bsp:7.2.7}
Es sei $p ∈ $ eine Primzahl und es sei
\begin{equation}\label{eq:Rechnungen_S68}
\[
f = x^{p-1}+x^{p-2}++ x+1[x].
\end{equation}
Auf $f$ kann man das Eisenstein-Kriterium nicht direkt anwenden. Aber es gilt:
\]
Auf $f$ kann man das Eisenstein-Kriterium nicht direkt anwenden. Wir wollen
den Substitutionsmorphismus $\varphi : [x][x]$, $x ↦ x+1$
anwenden. Es ist
\[
\varphi(f) = (x+1)^{p-1}+(x+1)^{p-2}++ (x+1)+1[x],
\]
aber das ist schwer auszurechnen. Deshalb ein Trick: man beobachte, dass sich
das Polynom $f$ durch Multiplikation mit $x-1$ mächtig vereinfacht,
\begin{equation*}
(x-1)· f=x^p-1.
(x-1)·f = x^p-1.
\end{equation*}
Wenn wir den Substitutionsmorphismus $x→ x+1$ anwenden, erhalten wir
\begin{equation*}
\varphi((x-1)· f) = x· \varphi(f) = (x+1)^p-1 = \sum_{ν = 0}^{p}\binom{p}{ν}x^ν -1.
\end{equation*}
Also ist
\begin{equation*}
\varphi(f) = \sum_{ν=1}^{p}\binom{p}{ν}x^{ν-1}.
\end{equation*}
Das ist ein Eisenstein-Polynom, denn $p|\binom{p}{ν}$ für alle $ν$ mit
$1ν < p$. Zusätzlich gilt $\nmid \binom{p}{1}=p$ und
$\binom{p}{p}=1$. Also sind $\varphi(f)$ und $f$ in $[x]$ jeweils
irreduzibel.
Dann ist auf der einen Seite
\begin{align*}
\varphi( (x-1)·f ) & = \varphi(x-1)·\varphi(f) = x·\varphi(f)
\intertext{und auf der anderen Seite ist}
\varphi( (x-1)·f ) & = \varphi( x^p-1 ) = (x+1)^p-1 \\
& = \sum_{ν = 0}^{p}\binom{p}{ν}x^ν -1 = \sum_{ν = 1}^{p}\binom{p}{ν}x^ν.
\intertext{Ein Vergleich der beiden Seiten zeigt dann}
\varphi(f) & = \sum_{ν=1}^{p}\binom{p}{ν}x^{ν-1}.
\end{align*}
Das ist ein Eisenstein-Polynom in $[x]$, denn es gilt Folgendes.
\begin{itemize}
\item Für alle Zahlen $1ν < p$ gilt $p|\binom{p}{ν}$.
\item Es ist $\binom{p}{1}=p$, also $\nmid \binom{p}{1}$.
\item Es ist $\binom{p}{p}=1$, sodass der ggT der Koeffizienten ganz sicher
gleich eins ist.
\end{itemize}
Also sind $\varphi(f)$ und $f$ in $[x]$ jeweils irreduzibel. Nach
Satz~\ref{satz:Irreduzibilitaetssatz_Gaus} („Irreduzibilitätskriterium von
Gauß“) sind $\varphi(f)$ und $f$ dann auch im Polynomring
$[x]$ irreduzibel.
\end{bsp}

13
09.tex
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@@ -4,7 +4,7 @@
\chapter{Ideale}
\label{chapt:09}
\section{Wohin geht die Reise}
\section{Wohin geht die Reise?}
Ich hatte schon am Ende des letzten Abschnittes geschrieben: um die Frage nach
der Konstruierbarkeit des regelmäßigen $n$-Ecks vollständig entscheiden zu
@@ -149,7 +149,7 @@ Die technisch korrekte Definition eines Ideals ist jetzt die folgende.
\]
wobei $f_i ∈ K[x_1, …, x_n]$ irgendwelche Polynome sind. Man nennt ein
solches $V$ manchmal \emph{algebraische Varietät}\index{algebraische
Varietät}. Abbildung~\ref{fig:node} zeigt ein Beispiel. Im Internet finden
Varietät}. Abbildung~\ref{fig:node} zeigt ein Beispiel. Im Internet finden
Sie \href{https://imaginary.org/gallery/surfer-gallery-by-bianca-violet}{hier}
und \href{https://imaginary.org/gallery/oliver-labs}{hier} noch weitere schöne
Beispiele.
@@ -217,8 +217,8 @@ Ideale sind die, die mithilfe eines einzigen Erzeugers definiert werden können.
\end{defn}
\begin{beobachtung}[Hauptideale und Teilbarkeit]
Gegeben sei ein kommutativer Ring $R$ mit Eins. Weiter seien $a_1, a_2 ∈ R$.
Dann gilt offensichtlich
Gegeben sei ein Integritätsring $R$. Weiter seien $a_1, a_2 ∈ R$. Dann gilt
offensichtlich
\begin{align*}
(a_1) ⊂ (a_2) & ⇔ a_2| a_1 \\
(a_1) = (a_2)& ⇔ a_1 \sim a_2.
@@ -235,8 +235,9 @@ Ideale sind die, die mithilfe eines einzigen Erzeugers definiert werden können.
\[
I = (a_1, …, a_n) = (b_1, …, b_m),
\]
immer gleiche Mächtigkeit haben. Falls sie vorhatten, die „Dimension“ eines
Ideals zu definieren -- \foreignlanguage{english}{Nice try}!
immer gleiche Mächtigkeit haben. Das geht schon im Ring $$ der ganzen
Zahlen schief, dort ist $(1) = (2,3)$. Falls sie vorhatten, die „Dimension“
eines Ideals zu definieren -- \foreignlanguage{english}{Nice try}!
\end{warnung}
Ein Ideal ist in der Praxis nur dann handhabbar, wenn ich eine möglichst

32
10.tex
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@@ -3,20 +3,16 @@
\chapter{Restklassenringe}
\sideremark{Vorlesung 11}Für dieses Kapitel haben wir Ihnen Beispiele auf
unserem \href{https://sage.cplx.vm.uni-freiburg.de/share/}{Sage/CoCalc-Server}
bereitgestellt.
Ich hatte am Anfang von Kapitel~\ref{chapt:09} schon gesagt, warum wir uns für
Ideale interessieren: Wir wollen --ähnlich wie bei der Konstruktion des
Quotientenvektoraumes in der Linearen Algebra-- einen Quotienten von Ringen
konstruieren. Ich weiß aus Erfahrung, dass viele Studierende ihre Probleme mit
„Quotientenvektorräumen“ haben und nutze an dieser Stelle normalerweise die
Gelegenheit, um mit der Konstruktion des Restklassenringes die Begriffe und
Beweistechniken noch einmal zu wiederholen. In diesem Semester geht das nicht,
denn das Semester ist deutlich kürzer als in normalen Jahren. Ich verzichte
deshalb im Folgenden sehr oft auf Beweise und behaupte, dass „alles genau so
geht, wie in der Linearen Algebra“.
\sideremark{Vorlesung 11}Ich hatte am Anfang von Kapitel~\ref{chapt:09} schon
gesagt, warum wir uns für Ideale interessieren: Wir wollen --ähnlich wie bei der
Konstruktion des Quotientenvektoraumes in der Linearen Algebra-- einen
Quotienten von Ringen konstruieren. Ich weiß aus Erfahrung, dass viele
Studierende ihre Probleme mit „Quotientenvektorräumen“ haben und nutze an dieser
Stelle normalerweise die Gelegenheit, um mit der Konstruktion des
Restklassenringes die Begriffe und Beweistechniken noch einmal zu wiederholen.
In diesem Semester geht das nicht, denn das Semester ist deutlich kürzer als in
normalen Jahren. Ich verzichte deshalb im Folgenden sehr oft auf Beweise und
behaupte, dass „alles genau so geht, wie in der Linearen Algebra“.
\begin{warnung}
Stellen Sie sicher, dass sie sich noch ausreichend gut an die Vorlesung
@@ -189,7 +185,7 @@ Bilder von Idealen sind zumindest dann Ideale, wenn der Morphismus surjektiv ist
--- dies ist zum Beispiel bei der Quotientenabbildung der Fall.
\begin{satz}[Urbilder von Idealen]
Es sei $\varphi : R → S$ ein Morphismus von kommutativen Ringen mit Eins. Wenn
Es sei $\varphi : R → S$ ein Morphismus von kommutativen Ringen mit Eins. Wenn
$I⊂ S$ ein Ideal ist, dann ist die Urbildmenge $\varphi^{-1}(I)$ ein Ideal in
$R$. Ist $\varphi$ zusätzlich surjektiv, dann ist die Zuordnung
\begin{equation*}
@@ -237,8 +233,8 @@ Bilder von Idealen sind zumindest dann Ideale, wenn der Morphismus surjektiv ist
\end{kor}
\begin{bsp}
Es sei $K$ ein Körper, es sei $I ⊆ K[x_1, …, x_n]$ ein Ideal. Dann ist
$K[x_1, …, x_n]/I$ noethersch.
Es sei $K$ ein Körper, es sei $I ⊆ K[x_1, …, x_n]$ ein Ideal. Dann ist der
Quotientenring $K[x_1, …, x_n]/I$ noethersch.
\end{bsp}
Der folgende Satz ist wieder eine Konsequenz der universellen Eigenschaft. Die
@@ -259,7 +255,7 @@ Formulierung verwendet Notation~\ref{not:xx}.
Die Diskussion in Abschnitt~\ref{sec:10-3} wirft die Frage auf, wann ein
Restklassenring der Form $K[x]/(f)$ eigentlich ein Körper ist. Etwas
bescheidener: Wann ist ein Restklassenring $R/I$ nullteilerfrei? Für den Ring
$$ haben wir die Antwort in der Vorlesung „Lineare Algebra“ kennengelernt. Der
$$ haben wir die Antwort in der Vorlesung „Lineare Algebra“ kennengelernt. Der
Ring $/(m)$ ist genau dann nullteilerfrei, wenn er ein Körper ist, und dies ist
genau dann der Fall, wenn $m$ eine Primzahl ist. Also müssen wir statt
„Primzahl“ jetzt den Begriff des „Primideals“ einführen.

34
11.tex
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@@ -6,12 +6,12 @@
\sideremark{Vorlesung 12}Bevor es richtig losgeht, stelle ich schnell noch
einige Grundbegriffe zusammen, die wir später an allen möglichen Stellen
brauchen. Den ersten Begriff erkläre ich am besten an einem Beispiel: betrachte
den Körper $$. Wenn $K ⊂ $ irgendein Unterkörper ist, dann enthält
$K$ auf jeden Fall die Zahlen $0$ und $1$, und damit auch $2=1+1$, das additive
Inverse $-2$, das multiplikative Inverse $\frac{1}{2}$, …. Am Ende erkennen wir,
dass $K$ den gesamten Unterkörper $$ enthalten muss. In diesem Sinne ist
$$ also der kleinste Unterkörper von $$. Das definieren wir jetzt für
beliebige Körper. Die folgende Beobachtung wiederholt \vref{bsp:3-1-2a}.
den Körper $$. Wenn $K ⊂ $ irgendein Unterkörper ist, dann enthält $K$ auf
jeden Fall die Zahlen $0$ und $1$, und damit auch $2=1+1$, das additive Inverse
$-2$, das multiplikative Inverse $\frac{1}{2}$, …. Am Ende erkennen wir, dass
$K$ den gesamten Unterkörper $$ enthalten muss. In diesem Sinne ist $$ also
der kleinste Unterkörper von $$. Das definieren wir jetzt für beliebige
Körper. Die folgende Beobachtung wiederholt \vref{bsp:3-1-2a}.
\begin{beobachtung}
Es sei $L$ ein Körper, und es seien $(K_i)_{i ∈ I}$ Unterkörper. Dann ist
@@ -27,8 +27,8 @@ definieren.
\end{definition}
\begin{notation}
Sei $p ∈ $ eine Primzahl. Dann ist $(p)$ ein maximales Ideal
und $/(p)$ ist ein Körper, der mit $𝔽_p$ bezeichnet wird.
Sei $p ∈ $ eine Primzahl. Dann ist $(p)$ ein maximales Ideal und $/(p)$
ist ein Körper, der mit $𝔽_p$ bezeichnet wird.
\end{notation}
Für Primkörper gibt es gar nicht viele Möglichkeiten.
@@ -44,21 +44,21 @@ Für Primkörper gibt es gar nicht viele Möglichkeiten.
\begin{definition}[Charakteristik]
Es sei $K$ ein Körper. Falls der Primkörper von $K$ isomorph zu $$ ist, so
sagt, man der Körper $K$ hat \emph{Charakteristik
$0$}\index{Charakteristik!eines Körpers}. Falls der Primkörper von $K$
$0$}\index{Charakteristik!eines Körpers}. Falls der Primkörper von $K$
isomorph zu $𝔽_p$ ist, so sagt man, der Körper $K$ hat \emph{Charakteristik
$p$}. Die Schreibweise $\operatorname{char}(K)$ ist üblich.
$p$}. Die Schreibweise $\operatorname{char}(K)$ ist üblich.
\end{definition}
\begin{satz}
Es sei $K$ ein endlicher Körper. Dann hat $K$ hat positive Charakteristik,
$p = \operatorname{char}(K) > 0$, und es gibt eine Zahl $m ∈ $, so das
$K$ genau $p^m$ Elemente hat.
Es sei $K$ ein endlicher Körper. Dann hat $K$ hat positive Charakteristik, $p
= \operatorname{char}(K) > 0$, und es gibt eine Zahl $m ∈ $, so das $K$ genau
$p^m$ Elemente hat.
\end{satz}
\begin{proof}
Ein endlicher Körper kann nicht $$ als Unterkörper besitzen. Also ist
$p = \operatorname{char}(K) > 0$. Weil $K$ endlich ist, ist der
Erweiterungsgrad $m := [K:𝔽_p] = \dim_{𝔽_p} K$ ebenfalls endlich. Ein
$m$-dimensionaler Vektorraum über $𝔽_p$ hat aber $p^m$ viele Elemente.
Ein endlicher Körper kann nicht $$ als Unterkörper besitzen. Also ist $p =
\operatorname{char}(K) > 0$. Weil $K$ endlich ist, ist der Erweiterungsgrad
$m := [K:𝔽_p] = \dim_{𝔽_p} K$ ebenfalls endlich. Ein $m$-dimensionaler
Vektorraum über $𝔽_p$ hat aber $p^m$ viele Elemente.
\end{proof}
Ich erinnere noch einmal an einige Körper, die wir in den vergangenen Kapiteln

55
12.tex
View File

@@ -18,12 +18,12 @@ und $$ vom höheren Standpunkt aus verstehen. Warum ist die Erweiterung $
so wichtig? Wenn ich statt $$ einen anderen Körper betrachte (zum Beispiel
$𝔽_p(X)$), welcher Körper würde dann die Rolle von $$ spielen?
Die Antwort kommt aus der Vorlesung „Analysis“ oder „Funktionentheorie“. Dort
Die Antwort kommt aus der Vorlesung „Analysis“ oder „Funktionentheorie“. Dort
beweist man mit analytischen Methoden, dass jedes Polynom $f ∈ [x]$ eine
komplexe Nullstelle besitzt -- und auch jedes komplexe Polynom $f ∈ [x]$
besitzt eine komplexe Nullstelle. Das führt dazu, dass jedes Polynom in $[x]$
als Produkt von linearen Polynome geschrieben werden kann. Man sagt: „Die
komplexen Zahlen sind algebraisch abgeschlossen.“. Wir werden später sehen, was
komplexen Zahlen sind algebraisch abgeschlossen.“ Wir werden später sehen, was
diese Eigenschaft mit Symmetrie zu tun hat.
\begin{frage}
@@ -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
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
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
$L := K[x]/(g)$ eine Nullstelle.
ein nicht-konstanter irreduzibler Faktor von $f$. Dann hat $g$ im Körper $L
:= K[x]/(g)$ eine Nullstelle.
\end{satz}
Der Beweis von Satz~\ref{satz:12-1-2} ist eine große Tautologie, verwirrt
@@ -107,7 +107,7 @@ wirklich sein soll.
\end{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}
bekannte algebraische Abschluss von $K$ in $L$,
\[
@@ -123,9 +123,9 @@ wirklich sein soll.
über $K$. Also ist $a∈\overline{K}$.
\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
Abschluss von $K$}\index{Algebraischer Abschluss!eines Körpers}, wenn
Abschluss von $K$}\index{Algebraischer Abschluss!eines Körpers}, wenn
Folgendes gilt.
\begin{enumerate}
\item Die Körpererweiterung $L/K$ ist algebraisch.
@@ -152,11 +152,15 @@ natürlich, Satz~\ref{satz:12-1-2} für alle Polynome in $K[x]$ auf einmal
anzuwenden und so sicherzustellen, dass jedes Polynom eine Nullstelle hat. Das
ist aber nicht so einfach: denn wenn ich den Körper durch Hinzunahme von
Polynomen größer mache, gibt es neue Polynome, die ebenfalls Nullstellen haben
müssen. In einem normalen Jahr würde mithilfe von Zorn's Lemma\footnote{Zorn's
Lemma = eine Variante des Auswahlaxioms} zeigen, dass diese naive Idee
tatsächlich trägt. Weil das Semester in diesem Jahr deutlich kürzer ist, muss
an dieser Stelle auf einen Beweis verzichten. Der folgende Satz ist als Satz
von Steinitz\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Ernst_Steinitz}{Ernst
müssen. In einem normalen Jahr würde ich mithilfe des
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Lemma_von_Zorn}{Zornschen
Lemmas}\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Max_August_Zorn}{Max August
Zorn} (* 6.~Juni 1906 in Krefeld; † 9.~März 1993 in Bloomington, Indiana, USA)
war ein US-amerikanischer Professor der Mathematik deutscher Abstammung.}
zeigen, dass diese naive Idee tatsächlich trägt. Weil das Semester in diesem
Jahr deutlich kürzer ist, muss an dieser Stelle auf einen Beweis verzichten. Der
folgende Satz ist als Satz von
Steinitz\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Ernst_Steinitz}{Ernst
Steinitz} (* 13.~Juni 1871 in Laurahütte, Oberschlesien; † 29.~September 1928 in
Kiel) war ein deutscher Mathematiker.} bekannt.
@@ -179,8 +183,8 @@ Schlagwort „Symmetrien einer Körpererweiterung“ diskutiert.
\end{definition}
\begin{bsp}
Betrachte die Körpererweiterung $/$. Die komplexe Konjugation
$\varphi: $ ist ein $$-Morphismus von $$ nach $$.
Betrachte die Körpererweiterung $/$. Die komplexe Konjugation $\varphi:
$ ist ein $$-Morphismus von $$ nach $$.
\end{bsp}
Der folgende Satz beschreibt die universelle Eigenschaft des algebraischen
@@ -188,25 +192,24 @@ Abschluss. Dieser Satz ist absolut zentral für die kommende Diskussion; er ist
der eigentliche Grund, warum Galois-Theorie überhaupt funktioniert. Wieder
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
von $K$. Zusätzlich seien weitere algebraische Körpererweiterungen
$K ⊆ L_0 L$ von $K$ gegeben, sowie ein $K$-Morphismus
von $K$. Zusätzlich seien weitere algebraische Körpererweiterungen $K ⊆ L_0
L$ von $K$ gegeben, sowie ein $K$-Morphismus
\begin{equation*}
\varphi_0 : L_0 → \overline{K}.
\end{equation*}
Dann existiert eine Fortsetzung von $\varphi_0$ zu einem $K$-Morphismus
$\varphi : L → \overline{K}$. Mit anderen Worten: es existiert ein
$K$-Morphismus $\varphi : L → \overline{K}$, sodass
$\varphi|_{L_0} = \varphi_0$ ist. \qed
$K$-Morphismus $\varphi : L → \overline{K}$, sodass $\varphi|_{L_0} =
\varphi_0$ ist. \qed
\end{satz}
\begin{bsp}
Es sei $K = L_0 = $, es sei $\overline{K} = L = $. Weiter sei
$\varphi_0 : $ die Identität. Dann gibt es \emph{zwei} Fortsetzungen von
$\varphi_0$ zu einem $$-Morphismus $\varphi: $; wir können für $\varphi$
einerseits die Identität nehmen, andererseits ist auch die
Konjugationsabbildung möglich.
Es sei $K = L_0 = $, es sei $\overline{K} = L = $. Weiter sei $\varphi_0 :
$ die Identität. Dann gibt es \emph{zwei} Fortsetzungen von $\varphi_0$
zu einem $$-Morphismus $\varphi: $; wir können für $\varphi$ einerseits
die Identität nehmen, andererseits ist auch die Konjugationsabbildung möglich.
\end{bsp}
Als Konsequenz der universellen Eigenschaft erhalten wir die Eindeutigkeit des
@@ -214,7 +217,7 @@ algebraischen Abschlusses bis auf nicht-kanonische Isomorphie. Obwohl die
Isomorphie nicht kanonisch ist, spricht man in der Literatur häufig nicht ganz
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
algebraische Abschlüsse. Dann gibt es einen $K$-Isomorphismus $K_1 → K_2$.
\end{kor}

69
13.tex
View File

@@ -24,16 +24,16 @@ Zerfällungskörper. Was das ist, erkläre ich jetzt.
\begin{bemerkung}
Die Elemente $a_1, …, a_n$ aus Definition~\ref{def:zerf} sind genau die
Nullstellen des Polynoms $f ∈ L[x]$. Insbesondere sind die Elemente
$a_1, …, a_n$ eindeutig bis auf Vertauschung.
Nullstellen des Polynoms $f ∈ L[x]$. Insbesondere sind die Elemente $a_1, …,
a_n$ eindeutig bis auf Vertauschung.
\end{bemerkung}
Der folgende Satz fasst die ersten Eigenschaften von Zerfällungskörpern
zusammen.
\begin{satz}\label{satz:13-0-3}
Es sei $K$ ein Körper und es sei $f ∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom.
Dann gilt Folgendes.
\begin{satz}\label{satz:13-0-3}%
Es sei $K$ ein Körper und es sei $f ∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom. Dann
gilt Folgendes.
\begin{enumerate}
\item Das Polynom $f$ besitzt einen Zerfällungskörper.
@@ -49,11 +49,11 @@ zusammen.
\end{proof}
Zerfällungskörper sind also eindeutig bis auf nicht-kanonische Isomorphie. Wie
schon beim algebraischen Abschluss wird deshalb häufig von ``dem''
schon beim algebraischen Abschluss wird deshalb häufig von dem
Zerfällungskörper gesprochen.
\begin{bemerkung}[Kochrezept: Zerfällungskörper]
Es sei $K$ ein Körper und es sei $f ∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom. Wenn
Es sei $K$ ein Körper und es sei $f ∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom. Wenn
ein algebraischer abgeschlossener Oberkörper $L/K$ gegeben ist, dann zeigt der
Beweis von Satz~\ref{satz:13-0-3} wie man an einen Zerfällungskörper kommt.
Man muss für das Polynom $f ∈ L[x]$ „lediglich“ die Nullstellen $a_1, …, a_n$
@@ -69,17 +69,15 @@ Beispielen $K = $, sodass man einen Zerfällungskörper als Teilmenge der
komplexen Zahlen konstruieren wird.
\begin{bsp}
Es sei $K = $ und es sei $f =-2[x]$. Dann ist
$L = (\sqrt 2,-\sqrt2) = (\sqrt2)$ ein Zerfällungskörper
von $f$.
Es sei $K = $ und es sei $f =-2[x]$. Dann ist $L = (\sqrt 2,-\sqrt2)
= (\sqrt2)$ ein Zerfällungskörper von $f$.
\end{bsp}
\begin{bsp}
Es sei $K = $ und es sei $f =-2[x]$. Betrachte die komplexe Zahl
$ξ := e^{\frac{2π i}{3}}$. Dann sind die komplexen Zahlen
$a_0 := \sqrt[3]{2}$, $a_1 := ξ·\sqrt[3]{2}$ und $a_2 := ξ_3²·\sqrt[3]{2}$
genau die komplexen Nullstellen von $f$. Also ein Zerfällungskörper gegeben
durch
Es sei $K = $ und es sei $f =-2[x]$. Betrachte die komplexe Zahl $ξ
:= e^{\frac{2π i}{3}}$. Dann sind die komplexen Zahlen $a_0 := \sqrt[3]{2}$,
$a_1 := ξ·\sqrt[3]{2}$ und $a_2 := ξ_3²·\sqrt[3]{2}$ genau die komplexen
Nullstellen von $f$. Also ein Zerfällungskörper gegeben durch
\[
L = (a_0, a_1, a_2) = \Bigl(\sqrt[3]{2}, ξ \Bigr).
\]
@@ -101,7 +99,7 @@ komplexen Zahlen konstruieren wird.
ich endlich erklären, was es mit meinem ständigen Reden von „Symmetrien“ auf
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
sei $L/K$ ein Zerfällungskörper von $f$. Weiter seien $a_1, …, a_n$ die
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,
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
$f(x) = \sum b_i·xⁱ$. Wenn $a_• ∈ L$ eine der Nullstellen von $f$ ist, dann
ist
@@ -130,7 +128,7 @@ das wohl am besten in Termen endlicher Gruppen beantwortet werden sollte.
\end{equation}
\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.
Ich kann also jedes Element $ ∈ L$ als endliche Summe schreiben,
\[
@@ -143,7 +141,7 @@ das wohl am besten in Termen endlicher Gruppen beantwortet werden sollte.
& = \sum β_{i_1,…,i_n}·\varphi(a_1)^{i_1}\varphi(a_n)^{i_n}. && \text{$\varphi$ ist $K$-Morphismus und $β_• ∈ K$.}
\end{align*}
Wir erkennen: Der $K$-Morphismus $\varphi: L → L$ ist eindeutig dadurch
festgelegt, wohin er die endlich vielen Elemente $a_1$, …, $a_n$ abbildet! Die
festgelegt, wohin er die endlich vielen Elemente $a_1$, …, $a_n$ abbildet! Die
Abbildung \eqref{eq:jtzrtt} ist also injektiv, und wir können die
„Symmetriegruppe“ von $L/K$, also die Gruppe der $K$-Isomorphismen von $L$ als
Untergruppe einer endlichen Permutationsgruppe auffassen.
@@ -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
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
$(a_λ)_{λ∈Λ}$ 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
dem Substitutionsmorphismus
$R\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr]$ das Bild von $R\bigl[(x_λ)_{λ∈Λ}\bigr]$ unter dem
Substitutionsmorphismus
\[
R\bigl[(x_λ)_{λ∈Λ}\bigr] → S, \quad f(x_{λ_1}, …, x_{λ_m})
f(a_{λ_1}, …, a_{λ_m})
\]
Man sagt, der Unterring $R\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr] ⊂ S$ entsteht aus
$R$ durch \emph{Adjunktion} der Elemente $(a_λ)_{λ∈Λ}$. Den Vorgang nennt
man \emph{Ringadjunktion}\index{Ringadjunktion}.
Man sagt, der Unterring $R\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr] ⊂ S$ entsteht aus $R$ durch
\emph{Adjunktion} der Elemente $(a_λ)_{λ∈Λ}$. Den Vorgang nennt man
\emph{Ringadjunktion}\index{Ringadjunktion}.
\end{defn}
\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
$K\bigl( (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr)$ vergleichen. Offenbar gilt immer
\[
K ⊆ K\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr] ⊆ K\bigl( (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr)
⊆ L.
K ⊆ K\bigl[(a_λ)_{λ∈Λ}\bigr] ⊆ K\bigl( (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr) ⊆ L.
\]
Die folgenden Sätze klären, wann Gleichheit herrscht. Die Sätze klären auch
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}
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
Eigenschaft ist der Quotientenkörper der kleinste Körper, der
$K\bigl[ (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr]$ enthält, also gleich $K\bigl((a_λ)_{λ∈Λ}\bigr)$.
Eigenschaft ist der Quotientenkörper der kleinste Körper, der $K\bigl[
(a_λ)_{λ∈Λ} \bigr]$ enthält, also gleich $K\bigl((a_λ)_{λ∈Λ}\bigr)$.
\end{proof}
\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}
\end{equation*}
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
$K[a] K(a)$.
transzendent ist, dann ist $K[x] ≅ K[a]$ kein Körper und deshalb ist $K[a]
K(a)$.
\end{proof}
\begin{kor}[Ringadjunktion vs Körperadjunktion]
@@ -250,13 +247,13 @@ auch noch einmal Fußnote~\vref{foot:sage} an.
\end{itemize}
\end{kor}
\begin{proof}
Induktion nach $n$ und der Korollar~\vref{kor:TdA} (``Transitivität der
Algebraizität'').
Induktion nach $n$ und der Korollar~\vref{kor:TdA} (Transitivität der
Algebraizität).
\end{proof}
\begin{bemerkung}
Für beliebige Körpererweiterungen $L/K$ und beliebige Teilmengen
$(a_λ)_{λ∈Λ} ⊂ L$ ist die Äquivalenz
\begin{bemerkung}[Endlichkeit ist wichtig]
Für beliebige Körpererweiterungen $L/K$ und beliebige Teilmengen $(a_λ)_{λ∈Λ}
⊂ L$ ist die Äquivalenz
\begin{equation*}
K\bigl( (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr) = K\bigr[ (a_λ)_{λ∈Λ} \bigr] \quad\quad\text{alle $a_λ$ sind algebraisch}
\end{equation*}

121
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
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
ist, also $f = (x-a)²·g ∈ [x]$ wäre, dann kann ich die Ableitung betrachten,
\[
@@ -46,14 +46,14 @@ Andererseits kann man die Ableitungsregeln ganz formal kopieren:
\end{matrix}
\right.
\]
In der Praxis ist man meist zu faul und schreibt statt $φ(n) ∈ R$ einfach
$n ∈ R$. Aber Achtung! Die Abbildung $φ$ ist nicht immer injektiv! Es gilt
zum Beispiel $p = 0𝔽_p$.
In der Praxis ist man meist zu faul und schreibt statt $φ(n) ∈ R$ einfach $n ∈
R$. Aber Achtung! Die Abbildung $φ$ ist nicht immer injektiv! Es gilt zum
Beispiel $p = 0𝔽_p$.
\end{notation}
\begin{definition}[Formale Ableitung]\label{Def_formale_Ableitung}
Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins. Wenn jetzt ein Polynom
$f = \sum_{i=0}^{n}a_i·xⁱ ∈ R[x]$ gegeben ist, dann nenne das Polynom
\begin{definition}[Formale Ableitung]\label{Def_formale_Ableitung}%
Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins. Wenn jetzt ein Polynom $f =
\sum_{i=0}^{n}a_i·xⁱ ∈ R[x]$ gegeben ist, dann nenne das Polynom
\begin{equation*}
f' = \sum_{i=1}^{n} i· a_i· x^{i-1}∈ R[x]
\end{equation*}
@@ -62,7 +62,7 @@ Andererseits kann man die Ableitungsregeln ganz formal kopieren:
Iteration der Ableitung definiert.
\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
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
@@ -72,7 +72,7 @@ Andererseits kann man die Ableitungsregeln ganz formal kopieren:
Trotzdem ist $f$ aber nicht konstant, denn $f(1) = 1$ und $f(0) = 0$.
\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 $f$, $g ∈ R[x]$.
Weiter sei ein Element $r ∈ R$ gegeben. Dann gilt Folgendes.
\begin{enumerate}
@@ -107,7 +107,7 @@ bestimmen. Was war noch einmal die Ordnung?
in $R[x]$ gelten.
\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 $f ∈ R[x]$
der Form $f = (x-a)^m· g$ gegeben, mit $a∈ R$ und $g∈ R[x]$. Dann ist
\begin{equation*}
@@ -124,11 +124,10 @@ bestimmen. Was war noch einmal die Ordnung?
\begin{equation*}
f(a) = f'(a) = ⋯ = f^{(m-1)}(a) = 0
\end{equation*}
ist. Wenn $R$ ein Körper der Charakteristik $0$ ist, also insbesondere
$m! 0 ∈ R$ ist, dann ist $f^{(m)}(a)0$, wenn $a$ eine $m$-fache
Nullstelle von $f$ ist. Wir haben aber schon in Bemerkung~\ref{bem:14-1-3}
gesehen, dass man über beliebigen Körpern die Nullstellenordnung so nicht
bestimmen kann!
ist. Wenn $R$ ein Körper der Charakteristik $0$ ist, also insbesondere $m!
0 ∈ R$ ist, dann ist $f^{(m)}(a)0$, wenn $a$ eine $m$-fache Nullstelle von
$f$ ist. Wir haben aber schon in Bemerkung~\ref{bem:14-1-3} gesehen, dass man
über beliebigen Körpern die Nullstellenordnung so nicht bestimmen kann!
\end{beobachtung}
@@ -147,7 +146,7 @@ diese Abbildung \textbf{linear} ist!
\begin{defn}[Charakeristik eines Ringes]
Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins. Die
\emph{Charakteristik}\index{Charakteristik!eines Ringes} von $R$ ist die
kleinste natürliche Zahl $n ∈ ^+$, sodass die $n$-fache Summe des
kleinste natürliche Zahl $n ∈ $, sodass die $n$-fache Summe des
Einselements gleich dem Nullelement wird, also
\[
\underbrace{1 + 1 ++ 1}_{n } =0.
@@ -155,7 +154,7 @@ diese Abbildung \textbf{linear} ist!
Gibt es eine solche Zahl nicht, so sagt man, dass $R$ Charakteristik 0 hat.
\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
Charakteristik $p$. Dann ist die Abbildung
\begin{equation*}
@@ -166,7 +165,7 @@ diese Abbildung \textbf{linear} ist!
(a+b)^p = a^p+b^p \quad\text{und}\quad (a· b)^p=a^p· b^p
\end{equation*}
Man nennt die Abbildung den \emph{Frobenius-Endomorphismus von
$R$}\index{Frobenius-Endomorphismus}.
$R$}\index{Frobenius-Endomorphismus}.
\end{satzdef}
\begin{proof}
\video{14-1}
@@ -199,8 +198,7 @@ Definition.
\emph{separabel}\index{separabel!Polynom}, wenn $f$ keine mehrfachen
Nullstellen in $\overline{K}$ hat. Ein beliebiges nicht-konstantes Polynom
heißt separabel, wenn alle irreduziblen Faktoren separabel sind.
Nicht-separable Polynome heißen
\emph{inseparabel}\index{inseparabel!Polynom}.
Nicht-separable Polynome heißen \emph{inseparabel}\index{inseparabel!Polynom}.
\end{defn}
\begin{warnung}
@@ -210,7 +208,7 @@ Definition.
Separable Polynome können mithilfe des Frobenius-Morphismus genau beschrieben
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
sind die folgenden Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
@@ -222,7 +220,7 @@ werden.
\item\label{Satz_aequivalent_zu_inseparabel_Aussage_3} Die Charakteristik von
$K$ ist eine Primzahl $p>0$, es existiert ein irreduzibles und separables
Polynom $g ∈ K[x]$ und eine Zahl $e ∈ ^+$, sodass
Polynom $g ∈ K[x]$ und eine Zahl $e ∈ $, sodass
\begin{equation*}
f(x) = g \Bigl( x^{(p^e)} \Bigr)
\end{equation*}
@@ -237,7 +235,7 @@ werden.
mit $m>1$ und $g ∈ \overline{K}[x]$. Dann hat die formale Ableitung $f'$
ebenfalls $a$ als Nullstelle. Weil $f$ aber irreduzibel ist, ist $f$ das
Polynom kleinsten Grades, dass $a$ als Nullstelle hat\footnote{Erinnern Sie
sich noch, wie man das beweist?}. Wegen $\deg f' < \deg f$ folgt dann aber,
sich noch, wie man das beweist?}. Wegen $\deg f' < \deg f$ folgt dann aber,
dass $f^\prime\equiv 0$ sein muss.
\end{proof}
@@ -304,9 +302,9 @@ separabel, wenn alle Elemente separabel sind.
\begin{defn}[Separable und inseparable Elemente in Körpererweiterungen]
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und $a ∈ L$ sei algebraisch über $K$. Man
nennt $a$ \emph{separabel über $K$}\index{separabel!Element einer
Körpererweiterung}, wenn das Minimalpolynom $f ∈ K[x]$ separabel ist.
Körpererweiterung}, wenn das Minimalpolynom $f ∈ K[x]$ separabel ist.
Ansonsten heißt $a$ \emph{inseparabel über $K$}\index{inseparabel!Element
einer Körpererweiterung}.
einer Körpererweiterung}.
\end{defn}
\begin{defn}[Separable und inseparable Körpererweiterungen]
@@ -318,33 +316,33 @@ separabel, wenn alle Elemente separabel sind.
\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,
dann sind auch $L/Z$ und $Z/K$ separabel.
\end{satz}
\begin{proof}
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
Minimalpolynom von $a$ über $Z$ das Minimalpolynom von $a$ über $K$ teilt. Das
letztere hat aber keine mehrfachen Nullstellen, also hat auch das erste keine
mehrfachen Nullstellen.
Minimalpolynom von $a$ über $Z$ das Minimalpolynom von $a$ über $K$ teilt.
Das letztere hat aber keine mehrfachen Nullstellen, also hat auch das erste
keine mehrfachen Nullstellen.
\end{proof}
\subsection{Separabilität und Anzahl von $K$-Morphismen}
Im Folgenden ist ein wesentlicher Punkt, dass sich endliche separable
Körpererweiterungen $L/K$ durch die Anzahl der $K$-Homomorphismen
$L → \overline{K}$ charakterisieren lassen. Als Anwendung erhalten wir eine
Reihe von Sätzen und Korollaren über separable Erweiterungen, die wir schon in
ganz ähnlicher Form (und mit ganz ähnlichen Beweisen) für algebraische
Erweiterungen kennen. Die gesamte Diskussion baut auf folgendem Lemma auf.
Körpererweiterungen $L/K$ durch die Anzahl der $K$-Homomorphismen $L →
\overline{K}$ charakterisieren lassen. Als Anwendung erhalten wir eine Reihe
von Sätzen und Korollaren über separable Erweiterungen, die wir schon in ganz
ähnlicher Form (und mit ganz ähnlichen Beweisen) für algebraische Erweiterungen
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
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
$σ : K(a) → L$.
in $L$ bezeichnet, dann gibt es genau $m$ verschiedene $K$-Morphismen $σ :
K(a) → L$.
\end{lemma}
\begin{proof}
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).
\end{equation*}
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
$(f) = \ker \varphi_a = \ker \varphi_b$ gelten. Also liefern $\varphi_a$ und
$\varphi_b$ $K$-Morphismen
Weil $f$ irreduzibel ist, muss aber schon die Gleichheit $(f) = \ker \varphi_a
= \ker \varphi_b$ gelten. Also liefern $\varphi_a$ und $\varphi_b$
$K$-Morphismen
\begin{equation*}
\factor{K[x]}{(f)} \xrightarrow{ψ_a} K(a) \qquad\text{und}\qquad \factor{K[x]}{(f)} \xrightarrow{ψ_b} L,
\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
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
und es sei $n := [L:K]$. Dann gilt Folgendes.
\begin{enumerate}
@@ -396,9 +394,9 @@ Körpererweiterung“ in ganz ähnlicher Form schon kennen.
Man bette $M$ in $\overline{K}$ ein.
\end{proof}
\begin{kor}
Sei $L = K[a_1, …, a_t]$, wobei $a_i$ stets separabel über
$K[a_1, …, a_{i-1}]$ ist. Dann ist $L/K$ separabel.
\begin{kor}\label{cor:14-4-7}%
Sei $L = K(a_1, …, a_t)$, wobei $a_i$ stets separabel über $K(a_1, …,
a_{i-1})$ ist. Dann ist $L/K$ separabel.
\end{kor}
\begin{proof}
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.
\end{kor}
\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*}
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*}
das zugehörige Minimalpolynom. Es gilt, dass $a$ separabel über
$K[a_0, …, a_{n-1}] =: L^{n-1}$ ist. Weil die $a_i$ aber separabel über $K$
sind, ist $L^\prime[a] = K[a_0, …, a_{n-1}, a]$ separabel. Insbesondere ist
$a$ separabel.
Es gilt, dass $a$ separabel über $K(a_0, …, a_{n-1})$ ist. Gegeben einen
Index $i$, dann gilt nach Satz~\ref{Satz_separabilitaet_Zwischenkoerper} auch,
dass die $a_i$ separabel über $K(a_0, …, a_{i-1})$ sind. Also ist $K(a_0, …,
a_{n-1}, a)$ nach Korollar~\ref{cor:14-4-7} separabel über $K$. Insbesondere
ist $a$ separabel über $K$.
\end{proof}
\subsection{Der separable Abschluss}
Erinnern Sie sich an den „algebraischen Abschluss eines Körpers in einem
Oberkörper“, den wir in Satz~\vref{satzdef:aaieO} eingeführt haben? Auch
dieser Satz und diese Definition lässt sich fast wortgleich in unseren Kontext
Oberkörper“, den wir in Satz~\vref{satzdef:aaieO} eingeführt haben? Auch dieser
Satz und diese Definition lässt sich fast wortgleich in unseren Kontext
übertragen.
\begin{satzdef}[Separabler algebraischer Abschluss, Separabilitätsgrad]
@@ -435,9 +436,9 @@ dieser Satz und diese Definition lässt sich fast wortgleich in unseren Kontext
L_{\sep} := \{ a ∈ L \::\: a \text{ ist separabel über }K\}
\]
ein Unterkörper von $L$. Man nennt $L_{\sep}$ den \emph{separablen
algebraischen Abschluss von $K$ in $L$}\index{separabler algebraischer
Abschluss}. Die Zahl $[L_{\sep} : K]$ wird \emph{Separabilitätsgrad der
Körpererweiterung $L/K$}\index{Separabilitätsgrad} genannt.
algebraischen Abschluss von $K$ in $L$}\index{separabler algebraischer
Abschluss}. Die Zahl $[L_{\sep} : K]$ wird \emph{Separabilitätsgrad der
Körpererweiterung $L/K$}\index{Separabilitätsgrad} genannt.
\end{satzdef}
\begin{proof}
Seien $a,b ∈ L$ separabel über $K$. Wir müssen zeigen, dass $a±b$, $a·b$ und
@@ -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.
\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
äquivalent.
\begin{enumerate}
@@ -481,10 +482,10 @@ dieser Satz und diese Definition lässt sich fast wortgleich in unseren Kontext
\end{proof}
\begin{bemerkung}
Das einfachste Beispiel für einen unvollkommenen Körper ist $K = 𝔽_p(t)$. Das
einfachste inseparable Polynom ist $x^p-t ∈ K[x]$. Wenn wir eine Nullstelle
dieses Polynoms in $\overline{K}$ wählen und sinnigerweise mit $\sqrt[p]{t}$
bezeichnen, dann ist
Das einfachste Beispiel für einen unvollkommenen Körper ist $K = 𝔽_p(t)$.
Das einfachste inseparable Polynom ist $x^p-t ∈ K[x]$. Wenn wir eine
Nullstelle dieses Polynoms in $\overline{K}$ wählen und sinnigerweise mit
$\sqrt[p]{t}$ bezeichnen, dann ist
\[
\factor{K \Bigl( \sqrt[p]{t} \Bigr)}{K}
\]

88
15.tex
View File

@@ -10,10 +10,10 @@
seit der Vorlesung 10 hin gearbeitet habe: die Symmetriegruppe von
Körpererweiterungen, auch bekannt als
Galois\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Evariste_Galois}{Évariste
Galois} (* 25. Oktober 1811 in Bourg-la-Reine; † 31. Mai 1832 in Paris)
war ein französischer Mathematiker. Er starb im Alter von nur 20 Jahren bei
einem Duell, erlangte allerdings durch seine Arbeiten zur Lösung algebraischer
Gleichungen, der sogenannten Galoistheorie, postum Anerkennung.}-Gruppe. Die
Galois} (* 25.~Oktober 1811 in Bourg-la-Reine; † 31.~Mai 1832 in Paris) war ein
französischer Mathematiker. Er starb im Alter von nur 20 Jahren bei einem
Duell, erlangte allerdings durch seine Arbeiten zur Lösung algebraischer
Gleichungen, der sogenannten Galoistheorie, postum Anerkennung.}-Gruppe. Die
folgende Definition haben wir informell schon an mehreren Stellen diskutiert.
\begin{defn}[Galoisgruppe einer Körpererweiterung]
@@ -28,32 +28,32 @@ folgende Definition haben wir informell schon an mehreren Stellen diskutiert.
\begin{defn}[Galoisgruppe eines Polynoms]
Es sei $K$ ein Körper und es sei $f ∈ K[x]$ ein Polynom. Weiter sei $L$ der
Zerfällungskörper von $f$ über $K$. Dann wird die Galoisgruppe der
Körpererweiterung $L/K$ oft auch mit $\Gal(f)$ notiert und als ``Galoisgruppe
von $f$'' bezeichnet.\index{Galoisgruppe!eines Polynoms}
Körpererweiterung $L/K$ oft auch mit $\Gal(f)$ notiert und als Galoisgruppe
von $f$ bezeichnet.\index{Galoisgruppe!eines Polynoms}
\end{defn}
Eine wichtige Aufgabe der Algebra, Algebra-Klausur und der mündlichen
Algebra-Prüfung ist es, die Galois-Gruppe einer gegebenen Körpererweiterung zu
beschreiben. Dabei bedeutet ``beschreiben'' mindestens, das man die Anzahl der
Algebra-Prüfung ist es, die Galoisgruppe einer gegebenen Körpererweiterung zu
beschreiben. Dabei bedeutet beschreiben mindestens, das man die Anzahl der
Elemente angeben kann. Besser ist es, Erzeuger und Relationen der Gruppe
anzugeben. Noch besser ist es, die Gruppe mit einer bekannten Gruppe, etwa der
\href{https://gdz.sub.uni-goettingen.de/id/PPN516762672}{Symmetriegruppe eines
schicken platonischen Körpers}, zu identifizieren. Die allererste Beobachtung
schicken platonischen Körpers}, zu identifizieren. Die allererste Beobachtung
ist, dass die Gruppe in vielen relevanten Fällen zumindest endlich ist. Wir
können sogar eine Abschätzung für die Größe der Gruppe angeben und die Größe in
einigen Fällen sogar exakt bestimmen.
\begin{beobachtung}[Größenabschätzung für die Galoisgruppe]\label{beob:gg}
\begin{beobachtung}[Größenabschätzung für die Galoisgruppe]\label{beob:gg}%
Wenn $L/K$ eine endliche Körpererweiterung ist, $n := [L:K]$, dann zeigt
Satz~\vref{Satz_K_Morphismus_Fortsetzung} (``Universelle Eigenschaft des
algebraischen Abschluss'') zusammen mit Satz~\ref{Satz_11_10}, dass es
höchstens $n$ verschiedene $K$-Morphismen $L → L$ gibt. Also ist
$|\Gal(L/K)| ≤ n$.
Satz~\vref{Satz_K_Morphismus_Fortsetzung} (Universelle Eigenschaft des
algebraischen Abschluss) zusammen mit Satz~\ref{Satz_11_10}, dass es
höchstens $n$ verschiedene $K$-Morphismen $L → L$ gibt. Also ist $|\Gal(L/K)|
≤ n$.
\end{beobachtung}
\begin{beobachtung}
\begin{beobachtung}[Einfache Erweiterungen]
Wenn $L/K$ eine einfache\footnote{Definition~\vref{def:einfach}: einfach = es
gibt eine Element $a ∈ L$, sodass die Gleichung $L=K(a)$ gilt.}
gibt eine Element $a ∈ L$, sodass die Gleichung $L=K(a)$ gilt.}
Körpererweiterung ist, dann zeigt
Lemma~\ref{Lemma_Nullstellenanzahl_gleich_anzahl_der_Fortsetzungen}, dass
$|\Gal(L/K)|$ exakt die Anzahl der Nullstellen ist, die das Minimalpolynom von
@@ -70,7 +70,7 @@ einigen Fällen sogar exakt bestimmen.
\end{equation*}
Also hat $\Gal(L/K)$ genau zwei Elemente. Wir wissen auch schon, welche. Ein
Element ist die Identität; diese bildet $a$ auf $a$ ab. Das andere Element
heißt ``Konjugation''; dies ist der eindeutige $$-Automorphismus von $L$, der
heißt Konjugation; dies ist der eindeutige $$-Automorphismus von $L$, der
$a$ auf $-a$ abbildet.
\end{bsp}
@@ -107,9 +107,9 @@ einigen Fällen sogar exakt bestimmen.
\section{Normale Körpererweiterungen}
Wir interessieren uns besonders für Körpererweiterungen, die maximal viele
Automorphismen besitzen; diese werden wir in Kürze ``Galoisch'' nennen. Ich muss
Automorphismen besitzen; diese werden wir in Kürze Galoisch nennen. Ich muss
aber erst noch kurz den folgenden Begriff einführen, der den Begriff des
``Zerfällungskörpers'' verallgemeinert; wir hatten ja schon gesehen, wie wichtig
Zerfällungskörpers verallgemeinert; wir hatten ja schon gesehen, wie wichtig
Zerfällungskörper in der Diskussion von Symmetrien sind.
\begin{defn}[Normale Körpererweiterung]\label{def:normal}
@@ -140,12 +140,12 @@ charakterisieren.
Körpererweiterung $L/K$ ist normal.
\item\label{Satz_algebraische_Koerpererweiterung_Aussage_2} Es existiert eine
Familie $(f_{λ})_{λ∈Λ}$ von Polynomen, $f_{λ}∈ K[x]$, sodass $L$ aus $K$
durch Adjunktion sämtlicher Nullstellen der $f_{λ}$ im algebraischen
Abschluss $\overline{L}$ von $L$ entsteht.
Familie $(f_{λ})_{λ∈Λ}$ von Polynomen, $f_λ ∈ K[x]$, sodass $L$ aus $K$
durch Adjunktion sämtlicher Nullstellen der $f_λ$ im algebraischen Abschluss
$\overline{K} = \overline{L}$ entsteht.
\item\label{Satz_algebraische_Koerpererweiterung_Aussage_3} Für jeden
$K$-Morphismus $σ: L → \overline{L}$ gilt, dass $σ(L) = L$ ist. Das heißt:
$K$-Morphismus $σ: L → \overline{K}$ gilt, dass $σ(L) = L$ ist. Das heißt:
$σ$ induziert einen $K$-Automorphismus von $L$.
\end{enumerate}
\end{satz}
@@ -158,14 +158,13 @@ charakterisieren.
dann ist auch $L/Z$ normal. \qed
\end{kor}
Für endliche Körpererweiterungen ist der Begriff ``normal'' weniger
geheimnisvoll, als es auf den ersten Blick vielleicht scheint: in diesem Kontext
bedeutet ``normal'' nichts anderes als ``Zerfällungskörper eines geeigneten
Polynoms''.
Für endliche Körpererweiterungen ist der Begriff normal weniger geheimnisvoll,
als es auf den ersten Blick vielleicht scheint: in diesem Kontext bedeutet
normal nichts anderes als Zerfällungskörper eines geeigneten Polynoms“.
\begin{satz}\label{satz:x1}
Eine endliche Körpererweiterung $L/K$ ist genau dann normal, wenn $L$ der
Zerfällungskörper eines Polynomes $f ∈ K[x]$ ist.
Zerfällungskörper eines Polynoms $f ∈ K[x]$ ist.
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis ``$$'']
Angenommen, $L/K$ ist endlich und normal. Dann gibt es per Annahme endlich
@@ -180,10 +179,10 @@ Polynoms''.
Satz~\ref{satz:h4} gesehen, dass $L$ normal ist.
\end{proof}
Eine wesentliches Fakt zu normalen Erweiterungen ist, dass sich jede
Ein wesentlicher Fakt zu normalen Erweiterungen ist, dass sich jede
Körpererweiterung immer zu einer normalen Körpererweiterung vergrößern lässt.
Der folgende Satz sagt, dass es unter all diesen Vergrößerungen eine kleinste
gibt, die sogar eindeutig ist. Dabei bedeutet ``eindeutig'' wie meistens in
gibt, die sogar eindeutig ist. Dabei bedeutet eindeutig wie meistens in
dieser Vorlesung: eindeutig bis auf nicht-kanonische Isomorphie.
\begin{satzdef}[Normale Hülle einer Körpererweiterung]
@@ -209,13 +208,12 @@ dieser Vorlesung: eindeutig bis auf nicht-kanonische Isomorphie.
\section{Galoissche Körpererweiterungen}
Ich sagte es schon: Die besten Körpererweiterung sind die, die maximal viele
Symmetrien (=Automorphismen) haben. Dabei bedeutet ``maximal'' nach
Beobachtung~\ref{beob:gg}: die Anzahl der Automorphismen ist gleich dem
Ich sagte es schon: Die besten Körpererweiterungen sind die, die maximal viele
Symmetrien (=Automorphismen) haben. Dabei bedeutet maximal nach
Beobachtung~\ref{beob:gg}: Die Anzahl der Automorphismen ist gleich dem
Erweiterungsgrad. Diese Körpererweiterungen werden zu Ehren von Évariste Galois
die ``Galoischen'' Körpererweiterungen genannt. Das Studium dieser
Erweiterungen und ihrer Symmetriegruppe wird heute mit ``Galois-Theorie''
bezeichnet.
die Galoisschen Körpererweiterungen genannt. Das Studium dieser Erweiterungen
und ihrer Symmetriegruppe wird heute mit Galoistheorie“ bezeichnet.
\begin{satzdef}[Galoische Körpererweiterungen]
Es sei $L/K$ eine endliche Körpererweiterung. Dann sind folgende Aussagen
@@ -250,14 +248,14 @@ bezeichnet.
Polynomen aus $K[x]$.
\end{bsp}
\begin{bsp}\label{bsp:c-r}
\begin{bsp}[Einfachstes Beispiel]\label{bsp:c-r}
Die einfachste aller Galoiserweiterungen ist $/$. Die Galoisgruppe ist
$\Gal(/) = \{ \Id, \text{Konjugation} \}$.
\end{bsp}
\begin{bsp}\label{Markierung_fuer_Beweis_Hauptsatz_Galois_Aussage_1_1}
\begin{bsp}\label{Markierung_fuer_Beweis_Hauptsatz_Galois_Aussage_1_1}%
Wenn $L/K$ eine Galoiserweiterung ist und $K ⊆ Z ⊆ L$ ein Zwischenkörper, dann
ist auch $L/Z$ Galoisch. Das folgt zum Beispiel so: der Körper $L$ ist nach
ist auch $L/Z$ Galoisch. Das folgt zum Beispiel so: Der Körper $L$ ist nach
Punkt~\ref{DefSatz_aequivalent_endliche_Koerpererweiterung_2} der
Zerfällungskörper eines separablen Polynoms $f ∈ K[x]$. Dann ist $L$ aber
auch der Zerfällungskörper von $f ∈ Z[x]$. Die Galoisgruppe $\Gal(L/Z)$ ist
@@ -274,8 +272,8 @@ Galoisgruppe eines Polynoms jetzt schon folgendes sagen.
\begin{lem}
Es sei $K$ ein Körper und es sei $L$ der Zerfällungskörper eines separablen
Polynoms $f ∈ K[x]$ vom Grad $n$. Die Nullstellen von $f$ in $L$ seien
$a_1, …, a_n$. Dann gilt Folgendes.
Polynoms $f ∈ K[x]$ vom Grad $n$. Die Nullstellen von $f$ in $L$ seien $a_1,
…, a_n$. Dann gilt Folgendes.
\begin{enumerate}
\item\label{il:y1} Jedes Gruppenelement $σ\Gal(f)$ permutiert die
Nullstellen $a_1, …, a_n$. Ein Gruppenelement $σ$ ist durch diese
@@ -283,7 +281,7 @@ Galoisgruppe eines Polynoms jetzt schon folgendes sagen.
Untergruppe der Gruppe $S_n$ der Permutationen der Menge $\{a_1, …, a_n\}$
auffassen. Insbesondere gilt
\begin{equation*}
|\Gal(f)| ≤ |S_n| = n!
|\Gal(f)| ≤ |S_n| = n!.
\end{equation*}
\item\label{il:y2} Die Nullstellen der irreduziblen Faktoren von $f$ werden
@@ -303,7 +301,7 @@ Galoisgruppe eines Polynoms jetzt schon folgendes sagen.
(wo?). Die anderen Aussagen beweise ich im \video{17-1}.
\end{proof}
Das Wort ``Konjugation'' aus Beispiel~\vref{bsp:c-r} wird in der Literatur auch
Das Wort Konjugation aus Beispiel~\vref{bsp:c-r} wird in der Literatur auch
allgemeiner für beliebige Galoiserweiterungen verwendet.
\begin{defn}[Konjungierte Elemente]
@@ -316,11 +314,11 @@ allgemeiner für beliebige Galoiserweiterungen verwendet.
\emph{galoiskonjugierten}\index{galoiskonjugierte Elemente} von $a$.
\end{defn}
\begin{bsp}\label{bsp:x-2}
\begin{bsp}\label{bsp:x-2}%
Wir setzen das Beispiel~\vref{bsp:x-1} fort. Dort haben wir schon gesehen,
dass $(\sqrt[3]{2})/$ nicht Galoisch ist. Der Zerfällungskörper des
Polynoms $f =-2[x]$ ist nämlich\footnote{Preisfrage: warum bezeichne
ich den Zerfällungskörper mit dem Symbol ``$N$''?}
ich den Zerfällungskörper mit dem Symbol $N$?}
\[
N = \bigl(a, ξ·a, ξ²·a\bigr).
\]

28
16.tex
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@@ -15,7 +15,7 @@ wohl ebenfalls eine Zweierpotenz sein muss.
Ich in diesem Skript immer wieder geschrieben, dass für schwierigere
Nichtkonstruierbarkeitsbeweise eine einfache Betrachtung von Erweiterungsgraden
nicht reicht, und das wir Symmetrien betrachten müssen. Inzwischen ist klar,
dass ich mit ``Symmetrie'' die Galoisgruppe meine. Jetzt ist es an der Zeit zu
dass ich mit Symmetrie die Galoisgruppe meine. Jetzt ist es an der Zeit zu
sagen, wie Symmetrien genutzt werden können, um Ketten von Körpererweiterungen
zu untersuchen. Am Ende werden wir sehen, dass die relevanten
Körpererweiterungen für Konstruktionsprobleme nicht nur Grad $2^n$ über $$
@@ -24,7 +24,7 @@ Unterkörper, die von konstruierbaren Punkten kommen, müssen dann ebenfalls rec
speziell sein.
\begin{bemerkung}
Der Hauptsatz der Galoistheorie wird ``Hauptsatz der Galoistheorie'' genannt,
Der Hauptsatz der Galoistheorie wird Hauptsatz der Galoistheorie genannt,
weil er in der Theorie der Galoiserweiterungen eine zentrale Rolle einnimmt.
Es ist vielleicht eine gute Idee, diesen Satz ernst zu nehmen.
\end{bemerkung}
@@ -49,10 +49,10 @@ ist eine Hausaufgabe.
\end{satzdef}
Der folgende Satz von Emil
Artin\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Emil_Artin}{Emil Artin} (* 3.
März 1898 in Wien; † 20. Dezember 1962 in Hamburg) war ein österreichischer
Mathematiker und einer der führenden Algebraiker des 20.
Jahrhunderts.}\footnote{Emil Artin $\not =$ Michael Artin} sagt, dass
Artin\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Emil_Artin}{Emil Artin} (*
3.~März 1898 in Wien; † 20.~Dezember 1962 in Hamburg) war ein österreichischer
Mathematiker und einer der führenden Algebraiker des
20.~Jahrhunderts.}\footnote{Emil Artin $\not =$ Michael Artin} sagt, dass
Fixkörper stets Beispiele für Galoiserweiterungen liefern.
\begin{satz}[Satz von Emil Artin]\label{Theorem_von_E_Artin}
@@ -65,13 +65,13 @@ Fixkörper stets Beispiele für Galoiserweiterungen liefern.
Der Beweis des Satzes von Emil Artin ist nicht trivial. Wir geben einen Beweis
im Abschnitt~\vref{ssec:16-3}, müssen als Vorbereitung aber zuerst die lineare
Unabhängigkeit von Charakteren beweisen. Wahrscheinlich muss ich auch noch
erklären, was ein ``Charakter'' eigentlich ist.
erklären, was ein Charakter eigentlich ist.
\subsection{Die lineare Unabhängigkeit von Charakteren}
Um eine gegebene Gruppe $H$ zu verstehen, kann man untersuchen, welche
Gruppenmorphism der Form $H → L^*$ es gibt, wobei $L^*$ die multiplikative
Gruppenmorphismen der Form $H → L^*$ es gibt, wobei $L^*$ die multiplikative
Gruppe eines Körpers $L$ sein soll. Leute, die viel mit Gruppen arbeiten,
meinen, dass solche Abbildungen die Gruppe charakterisieren. Ich finde diese
Wortwahl nicht sehr überzeugend, aber mich fragt ja keiner.
@@ -218,7 +218,7 @@ eigentlich schon im Abschnitt~\ref{sec:gruppen} hätte bringen sollen.
\item\label{Satz_Hauptsatz_Galoistheorie_Aussage_4} Für jedes $σ ∈ G$ und
jeden Zwischenkörper $Z$ ist $σ(Z)$ ein Zwischenkörper und es ist
\begin{equation*}
\Gal\bigl(\factor{L}{σ(Z)}\bigr) = σ◦\Gal\bigl(\factor{L}{Z}\bigr)◦σ^{-1}
\Gal\bigl(\factor{L}{σ(Z)}\bigr) = σ◦\Gal\bigl(\factor{L}{Z}\bigr)◦σ^{-1}.
\end{equation*}
\item\label{Satz_Hauptsatz_Galoistheorie_Aussage_5} Für einen Zwischenkörper
@@ -227,7 +227,7 @@ eigentlich schon im Abschnitt~\ref{sec:gruppen} hätte bringen sollen.
\begin{equation*}
σ◦\Gal\bigl(\factor{L}{Z}\bigr)◦σ^{-1} = \Gal\bigl(\factor{L}{Z}\bigr)
\end{equation*}
ist. Ist dies der Fall, dann ist
ist. Wenn dies der Fall sein sollte, dann ist
\begin{equation*}
\Gal\bigl(\factor{Z}{K}\bigr) ≅ \factor{\Gal\bigl(\factor{L}{K}\bigr)}{\Gal\bigl(\factor{L}{Z}\bigr)}.
\end{equation*}
@@ -274,12 +274,12 @@ und folgende Zwischenkörper von $N/$,
\begin{tikzcd}[column sep=tiny]
& & \ar[dll, hook] \ar[dl, hook] \ar[dr, hook] \ar[drr, hook] \\
(a_3) \ar[drr, hook] & (a_2) \ar[dr, hook] & & (a_1) \ar[dl, hook]& \bigl(\sqrt3·i\bigr) \ar[dll, hook]\\
& & N
& & N.
\end{tikzcd}
\]
Diese Behauptung wirft die Frage auf, wieso der Fixkörper der Gruppe
$\{\Id, (123), (132)\}$ gleich $\bigl(\sqrt3·i\bigr)$ sein sollte. Sie haben
sich vermutlich schon in Beispiel~\ref{bsp:x-2} gefragt, wieso die komplexe Zahl
Diese Behauptung wirft die Frage auf, wieso der Fixkörper der Gruppe $\{\Id,
(123), (132)\}$ gleich $\bigl(\sqrt3·i\bigr)$ sein sollte. Sie haben sich
vermutlich schon in Beispiel~\ref{bsp:x-2} gefragt, wieso die komplexe Zahl
$\sqrt3·i$ überhaupt in $N$ liegt. Dann haben Sie nachgerechnet und konnten
$\sqrt3·i$ mithilfe der $a_1$, $a_2$ und $a_3$ ausdrücken. Schauen Sie sich
diesen Ausdruck einmal ganz scharf an. Wenn Sie nicht weiterkommen, sprechen

148
17.tex
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@@ -4,12 +4,12 @@
\chapter{Grundbegriffe}
\label{chap:17}
Ich hatte oben geschrieben ``[Der Hauptsatz der Galoistheorie] reduziert die
Frage nach Zwischenkörpern auf ein gruppentheoretisches Problem''. Also befasst
Ich hatte oben geschrieben [Der Hauptsatz der Galoistheorie] reduziert die
Frage nach Zwischenkörpern auf ein gruppentheoretisches Problem. Also befasst
sich der laufende Teil der Vorlesung mit gruppentheoretischen Problemen. Um die
vorgesehene Stoffmenge in diesem verkürzten Semester unterzubringen, werde ich
mich oft kurzfassen und auch einige Beweise weglassen. Ich hoffe, Sie sehen
mir das nach.
mich oft kurzfassen und auch einige Beweise weglassen. Ich hoffe, Sie sehen mir
das nach.
\begin{defn}[Ordnung einer Gruppe]
Es sei $G$ eine Gruppe. Die Anzahl der Elemente von $G$ heißt \emph{Ordnung}
@@ -81,9 +81,9 @@ wir in der einen oder anderen Form im Laufe der Vorlesung auch schon verwendet.
\begin{defn}[(In)effektivität, Treue]
Gegeben sei eine Gruppenwirkung $α : G M → M$ wie in
Definition~\ref{defn:gruppenwirkung} Der Kern des Gruppenmorphismus $φ_α$ aus
Beobachtung~\ref{beo:mup} heißt \emph{Ineffektivität} der Gruppenwirkung. Die
Gruppenwirkung heißt \emph{treu}\index{treue Gruppenwirkung} oder
Definition~\ref{defn:gruppenwirkung}. Der Kern des Gruppenmorphismus $φ_α$
aus Beobachtung~\ref{beo:mup} heißt \emph{Ineffektivität} der Gruppenwirkung.
Die Gruppenwirkung heißt \emph{treu}\index{treue Gruppenwirkung} oder
\emph{effektiv}\index{effektive Gruppenwirkung}, wenn der Gruppenmorphismus
$φ$ aus Beobachtung~\ref{beo:mup} injektiv ist.
\end{defn}
@@ -112,13 +112,13 @@ wir in der einen oder anderen Form im Laufe der Vorlesung auch schon verwendet.
Der Einfachheit halber nehmen wir einmal an, dass Funktionen $γ_p$ mit der
gewünschten Eigenschaft existieren -- der Satz von
Picard\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Emile_Picard}{Charles
Émile Picard} (* 24. Juli 1856 in Paris; † 11. Dezember 1941 ebenda) war
ein französischer
Mathematiker.}-Lindelöf\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Ernst_Leonard_Lindelöf}{Ernst
Leonard Lindelöf} (* 7. März 1870 in Helsingfors (Helsinki),
Großfürstentum Finnland; † 4. Juni 1946 in Helsinki) war ein finnischer
Mathematiker.} sagt ihnen unter anderem, dass die $γ_p$ dann auch eindeutig
sind. Dann erhalten wir durch die Vorschrift
Émile Picard} (* 24.~Juli 1856 in Paris; † 11.~Dezember 1941 ebenda) war ein
französischer
Mathematiker.}-Lindelöf\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Ernst_Leonard_Lindelöf}{Ernst
Leonard Lindelöf} (* 7.~März 1870 in Helsingfors (Helsinki), Großfürstentum
Finnland; † 4.~Juni 1946 in Helsinki) war ein finnischer Mathematiker.} sagt
ihnen unter anderem, dass die $γ_p$ dann auch eindeutig sind. Dann erhalten
wir durch die Vorschrift
\[
γ : ℝ² → ℝ², \quad (t, p)γ_p(t)
\]
@@ -131,14 +131,14 @@ wir in der einen oder anderen Form im Laufe der Vorlesung auch schon verwendet.
Gruppenwirkungen sind fundamental und treten in jedem Teilbereich der Mathematik
prominent auf. Deshalb gibt es auch unendliche viele Definitionen und
Begriffsbildungen rund um dieses Konzept. Ich beschränke mich hier auf die
Allerwesentlichsten.
Wesentlichsten.
\begin{defn}[Bahn und Fixpunkt]
Es sei $α : G M → M$ die Wirkung einer Gruppe $G$ auf einer Menge $M$.
Weiter sei ein Element $m ∈ M$ gegeben. Die Menge
$G· m := \{g· m\::\: g∈ G\}$ wird \emph{Bahn}\index{Bahn} oder
\emph{Orbit}\index{Orbit} von $G$ durch $m$ genannt. Falls $G·m = \{m\}$ ist,
dann nennt man $m$ einen \emph{Fixpunkt} der Gruppenwirkung.
Es sei $α : G M → M$ die Wirkung einer Gruppe $G$ auf einer Menge $M$. Weiter
sei ein Element $m ∈ M$ gegeben. Die Menge $G· m := \{g· m\::\: g∈ G\}$ wird
\emph{Bahn}\index{Bahn} oder \emph{Orbit}\index{Orbit} von $G$ durch $m$
genannt. Falls $G·m = \{m\}$ ist, dann nennt man $m$ einen \emph{Fixpunkt}
der Gruppenwirkung.
\end{defn}
\begin{bsp}
@@ -152,10 +152,10 @@ Allerwesentlichsten.
folgenden elementaren Aussagen: gegeben zwei Punkte $m_1, m_2∈ M$, dann sind
die Bahnen $G·m_1$ und $G·m_2$ entweder gleich oder disjunkt. Folgern Sie,
dass $M$ ist die disjunkte Vereinigung der Bahnen ist, und das die Relation
``hat dieselbe Bahn wie'' eine Äquivalenzrelation auf $M$ ist. Die Menge der
hat dieselbe Bahn wie eine Äquivalenzrelation auf $M$ ist. Die Menge der
Bahnen (= der Quotient unter dieser Äquivalenzrelation) wird als
\emph{Bahnenraum}\index{Bahnenraum} bezeichnet. Wenn die Gruppenwirkung klar,
wird der Bahnenraum oft mit $M/G$ bezeichnet.
\emph{Bahnenraum}\index{Bahnenraum} bezeichnet. Wenn die Gruppenwirkung klar
ist, wird der Bahnenraum oft mit $M/G$ bezeichnet.
\end{beobachtung}
\begin{defn}[Transitive Wirkung]
@@ -182,9 +182,14 @@ ein Maß dafür, wie sehr ein Punkt davon entfernt ist, ein Fixpunkt zu sein.
Statt nur einzelne Punkte zu betrachten, definiere ich die Isotropiegruppe
gleich für Untermengen statt für Punkte.
\begin{defn}[Isotropie und Stabilisator]\label{def:ius}
\begin{defn}[Isotropie und Stabilisator]\label{def:ius}%
Es sei $α : GM → M$ die Wirkung einer Gruppe $G$ auf einer Menge $M$. Weiter
sei $N ⊆ M$ eine Teilmenge.
sei $N ⊆ M$ eine Teilmenge. Gegeben ein Element $g ∈ G$, so schreiben wir
kurz
\[
g·N := \{ g·n \::\: n ∈ N \}.
\]
\begin{itemize}
\item Die Untergruppe
\[
@@ -194,15 +199,16 @@ gleich für Untermengen statt für Punkte.
\item Die Untergruppe
\[
\Stab(N) := \{ g ∈ G \::\: \forall n ∈ N: g·n ∈ N \} ⊆ G
\Stab(N) := \{ g ∈ G \::\: g·N = N \} ⊆ G
\]
wird als \emph{Stabilisator}\index{Stabilisator} der Menge $N$ bezeichnet.
\end{itemize}
\end{defn}
\begin{notation}\label{not:17.1.5}
\begin{notation}\label{not:17.1.5}%
Im Fall, dass die Menge $N$ aus Definition~\ref{def:ius} nur aus einem Element
besteht, $N = \{m\}$, schreibt man statt $\Iso(\{m\})$ häufig kurz $\Iso(m)$.
besteht, $N = \{m\}$, gilt $\Stab(N) = \Iso(N)$. In diesem Fall schreibt man
statt $\Iso(\{m\})$ häufig kurz $\Iso(m)$.
\end{notation}
\begin{bemerkung}
@@ -213,8 +219,8 @@ gleich für Untermengen statt für Punkte.
\end{bemerkung}
\begin{bemerkung}
In der älteren deutschen Literatur findet man statt ``Isotropiegruppe'' oft
auch das Wort ``Standgruppe'', was heute als anzüglich empfunden wird.
In der älteren deutschen Literatur findet man statt Isotropiegruppe oft auch
das Wort Standgruppe, was heute als anzüglich empfunden wird.
\end{bemerkung}
\begin{bsp}
@@ -243,7 +249,7 @@ Ich nenne drei besonders relevante Beispiele.
\]
zwei treue Wirkungen von $G$ auf sich selbst definiert, die
\emph{Linksmultiplikation}\index{Linksmultiplikation} und
\emph{Rechtsmultiplikation}\index{Rechtsmultiplikation} genannt werden.
\emph{Rechts\-multiplikation}\index{Rechtsmultiplikation} genannt werden.
\end{bsp}
\begin{frage}
@@ -312,7 +318,7 @@ der Untergruppen. Die folgende Definition macht das präzise.
\begin{achtung}
In Definition~\ref{defn:normalisator} wirkt die Gruppe $G$ auf die Menge
\[
M := \bigl\{ \text{Untergruppen von } G \bigr\}
M := \bigl\{ \text{Untergruppen von } G \bigr\}.
\]
Die Untergruppe $U$ ist hier ein \emph{Element} der Menge $M$. Also ist
$\Iso(U)$ gemäß Notation~\ref{not:17.1.5} zu verstehen!
@@ -320,11 +326,11 @@ der Untergruppen. Die folgende Definition macht das präzise.
\begin{bemerkung}
In der Situation aus Definition~\ref{defn:normalisator} ist $N(U)$ stets eine
Obergruppe von $U$; wir erhalten also eine Kette von Untergruppen
$U ⊆ N(U) G$. Überlegen Sie sich, dass die Gruppe $U$ stets eine normale
Untergruppe von $N(U)$ ist. Überlegen Sie sich auch, dass die Untergruppe
$N(U)$ die eindeutige, maximale Zwischengruppe mit dieser Eigenschaft ist.
Was meine ich mit ``eindeutig, maximal'' eigentlich ganz genau?
Obergruppe von $U$; wir erhalten also eine Kette von Untergruppen $U ⊆ N(U)
G$. Überlegen Sie sich, dass die Gruppe $U$ stets eine normale Untergruppe
von $N(U)$ ist. Überlegen Sie sich auch, dass die Untergruppe $N(U)$ die
eindeutige, maximale Zwischengruppe mit dieser Eigenschaft ist. Was meine ich
mit eindeutig, maximal eigentlich ganz genau?
\end{bemerkung}
@@ -362,8 +368,8 @@ Isotropiegruppe. Der folgende Satz quantifiziert das.
Elemente wie $\Iso(m)$.
\end{proof}
Wir hatten in Beobachtung~\vref{obs:Index} schon den Begriff des ``Indexes einer
Untergruppe'' eingeführt. Ich wiederhole das noch einmal.
Wir hatten in Beobachtung~\vref{obs:Index} schon den Begriff des Indexes einer
Untergruppe eingeführt. Ich wiederhole das noch einmal.
\begin{bsp}[Linksmultiplikation und Rechtsnebenklassen]
Sei $G$ eine Gruppe und $U⊂ G$ eine Untergruppe, dann operiert $U$ auf $G$
@@ -412,11 +418,11 @@ bezeichnet.
\end{equation*}
Die Anzahl der Elemente in einer Konjugationsklasse ist stets ein Teiler der
Gruppenordnung $|G|$. Wenn jetzt $h_1, …, h_n∈ G$ ein vollständiges
Repräsentantsystem für die Konjugationsklassen in $G$ sind, dann ist $G$ die
Repräsentantensystem für die Konjugationsklassen in $G$ sind, dann ist $G$ die
disjunkte Vereinigung dieser Konjugationsklassen, und deshalb gilt die
\emph{Klassengleichung}\index{Klassengleichung}
\begin{equation}\label{eq_Klassengleichung_I}
|G| = \sum_{i=1}^{n} [G : \Zentralisator(h_i)]
|G| = \sum_{i=1}^{n} [G : \Zentralisator(h_i)].
\end{equation}
Manchmal schreibt man die Klassengleichung auch anders. Dazu beobachte man,
dass die Elemente des Zentrums $\Zentralisator(G)$ exakt diejenigen Elemente
@@ -429,7 +435,7 @@ bezeichnet.
\section{Restklassengruppen}
``Restklassengruppen'' oder ``Gruppenquotienten'' kennen wir schon lange. Der
Restklassengruppen oder Gruppenquotienten kennen wir schon lange. Der
lieben Vollständigkeit halber zähle ich die wesentlichen Eigenschaften noch
einmal auf. Alle Beweise sollten Ihnen bekannt sein… Wie immer gilt es, eine
elegante universelle Eigenschaft formulieren.
@@ -440,8 +446,8 @@ elegante universelle Eigenschaft formulieren.
\emph{Gruppenquotient}\index{Gruppenquotient} ist eine Gruppe $Q$ zusammen mit
einem Gruppenmorphismus $q : G → Q$, sodass $\ker q = N$ ist und so, dass
folgende universelle Eigenschaft gilt. Wenn ein Gruppenmorphismus $α : G → H$
mit $N ⊂ \ker α$ gegeben ist, dann existiert genau ein Gruppenmorphismus
$β : Q → H$, sodass das folgende Diagramm kommutiert,
mit $N ⊂ \ker α$ gegeben ist, dann existiert genau ein Gruppenmorphismus $β :
Q → H$, sodass das folgende Diagramm kommutiert,
\[
\begin{tikzcd}
G \ar[r, "q"] \ar[d, equal] & Q \ar[d, "β"] \\
@@ -502,7 +508,7 @@ eindeutig sind bis auf kanonische Isomorphie, falls sie überhaupt existieren.
\begin{equation*}
(u_1· n_1)· (u_2· n_2) ∈ U· N
\end{equation*}
gilt. Wir wissen, dass $N$ normal ist. Also ist
gilt. Wir wissen, dass $N$ normal ist. Also ist
$\widetilde{n_1} := u_2^{-1} n_1u_2 ∈ N$ und es gilt
$n_1u_2=u_2\widetilde{n_1}$. Demnach ist
\begin{equation*}
@@ -540,7 +546,7 @@ Dank Beobachtung~\ref{beo:xx} ergeben die folgenden Sätze Sinn.
Die Diskussion in diesem Kapitel ist recht ähnlich zur Diskussion des
Primkörpers eines Körpers. Die vielleicht einfachste Gruppe ist $(,+)$. Die
Untergruppen von $$ sind leicht zu bestimmen. Wenn nämlich $U ⊂ $ eine
Untergruppe ist, dann ist für alle $n∈^+$ und für alle $u ∈ U$
Untergruppe ist, dann ist für alle $n∈$ und für alle $u ∈ U$
\begin{equation*}
n·u=\underbrace{u+\dots+u}_{n}∈ U.
\end{equation*}
@@ -618,10 +624,9 @@ der Beantwortung der Frage nach der Konstruierbarkeit des regulären $n$-Ecks
noch sehr wichtig wird. Die Abbildung, die jeder Zahl $n$ die Anzahl der
primitiven Elemente von $/(n)$ zuordnet, wird
Eulersche\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Leonhard_Euler}{Leonhard
Euler} (lateinisch Leonhardus Eulerus; * 15. April 1707 in Basel; † 7.
Septemberjul./ 18. September 1783greg. in Sankt Petersburg) war ein
Schweizer Mathematiker, Physiker, Astronom, Geograph, Logiker und Ingenieur.}
$φ$-Funktion genannt.
Euler} (lateinisch Leonhardus Eulerus; * 15.~April 1707 in Basel; † 7.~September
1783 in Sankt Petersburg) war ein Schweizer Mathematiker, Physiker, Astronom,
Geograf, Logiker und Ingenieur.} $φ$-Funktion genannt.
\begin{defn}[Eulersche $φ$-Funktion]
Man nennt die Funktion
@@ -636,18 +641,18 @@ $φ$-Funktion genannt.
neutralen Element sind alle Elemente primitiv.
\end{bsp}
\begin{bsp}[Einheitswurzeln]\label{bsp:ehw}
Die Menge der $n$-ten Einheitswurzeln,
\begin{bsp}[Einheitswurzeln]\label{bsp:ehw}%
Die Menge der $n$.ten Einheitswurzeln,
\[
\Bigl\{ e^{\frac{2π i}{n}· a} \::\: 0≤ a< n\Bigr\},
\]
also die Nullstellen von $x^n-1[n]$ bilden bezüglich der Multiplikation
eine zyklische Gruppe der Ordnung $n$. Die primitiven Erzeuger heißen
\emph{primitive Einheitswurzeln}\index{primitive Einheitswurzeln}. Die Gruppe
der $n$-ten Einheitswurzeln ist Gruppe der Drehungen des regulären $n$-Ecks.
der $n$.ten Einheitswurzeln ist Gruppe der Drehungen des regulären $n$-Ecks.
Die vollständige Symmetriegruppe des $n$-Ecks enthält neben Drehungen noch
Spiegelungen. Man nennt diese Gruppe \emph{Diedergruppe}\index{Diedergruppe}.
Die Diedergruppe $D_n$ hat die Ordnung $2· n$ und ist nicht abelsch.
Die Diedergruppe $D_n$ hat die Ordnung $2·n$ und ist nicht abelsch.
\end{bsp}
Der folgende Satz liefert weitere Beispiele.
@@ -660,10 +665,13 @@ Der folgende Satz liefert weitere Beispiele.
Vor dem Beweis von Satz~\vref{Satz_Endliche_Mult_Gruppe_also_Zyklisch_S164}
zuerst zwei kleine Lemmas. Das erste können Sie selbst beweisen.
\begin{lemma}\label{Lemma_vor_Ordnung_teilen}
Es sei $G$ eine Gruppe und es seien $g,h∈ G$ zwei Elemente, die
kommutieren\footnote{das bedeutet: $ h= g$}. Weiter sei
$\ggT(\ord g, \ord h) = 1$. Dann ist $\ord(g· h) = (\ord g)·(\ord h)$. \qed
\begin{lemma}\label{Lemma_vor_Ordnung_teilen}%
Es sei $G$ eine Gruppe und es seien $g,h∈ G$ zwei Elemente endlicher Ordnung,
die zusätzlich auch noch kommutieren\footnote{Das bedeutet: $g·h= h·g$.}.
Weiter sei $\ggT(\ord g, \ord h) = 1$. Dann ist
\[
\ord(g·h) = (\ord g)·(\ord h). \eqno \qed
\]
\end{lemma}
\begin{lemma}\label{Lemma_Ordnung_teilen}
@@ -724,10 +732,10 @@ $R^*$ beweisen.
Der kleine Satz von
Fermat\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Pierre_de_Fermat}{Pierre de
Fermat} (* in der zweiten Hälfte des Jahres 1607 in Beaumont-de-Lomagne,
heute im Département Tarn-et-Garonne; † 12. Januar 1665 in Castres) war ein
französischer Mathematiker und Jurist.} ist eine zahlentheoretische Aussage,
die sich trivial aus dem Gesagten ergibt. Wir halten die Aussage für spätere
Fermat} (* in der zweiten Hälfte des Jahres 1607 in Beaumont-de-Lomagne, heute
im Département Tarn-et-Garonne; † 12.~Januar 1665 in Castres) war ein
französischer Mathematiker und Jurist.} ist eine zahlentheoretische Aussage, die
sich trivial aus dem Gesagten ergibt. Wir halten die Aussage für spätere
Anwendungen noch einmal fest.
\begin{satz}[Kleiner Satz von Fermat]\label{satz:kleinerFermat}
@@ -736,16 +744,16 @@ Anwendungen noch einmal fest.
\end{satz}
\begin{proof}
Falls $a$ ein Vielfaches von $p$ ist, ist die Sache klar. Ansonsten liefert
die Restklasse von $a$ ein nicht-verschwindendes Element
$\overline{a}/(p) = 𝔽_p$, also ein Element der multiplikativen Gruppe
$𝔽^*_p$, welche $p-1$ Elemente hat. Nach
Satz~\ref{Satz_Kleiner_Fermatscher_Satz} (``Satz von Lagrange'') ist die
Ordnung von $g$, also die Größe der von $g$ erzeugten Untergruppe, ein Teiler
von $|𝔽^*_p| = p-1$. Es gilt also $\overline{a}^{p-1} = 1𝔽^*_p$ oder
äquivalent $a^p \equiv a \:\:(\operatorname{mod} p)$.
die Restklasse von $a$ ein nicht-verschwindendes Element $\overline{a}/(p)
= 𝔽_p$, also ein Element der multiplikativen Gruppe $𝔽^*_p$, welche $p-1$
Elemente hat. Nach Satz~\ref{Satz_Kleiner_Fermatscher_Satz} („Satz von
Lagrange“) ist die Ordnung von $g$, also die Größe der von $g$ erzeugten
Untergruppe, ein Teiler von $|𝔽^*_p| = p-1$. Es gilt also
$\overline{a}^{p-1} = 1𝔽^*_p$ oder äquivalent $a^p \equiv a
\:\:(\operatorname{mod} p)$.
\end{proof}
\begin{bemerkung}\label{bem:kleinerFermat}
\begin{bemerkung}\label{bem:kleinerFermat}%
Bei Anwendungen von Satz~\ref{satz:kleinerFermat} verwendet man häufig die
äquivalenten Formulierungen $a^{p-1} \equiv 1 \:\:(\operatorname{mod} p)$ oder
$p|(a^{p-1}-1)$.

93
18.tex
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@@ -11,9 +11,9 @@ dass $|H|$ ein Teiler von $|G|$. Aber existiert auch zu jedem Teiler von $|G|$
auch tatsächlich eine Untergruppe? Für Primzahlpotenzteiler werden die Sätze
von
Sylow\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Peter_Ludwig_Mejdell_Sylow}{Peter
Ludwig Mejdell Sylow} (* 12. Dezember 1832 in Christiania, heute Oslo; † 7.
September 1918 ebenda) war ein norwegischer Mathematiker, der grundlegende
Arbeiten zur Gruppentheorie verfasste.} diese Frage ausführlich beantworten.
Ludwig Mejdell Sylow} (* 12.~Dezember 1832 in Christiania, heute Oslo; †
7.~September 1918 ebenda) war ein norwegischer Mathematiker, der grundlegende
Arbeiten zur Gruppentheorie verfasste.} diese Frage ausführlich beantworten.
\begin{notation}
Im Folgenden sei $p$ stets eine Primzahl.
@@ -25,9 +25,9 @@ Sylow\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Peter_Ludwig_Mejdell_Sylow}{P
Die zentrale Beobachtung, auf der der ganze Inhalt dieses Kapitels aufbaut, ist
die folgende.
\begin{lemma}[Zentrales Schlüssellemma]\label{lem:zsl}
Es sei $G$ eine Gruppe der Ordnung $p^m$, die auf einer endlichen Menge $M$
operiert. Weiter sei
\begin{lemma}[Zentrales Schlüssellemma]\label{lem:zsl}%
Es sei $n ∈ $ und es sei $p$ eine Primzahl. Weiter sei $G$ eine Gruppe
der Ordnung $p^m$, die auf einer endlichen Menge $M$ operiert. Weiter sei
\begin{equation*}
M_0 = \{ m ∈ M \::\: \forall g ∈ G: g· m = m \}
\end{equation*}
@@ -39,18 +39,18 @@ die folgende.
Bahnen, die mehr als ein Element haben. Wir bezeichnen diese Bahnen mit
$B_1, …, B_n$. Weil $M$ die disjunkte Vereinigung der Bahnen ist, gilt:
\begin{equation*}
|M| = |M_0| + |B_1|+ ⋯ +|B_n|,
|M| = |M_0| + |B_1|+ ⋯ +|B_n|.
\end{equation*}
Wir wissen aus der Bahnengleichung, Satz~\vref{Satz_Seite_156_und_157}, dass
die Zahlen $|B_i|$ stets Teiler von $|G| = p^m$ sind. Also ist $|B_i|$ ein
Vielfaches von $p$ und es gilt die gewünschte Gleichung
$|M| \equiv |M_0| \:\:(\operatorname{mod} p)$.
Vielfaches von $p$ und es gilt die gewünschte Gleichung $|M| \equiv |M_0|
\:\:(\operatorname{mod} p)$.
\end{proof}
Der Satz von
Cauchy\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Augustin-Louis_Cauchy}{Augustin-Louis
Cauchy} (* 21. August 1789 in Paris; † 23. Mai 1857 in Sceaux) war ein
französischer Mathematiker.} wendet das zentrale Schlüssellemma auf eine
Cauchy} (* 21.~August 1789 in Paris; † 23.~Mai 1857 in Sceaux) war ein
französischer Mathematiker.} wendet das zentrale Schlüssellemma auf eine
endliche Gruppe an, um die Existenz von Gruppenelementen mit interessanter
Ordnung zu beweisen.
@@ -73,11 +73,10 @@ Ordnung zu beweisen.
Als Nächstes brauchen wir eine schicke Gruppenwirkung, denn wir wollen das
zentrale Schlüssellemma anwenden. Dazu lassen wir die zyklische Gruppe
$/(p)$ auf $M$ durch zyklisches Vertauschen wirken\footnote{Die zyklische
Vertauschung wirkt auf $M$, weil in jeder Gruppe aus $a· b = e$ auch
$b· a = e$ gilt. Damit ist nämlich klar, dass mit $(a_1, …, a_p) ∈ M$ auch
die zyklisch vertauschten Tupel $(a_2, …, a_p, a_1)$,
$(a_3, …, a_p, a_1, a_2)$, … auch wieder in $M$ liegen.}. Die Fixpunktmenge
dieser Wirkung ist
Vertauschung wirkt auf $M$, weil in jeder Gruppe aus $a· b = e$ auch $b· a =
e$ gilt. Damit ist nämlich klar, dass mit $(a_1, …, a_p) ∈ M$ auch die
zyklisch vertauschten Tupel $(a_2, …, a_p, a_1)$, $(a_3, …, a_p, a_1, a_2)$, …
auch wieder in $M$ liegen.}. Die Fixpunktmenge dieser Wirkung ist
\[
M_0 = \{ (a, …, a) ∈ G^p \::\: a^p=e\}.
\]
@@ -93,15 +92,16 @@ Ordnung zu beweisen.
\end{proof}
\section{$p$-Gruppen und $p$-Sylowuntergruppen}
\section{\texorpdfstring{$p$}{p}-Gruppen und \texorpdfstring{$p$}{p}-Sylowuntergruppen}
Wenn man den Satz von Cauchy ernst nimmt, dann scheinen diejenigen Gruppen
besonders einfach zu sein, deren Ordnung möglichst wenige Teiler besitzen. Die
folgende Definition beschreibt den Extremfall.
\begin{definition}[$p$-Gruppe]
Eine Gruppe $G$ heißt \emph{$p$-Gruppe}\index{p-Gruppe=$p$-Gruppe}, wenn die
Ordnung jedes Elements eine Potenz von $p$ ist.
Es sei $p$ eine Primzahl. Eine Gruppe $G$ heißt
\emph{$p$-Gruppe}\index{p-Gruppe=$p$-Gruppe}, wenn die Ordnung jedes Elements
eine Potenz von $p$ ist.
\end{definition}
\begin{satz}[An der Gruppenordnung sollt ihr sie erkennen]
@@ -112,7 +112,7 @@ folgende Definition beschreibt den Extremfall.
Wenn $|G| = p^n$ ist, dann hat jedes Element $g ∈ G$ eine Ordnung, die $p^n$
teilt, also eine Potenz von $p$. Wenn $|G|$ keine Potenz von $p$ ist, dann
gibt es eine Primzahl $q ≠ p$, die Ordnung $|G|$ teilt. Nach
Satz~\ref{Satz_von_Cauchy} (``Satz von Cauchy'') gibt es dann aber auch ein
Satz~\ref{Satz_von_Cauchy} (Satz von Cauchy) gibt es dann aber auch ein
Element der Ordnung $q$, und $G$ kann keine $p$-Gruppe sein.
\end{proof}
@@ -135,16 +135,16 @@ dieser Situation kann man immerhin noch nach den $p$-Gruppen fragen, die in $G$
enthalten sind. Dabei sind die maximal großen $p$-Untergruppen natürlich
besonders gut.
\begin{definition}[$p$-Sylowuntergruppe]\label{defn:pSUG}
\begin{definition}[$p$-Sylowuntergruppe]\label{defn:pSUG}%
Es sei $G$ eine endliche Gruppe. Eine \emph{$p$-Sylowunter\-gruppe von
$G$}\index{Sylowuntergruppe} ist eine maximale $p$-Untergruppe von $G$.
$G$}\index{Sylowuntergruppe} ist eine maximale $p$-Untergruppe von $G$.
\end{definition}
\begin{bemerkung}
In Definition~\ref{defn:pSUG} bedeutet ``maximal'' natürlich ``maximal
bezüglich Inklusion''. Die Menge der $p$-Untergruppen ist nicht leer, weil
$\{e\}$ eine $p$-Untergruppe ist. Für \emph{endliche} Gruppen ist die
Existenz von $p$-Sylowuntergruppen klar.
In Definition~\ref{defn:pSUG} bedeutet maximal natürlich maximal bezüglich
Inklusion. Die Menge der $p$-Untergruppen ist nicht leer, weil $\{e\}$ eine
$p$-Untergruppe ist. Für \emph{endliche} Gruppen ist die Existenz von
$p$-Sylowuntergruppen klar.
\end{bemerkung}
\begin{lem}
@@ -162,7 +162,7 @@ besonders gut.
$g^{-1}·H·g =G_p$ und $H = g·G_p·g^{-1}$.
\end{proof}
\begin{lemma}\label{Lemma_vor_Korrolar_Sylowsaetze}
\begin{lemma}\label{Lemma_vor_Korrolar_Sylowsaetze}%
Sei $U$ eine $p$-Untergruppe einer endlichen Gruppe $G$. Wie in
Definition~\ref{defn:normalisator} sei $N(U)$ der Normalisator von $U$. Dann
gilt
@@ -171,10 +171,13 @@ besonders gut.
\end{equation*}
\end{lemma}
\begin{proof}
Die Gruppe $U$ wirkt durch Linksmultiplikation auf der Menge $M$ der
Linksnebenklassen,
Betrachte die Menge $M$ der Linksnebenklassen,
\[
M := \{ U \::\: g ∈ G\}.
M := \{ g·U \::\: g ∈ G\}.
\]
Die Gruppe $U$ wirkt durch Linksmultiplikation auf dieser Menge
\[
U\times M \to M, \quad (u, g·U) \mapsto (u·g)·U.
\]
Wie immer sei $M_0 ⊆ M$ die Menge der Fixpunkte dieser Wirkung. Wann ist eine
Nebenklasse $g·U$ ein Fixpunkt dieser Wirkung? Antwort: es ist
@@ -185,9 +188,9 @@ besonders gut.
& ⇔ g ∈ N(U).
\end{align*}
Also ist
\begin{equation*}
[N(U):U] = |M_0| \overset{\text{Satz~\ref{lem:zsl}}}{\equiv} |M| = [G:U].\qedhere
\end{equation*}
\[
[N(U):U] = |M_0| \overset{\text{Schlüssel-Lemma~\ref{lem:zsl}}}{\equiv} |M| = [G:U]. \qedhere
\]
\end{proof}
\begin{kor}
@@ -291,13 +294,13 @@ Fall auch einmal in den
Wir betrachten die Wirkung von $S_n$ auf sich selbst durch Konjugation. Ich
frage zuerst, wie viele Konjugationsklassen es gibt. Die Antwort kennen Sie
wahrscheinlich aus der Vorlesung ``Lineare Algebra II'', wo man diese Frage im
wahrscheinlich aus der Vorlesung Lineare Algebra II, wo man diese Frage im
Zusammenhang mit der Konstruktion von
Jordan\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Camille_Jordan}{Marie
Ennemond Camille Jordan}, genannt Camille Jordan, (* 5. Januar 1838 in
Lyon; † 21. Januar 1922 in Paris) war ein französischer Mathematiker.}-Basen
diskutiert. Weil aber vielleicht nicht alle auf demselben Stand sind,
wiederhole ich die Sache noch einmal.
Ennemond Camille Jordan}, genannt Camille Jordan, (* 5.~Januar 1838 in Lyon; †
21.~Januar 1922 in Paris) war ein französischer Mathematiker.}-Basen diskutiert.
Weil aber vielleicht nicht alle auf demselben Stand sind, wiederhole ich die
Sache noch einmal.
\begin{fakt}
Es sei $n ∈ $ eine Zahl. Dann gibt eine Bijektion zwischen der Menge der
@@ -373,13 +376,13 @@ können also nur die folgenden Ordnungen haben.
12 existieren.
\item[Ordnung 8:] Dies müssen die 2-Sylowuntergruppen sein. Die Anzahl $s_2$
der 2-Sylowuntergruppen ist nach Satz~\ref{Satz_Sylow_Drei} (``Dritter
Sylow-Satz'') ein Teiler von 24 mit
$s_2 \equiv 1 \:\: (\operatorname{mod} 2)$, also $s_2=1$ oder $s_2=3$. Wir
wissen nach dem Satz~\ref{Satz_Sylow_Eins} (``Erster Sylow-Satz''), dass jedes
Element der Ordnung 1, 2 oder 4 in einer 2-Sylowuntergruppe enthalten
ist. Tabelle~\vref{fig:ks4} zeigt, dass es 16 solche Elemente gibt.
Allerdings hat eine 2-Sylowuntergruppe nur 8 Elemente. Also ist $s_2 = 3$.
der 2-Sylow\-untergruppen ist nach Satz~\ref{Satz_Sylow_Drei} (Dritter
Sylow-Satz) ein Teiler von 24 mit $s_2 \equiv 1 \:\: (\operatorname{mod} 2)$,
also $s_2=1$ oder $s_2=3$. Wir wissen nach dem Satz~\ref{Satz_Sylow_Eins}
(„Erster Sylow-Satz), dass jedes Element der Ordnung 1, 2 oder 4 in einer
2-Sylowuntergruppe enthalten ist. Tabelle~\vref{fig:ks4} zeigt, dass es 16
solche Elemente gibt. Allerdings hat eine 2-Sylowuntergruppe nur 8 Elemente.
Also ist $s_2 = 3$.
\item[Ordnung 6:] Es ist im Moment unklar, ob eine solche Untergruppe existiert.

12
19.tex
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@@ -5,14 +5,14 @@
\label{chap:19}
\sideremark{Vorlesung 21}Die allereinfachsten Gruppen sind Abelsch. Bevor wir
uns im nächsten Kapitel mit den etwas interessanteren, ``auflösbaren'' Gruppen
uns im nächsten Kapitel mit den etwas interessanteren, auflösbaren Gruppen
auseinandersetzen, diskutieren wir jetzt erst einmal diesen einfachen Fall. Im
Vergleich zur Stoff-Fülle der vorherigen Vorlesungen ist dieses Kapitel echt
dünn. Zeit zum Luftholen!
\begin{notation}
Wie allgemein üblich werden wir die Gruppenverknüpfung bei Abelschen Gruppen
(fast) immer additiv schreiben und das ``+''-Symbol verwenden. Das neutrale
(fast) immer additiv schreiben und das „+“-Symbol verwenden. Das neutrale
Element wird dann logischerweise mit $0$ oder $0_G$ bezeichnet.
\end{notation}
@@ -54,15 +54,15 @@ dünn. Zeit zum Luftholen!
n(a+b)=n·a + n·b \qquad \forall n∈,\ a, b ∈ G.
\end{equation*}
Sagen Sie den folgenden Satz dreimal laut auf und beweisen Sie ihn dann als
Hausaufgabe: ``Abelsche Gruppen sind dasselbe wie $$-Moduln''.
Hausaufgabe: Abelsche Gruppen sind dasselbe wie $$-Moduln.
\end{konstruktion}
Ein Vektorraum ist ``endlich-dimensional'', wenn es ein endliches
Ein Vektorraum ist endlich-dimensional, wenn es ein endliches
Erzeugendensystem gibt. Das geht genau so bei Gruppen.
\begin{definition}[Basics zu Abelschen Gruppen und $$-Moduln]
Eine abelsche Gruppe $G$ ist \emph{endlich erzeugt}\index{endlich erzeugte
abelsche Gruppe}, wenn es endlich viele Elemente $g_1, …, g_r∈ G$ gibt,
abelsche Gruppe}, wenn es endlich viele Elemente $g_1, …, g_r ∈ G$ gibt,
sodass sich jedes Element $g∈ G$ als $$-Linearkombination
\begin{equation*}
g=\sum n_i·g_i
@@ -125,7 +125,7 @@ für Abelsche Gruppen. Es gibt Sätze, bei deren Beweis man dividieren muss.
\end{enumerate}
\end{warnung}
Der folgende ``Hauptsatz über endlich erzeugte abelsche Gruppen'' klassifiziert
Der folgende Hauptsatz über endlich erzeugte abelsche Gruppen klassifiziert
die Gruppen vollständig und klärt eigentlich jede Frage, die es zum Thema gibt.
Der Satz wird in dieser Vorlesung aus Zeitgründen leider nicht bewiesen.
Tatsächlich gilt aber sogar ein allgemeinerer Satz für endlich erzeugte Moduln

32
20.tex
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@@ -33,7 +33,7 @@ unterteilen.
Translation und einer linearen Abbildung schreiben lässt. Eine genauere
Untersuchung zeigt: Die Gruppe der Translationen ist eine normale
Untergruppe\footnote{Können Sie das beweisen? Machen Sie mal! Zeigen Sie
mir, dass die linearen Abbildungen \emph{keine} normale Untergruppe bilden!}
mir, dass die linearen Abbildungen \emph{keine} normale Untergruppe bilden!}
$N ⊂ G$. Der Quotient ist $G/N ≅ \GL_2()$. Beide Anteile kann man gut
verstehen.
\end{bsp}
@@ -67,7 +67,7 @@ Auflösbare Gruppen sind also (auf noch zu klärende Weise) aus Abelschen Gruppe
zusammengesetzt. Wir werden später noch sehen, dass die in Kapitel~\ref{sec:4}
gestellte Frage nach der Auflösbarkeit von Gleichungen durch Radikale eng mit
der Frage nach der Auflösbarkeit gewisser Galoisgruppen zusammenhängt. Der Name
``auflösbare Gruppe'' ist vermutlich aus diesem Kontext heraus entstanden.
auflösbare Gruppe ist vermutlich aus diesem Kontext heraus entstanden.
\begin{bsp}
Die Permutationsgruppe $S_4$ ist auflösbar, denn es ist
@@ -128,7 +128,7 @@ Der folgende Satz gibt eine Idee, was möglich ist.
sodass folgende Eigenschaften gelten.
\begin{enumerate}
\item\label{Satz_18_4_Aussage_1} Die Gruppe $N$ kommt in der Auflösungskette
vor. Mit anderen Worten: $N ∈ \{N_{}, …, N_0\}$.
vor. Mit anderen Worten: Es ist $N ∈ \{N_{}, …, N_0\}$.
\item\label{Satz_18_4_Aussage_2} Die Quotienten $N_{i+1}/N_i$ sind zyklisch
und von Primzahlordnung.
@@ -148,8 +148,8 @@ Der folgende Satz gibt eine Idee, was möglich ist.
\section{Einfache Gruppen: hier teilt und herrscht garantiert niemand}
\sideremark{Vorlesung 22}Es gibt natürlich Gruppen, bei denen die
Auflösungsstrategie völlig versagt. Das absolute Gegenteil einer ``auflösbaren
Gruppe'' ist eine Gruppe, die überhaupt keinen Normalteiler hat --- und damit
Auflösungsstrategie völlig versagt. Das absolute Gegenteil einer auflösbaren
Gruppe ist eine Gruppe, die überhaupt keinen Normalteiler hat --- und damit
auch keinen interessanten Gruppenmorphismus in irgendeine andere Gruppe.
\begin{definition}[Einfache Gruppe]
@@ -161,10 +161,10 @@ auch keinen interessanten Gruppenmorphismus in irgendeine andere Gruppe.
Wenn $p$ eine Primzahl ist, dann ist die Quotientengruppe $/(p)$ einfach.
\end{bsp}
Das Wort ``einfach'' ist historisch begründet. Es bedeutet nicht ``leicht zu
verstehen'', sondern ``mithilfe der Auflösungsstrategie nicht weiter zu
zerlegen''. Vielleicht hätte man statt dem missverständlichen Wort ``einfach''
besser von ``atomaren'' Gruppen sprechen sollen. Aber auf mich hört ja niemand.
Das Wort einfach ist historisch begründet. Es bedeutet nicht leicht zu
verstehen, sondern mithilfe der Auflösungsstrategie nicht weiter zu zerlegen“.
Vielleicht hätte man statt dem missverständlichen Wort einfach“ besser von
atomaren Gruppen sprechen sollen. Aber auf mich hört ja niemand.
\begin{rem}
Wenn man alle endlichen Gruppen klassifizieren oder durch Auflösung
@@ -182,18 +182,18 @@ besser von ``atomaren'' Gruppen sprechen sollen. Aber auf mich hört ja niemand
alle Beweise auch publiziert worden. Über 100 Mathematiker waren von Ende
der 1920er bis Anfang der 1980er Jahre daran beteiligt.
\item Nach der ``Fertigstellung'' des Beweises um 1980 ist von führenden
\item Nach der Fertigstellung des Beweises um 1980 ist von führenden
Mathematikern des Klassifikationsprogramms […] ein Programm aufgenommen
worden, den Beweis zu vereinfachen und lückenlos zu dokumentieren. Dabei
sind auch Lücken entdeckt worden, von denen die meisten ohne größere
Komplikationen geschlossen werden konnten. Eine Lücke erwies sich allerdings
als so hartnäckig, dass erst 2002 von Aschbacher und anderen ein Beweis
erbracht werden konnte, der immerhin 1200 Seiten lang war.
Komplikationen geschlossen werden konnten. Eine Lücke erwies sich
allerdings als so hartnäckig, dass erst 2002 von Aschbacher und anderen ein
Beweis erbracht werden konnte, der immerhin 1200 Seiten lang war.
\item Ronald Solomon, Richard Lyons und Daniel Gorenstein begannen 1994 eine
auf 12 Bände angelegte Darstellung des Beweises (GLS Projekt), das bei der
American Mathematical Society erscheint und voraussichtlich 2023
abgeschlossen sein wird.
American Mathematical Society erscheint und voraussichtlich \sout{2023}
niemals abgeschlossen sein wird.
\end{itemize}
\end{rem}
@@ -212,7 +212,7 @@ Der Beweis von Satz~\ref{Satz_alternierende_Gruppe} verwendet folgendes Lemma.
noch einen 3-Zyklus enthält, dann ist $N = A_n$.
\end{lemma}
\begin{proof}[Beweis von Lemma~\ref{Hilfssatz_algernierende_Gruppe}]
\video{22-1}, verbessert am 09Feb21.
\video{22-1}, verbessert am 9.~Februar 2021.
\end{proof}
\begin{proof}[Beweis von Satz~\ref{Satz_alternierende_Gruppe}]

22
21.tex
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@@ -4,27 +4,21 @@
\chapter{Der Satz vom primitiven Element}
\label{chap:21}
Für dieses Kapitel haben wir Ihnen Beispiele auf unserem
\href{https://sage.cplx.vm.uni-freiburg.de/share/}{Sage/CoCalc-Server}
bereitgestellt.
\bigskip
Ich erinnere noch einmal an Definition~\ref{def:einfach} vom Anfang der
Vorlesung: Eine Körpererweiterung $L/K$ heißt einfach, wenn es ein Element
$a ∈ L$ gibt, sodass $L = K(a)$ ist. Das sind die Körpererweiterungen, die uns
am wenigsten Angst machen --- dachten wir! Als erste Anwendung der
Galoistheorie möchte ich zeigen, dass viele Körpererweiterungen vor denen wir
schon immer Angst hatten, in Wirklichkeit einfach sind. Vielleicht haben wir
uns nicht genug gefürchtet?
Vorlesung: Eine Körpererweiterung $L/K$ heißt einfach, wenn es ein Element $a ∈
L$ gibt, sodass $L = K(a)$ ist. Das sind die Körpererweiterungen, die uns am
wenigsten Angst machen --- dachten wir! Als erste Anwendung der Galoistheorie
möchte ich zeigen, dass viele Körpererweiterungen vor denen wir schon immer
Angst hatten, in Wirklichkeit einfach sind. Vielleicht haben wir uns nicht
genug gefürchtet?
\begin{satz}\label{Satz_Aequivalenz_einfach_algebraisch_und_endl_ZK}
Eine Körpererweiterung $L/K$ ist genau dann einfach und algebraisch, wenn es
nur endlich viele Zwischenkörper gibt.
\end{satz}
\begin{proof}
Die Implikation ``einfach und algebraisch $$ nur endliche viele
Zwischenkörper'' beweisen wir im \video{22-3}. Die Umkehrrichtung wird im
Die Implikation einfach und algebraisch $$ nur endliche viele
Zwischenkörper beweisen wir im \video{22-3}. Die Umkehrrichtung wird im
\video{22-4} gezeigt.
\end{proof}

93
22.tex
View File

@@ -17,7 +17,7 @@ ist der Zerfällungskörper des Polynoms $x^n-1$.
\begin{definition}[Kreisteilungskörper, Einheitswurzeln]\label{def:ktk}
Es sei $n ∈ $ eine Zahl. Der Zerfällungskörper des Polynoms
$f_n(x) := x^n-1[x]$ wird als \emph{$n$-ter Kreisteilungskörper über
$f_n(x) := x^n-1[x]$ wird als \emph{$n$.ter Kreisteilungskörper über
$$}\index{Kreisteilungskörper} bezeichnet. Die Schreibweise $L_n/$ ist
üblich.
\end{definition}
@@ -75,17 +75,16 @@ ist der Zerfällungskörper des Polynoms $x^n-1$.
\sideremark{Vorlesung 23}Bevor es weitergeht, erinnere ich noch einmal an
Beispiel~\vref{bsp:ehw} und an die Notation, die dort eingeführt wurde: Die
$n$-ten Einheitswurzeln waren genau die Nullstellen von $f_n$ im Körper
$L_n ⊂ \overline{}$. Die $n$-ten Einheitswurzeln bilden mit der
Multiplikation als komplexe Zahlen eine zyklische Gruppe, die isomorph zu
$/(n)$ ist. Eine $n$-te Einheitswurzel heißt \emph{primitiv}, falls sie die
Gruppe erzeugt. Abbildung~\ref{fig:ehw} illustriert das am Beispiel der $6$.ten
und $8$.ten Einheitswurzeln. Wir hatten in Beobachtung~\vref{beo:pe} auch schon
diskutiert, wie viele primitive Einheitswurzeln es in der Gruppe der $n$.ten
Einheitswurzeln jeweils gibt: Die Anzahl wird durch die Eulersche $φ$-Funktion
gegeben. Um die Frage nach der Konstruierbarkeit des regulären $n$-Ecks
vollständig zu beantworten, müssen wir noch ein paar Dinge über diese Funktion
beweisen.
$n$.ten Einheitswurzeln waren genau die Nullstellen von $f_n$ im Körper $L_n ⊂
\overline{}$. Die $n$.ten Einheitswurzeln bilden mit der Multiplikation
als komplexe Zahlen eine zyklische Gruppe, die isomorph zu $/(n)$ ist. Eine
$n$.te Einheitswurzel heißt \emph{primitiv}, falls sie die Gruppe erzeugt.
Abbildung~\ref{fig:ehw} illustriert das am Beispiel der $6$.ten und $8$.ten
Einheitswurzeln. Wir hatten in Beobachtung~\vref{beo:pe} auch schon diskutiert,
wie viele primitive Einheitswurzeln es in der Gruppe der $n$.ten Einheitswurzeln
jeweils gibt: Die Anzahl wird durch die Eulersche $φ$-Funktion gegeben. Um die
Frage nach der Konstruierbarkeit des regulären $n$-Ecks vollständig zu
beantworten, müssen wir noch ein paar Dinge über diese Funktion beweisen.
\begin{satz}[Mupltiplikative Eigenschaften der Eulerschen $φ$-Funktion]\label{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion}
@@ -141,19 +140,19 @@ beweisen.
\section{Kreisteilungspolynome}
Die $n$-ten Einheitswurzeln sind natürlich Nullstellen des Polynoms
$x^n-1[x]$. Leider haben wir schon in Beispiel~\vref{bsp:7.2.7} gesehen,
dass diese Polynome im Allgemeinen nicht irreduzibel sind. Um die
Kreisteilungskörper besser zu verstehen, müssen wir also die irreduziblen
Faktoren diskutieren. Das kommt jetzt.
Die $n$.ten Einheitswurzeln sind natürlich Nullstellen des Polynoms $x^n-1
[x]$. Leider haben wir schon in Beispiel~\vref{bsp:7.2.7} gesehen, dass diese
Polynome im Allgemeinen nicht irreduzibel sind. Um die Kreisteilungskörper
besser zu verstehen, müssen wir also die irreduziblen Faktoren diskutieren. Das
kommt jetzt.
\begin{definition}[$n$-tes Kreisteilungspolynom]
Es sei $n ∈ $ eine Zahl. Bezeichne die primitiven $n$-ten Einheitswurzeln
Es sei $n ∈ $ eine Zahl. Bezeichne die primitiven $n$.ten Einheitswurzeln
mit $ξ_1, …, ξ_{φ(n)}$. Das Polynom
\begin{equation*}
Φ_n := \prod_{i=1}^{φ(n)} (x-ξ_i) ∈ [x]
\end{equation*}
heißt $n$-tes \emph{Kreisteilungspolynom}\index{Kreisteilungspolynom}. Es
heißt $n$.tes \emph{Kreisteilungspolynom}\index{Kreisteilungspolynom}. Es
gilt $\deg Φ_n = φ(n)$.
\end{definition}
@@ -163,16 +162,16 @@ Kreisteilungspolynomen zusammen.
\begin{satz}[Wesentliche Eigenschaften von Kreisteilungspolynomen]\label{Satz_Wesentliche_Eigenschaften_Kreisteilungspolynom}
Es ist $Φ_1(x)= x-1$. Für jede Zahl $n ∈ $ gilt die Gleichung
\begin{equation}\label{eq:x2}
x^n-1=\prod_{d|n}Φ_d(x)
x^n-1=\prod_{d|n}Φ_d(x).
\end{equation}
\end{satz}
\begin{proof}
Die Aussage über $φ_1$ ist trivial. Wenn eine Zahl $n ∈ $ und eine beliebige
$n$-te Einheitswurzel $ξ$ ist, mit Ordnung $d := \ord ξ$, dann ist $ξ$ eine
primitive $d$-te Einheitswurzel. Also ist $ξ$ eine Nullstelle von $Φ_d$ --
$n$.te Einheitswurzel $ξ$ ist, mit Ordnung $d := \ord ξ$, dann ist $ξ$ eine
primitive $d$.te Einheitswurzel. Also ist $ξ$ eine Nullstelle von $Φ_d$ --
und von keinem anderen Kreisteilungspolynom $φ_{d'}$! Wir erkennen, dass auf
der linken und der rechten Seite von \eqref{eq:x2} zwei komplexe Polynome
stehen, deren Nullstellenmenge jeweils exakt die Menge der $n$-ten
stehen, deren Nullstellenmenge jeweils exakt die Menge der $n$.ten
Einheitswurzeln ist. Außerdem haben sowohl die linke als auch rechte Seite
von Gleichung \eqref{eq:x2} nur einfache Nullstellen. Außerdem sind linke und
rechte Seite von Gleichung \eqref{eq:x2} normiert. Dann müssen die Seiten der
@@ -209,7 +208,7 @@ aber ein wenig langwierig. Ich lasse ihn daher weg.
für alle $n ∈ $ ist $Φ_n(x)[x]$. \qed
\end{fakt}
Durch ``Reduktion modulo $p$'' zeigt man folgenden Fakt, den wir hier ebenfalls
Durch Reduktion modulo $p$ zeigt man folgenden Fakt, den wir hier ebenfalls
nicht beweisen.
\begin{fakt}
@@ -220,11 +219,11 @@ nicht beweisen.
\section{Die Kreisteilungskörper}
Wir hatten in Definition~\ref{def:ktk} den Zerfällungskörper des Polynoms
$f_n(x) := x^n-1[x]$ als $n$-ten Kreisteilungskörper über $$ genannt und
$f_n(x) := x^n-1[x]$ als $n$.ten Kreisteilungskörper über $$ genannt und
mit $L_n/$ bezeichnet. Als Zerfällungskörper eines Polynoms ist $L_n/$
natürlich Galoisch, wir müssen jetzt die Galoisgruppe bestimmen. Wähle dazu
eine primitive $n$-te Einheitswurzel $ξ$ und beobachte, dass dann $L_n = (ξ)$
ist. Das Minimalpolynom von $ξ$ kennen wir schon, es ist das $n$-te
eine primitive $n$.te Einheitswurzel $ξ$ und beobachte, dass dann $L_n = (ξ)$
ist. Das Minimalpolynom von $ξ$ kennen wir schon, es ist das $n$.te
Kreisteilungspolynom $Φ_n$. Also ist
\begin{equation*}
[L_n : ] = \deg Φ_n = φ(n).
@@ -243,7 +242,7 @@ Die Galoisgruppe ist jetzt kein Geheimnis mehr.
\end{proof}
\section{Der Satz von Gauß über die Konstruierbarkeit des regulären $n$-Ecks}
\section{Der Satz von Gauß über die Konstruierbarkeit des regulären \texorpdfstring{$n$}{n}-Ecks}
Damit kommen wir zu einem der Ergebnisse, auf die wir das ganze Semester über
hin gearbeitet haben: die vollständige Antwort auf die Frage nach der
@@ -307,33 +306,32 @@ Satz unser erstes \emph{positives} Resultat.
Satz~\ref{Satz_von_Seite_197} ist \emph{viel} besser, als er aussieht. Schauen
Sie sich den Beweis genau an: Sie sehen, wie wir im Beweis aus einer
\emph{Auflösungskette} für geeignete Galoisgruppen eine
\emph{Konstruktionsvorschrift} für den Punkt $z$ machen. Der Beweis ist also
\emph{Konstruktions\-vorschrift} für den Punkt $z$ machen. Der Beweis ist also
kein abstraktes Existenzresultat, sondern liefert (bei entsprechender Arbeit)
eine konkrete Vorschrift, wie man an den gegebenen Punkt $z$ kommt -- ob der so
erhaltene Konstruktionsweg dann immer besonders elegant oder praktisch gut
umsetzbar ist, steht natürlich noch auf einem anderen Blatt.
\begin{aufgabe}
Warten Sie das Ende der Pandemie ab. Wenn Sie überleben, kaufen Sie sich
weiße Zauberkünstlerhandschuhe und fahren Sie nach Göttingen. Ziehen Sie sich
gut an (sie müssen seriös wirken!) und begeben Sie sich in die Bunsenstraße
3--5.
Warten Sie die Klausur ab. Wenn Sie überleben, kaufen Sie sich weiße
Zauberkünstlerhandschuhe und fahren Sie nach Göttingen. Ziehen Sie sich gut
an (sie müssen seriös wirken!) und begeben Sie sich in die Bunsenstraße 3--5.
\begin{enumerate}
\item Bewundern Sie das schlichte, lichtdurchflutete und funktionale Gebäude,
das 1929 von David Hilbert und Richard
Courant\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Richard_Courant}{Richard
Courant} (* 8. Januar 1888 in Lublinitz, Oberschlesien; † 27. Januar
1972 in New York) war ein deutsch-amerikanischer Mathematiker.} eröffnet
wurde, dessen Planung aber noch auf Felix
Courant} (* 8.~Januar 1888 in Lublinitz, Oberschlesien; † 27.~Januar 1972 in
New York) war ein deutsch-amerikanischer Mathematiker.} eröffnet wurde,
dessen Planung aber noch auf Felix
Klein\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Felix_Klein}{Felix
Christian Klein} (* 25. April 1849 in Düsseldorf; † 22. Juni 1925 in
Göttingen) war ein deutscher Mathematiker.} zurückgeht. Der Bau wurde
Christian Klein} (* 25.~April 1849 in Düsseldorf; † 22.~Juni 1925 in
Göttingen) war ein deutscher Mathematiker.} zurückgeht. Der Bau wurde
damals, vermutlich zu Ehren von Hilbert, von der amerikanischen
Rockefeller-Stiftung finanziert. Er gilt noch heute als Meilenstein der
Architektur.
\item\label{il:f45} Betreten Sie die Bibliothek und bitten Sie die
Bibliothekarin sehr höflich um ``den Koffer''. Zeigen Sie ihre weißen
Bibliothekarin sehr höflich um den Koffer. Zeigen Sie ihre weißen
Handschuhe. Lächeln Sie, um alle Umstehenden von ihren harmlosen Absichten
zu überzeugen.
\end{enumerate}
@@ -346,7 +344,7 @@ großformatigen, fein beschriebenen Blättern das 65.537-Eck mit Zirkel und Line
konstruiert. Mit ihren Handschuhen können Sie umblättern, ohne das alte Papier
zu beschädigen.
\href{https://www.zeit.de/2012/34/Algebra-Koffer-Johann-Gustav-Hermes/komplettansicht}{Die
Zeit} schreibt über dieses etwas Zen-Buddhistisch angehauchte
Zeit} schreibt über dieses etwas Zen-Buddhistisch angehauchte
Konstruktionsprojekt:
\begin{quotation}
Ein filigranes Geflecht von Punkten, Linien und Kreisen breitet sich über die
@@ -355,18 +353,19 @@ Konstruktionsprojekt:
Koeffizientenschemata, die sich am Ende zu einem Zahlen- und Symbolmix
gewaltigen Ausmaßes fügen.
\end{quotation}
Im Gegensatz zur ``Zeit'' sahen die Göttinger Kollegen Hermes' Bemühungen damals
recht kritisch: ``Ich rechne ja auch nicht die binomische Formel für alle Werte
bis 10.000.000 nach''. Dennoch empfehle ich den Besuch. Bewundern Sie die
Im Gegensatz zur Zeit sahen die Göttinger Kollegen Hermes' Bemühungen damals
recht kritisch: Ich rechne ja auch nicht die binomische Formel für alle Werte
bis 10.000.000 nach.“ Dennoch empfehle ich den Besuch. Bewundern Sie die
feinen Konstruktionen und die enorme handwerkliche Qualität. Suhlen Sie sich in
der Aura der Sinnlosigkeit. Beenden Sie Ihren Besuch, indem Sie sich die
historische Sammlung mathematischer Modelle anschauen.
\begin{aufgabe}
Finden Sie heraus, warum das weltberühmte \emph{Mathematical Sciences Research
Institute} in Berkeley, Kalifornien die Adresse ``17 Gauss Way'' hat, obwohl
das MSRI der einzige Gebäudekomplex der Straße ist. Fahren Sie hin und
schauen Sie sich die Tafel am Eingang an. Oder lesen Sie
Finden Sie heraus, warum das weltberühmte
\foreignlanguage{english}{\emph{Mathematical Sciences Research Institute}} in
Berkeley, Kalifornien die Adresse „\foreignlanguage{english}{17 Gauss Way}
hat, obwohl das MSRI der einzige Gebäudekomplex in der Straße ist. Fahren Sie
hin und schauen Sie sich die Tafel am Eingang an. Oder lesen Sie
\href{https://www.msri.org/people/staff/levy/files/17gon/poster1.pdf}{hier}.
\end{aufgabe}

30
23.tex
View File

@@ -75,9 +75,9 @@ noch zwei Korollare vorstellen.
\section{Reine Polynome und zyklische Galoiserweiterungen}
Um die zentrale Idee zu illustrieren, erkläre ich den Zusammenhang zwischen den
Fragen: ``Ist $f$ durch Radikale auflösbar?'' und ``Wie sieht die Galoisgruppe
von $f$ aus?'' zuerst im besonders einfachen Fall von ``reinen'' Polynomen, bei
denen die Nullstellen ganz offenbar Wurzeln sind.
Fragen: Ist $f$ durch Radikale auflösbar?“, und Wie sieht die Galoisgruppe von
$f$ aus? zuerst im besonders einfachen Fall von reinen Polynomen, bei denen
die Nullstellen ganz offenbar Wurzeln sind.
\begin{defn}[Reines Polynom]
Es sei $K$ ein Körper. Ein Polynom $f ∈ K[x]$ heißt \emph{rein}\index{reines
@@ -94,7 +94,7 @@ denen die Nullstellen ganz offenbar Wurzeln sind.
\begin{satz}[Reine Polynome und zyklische Galoiserweiterungen]\label{Satz_Aufloesen_von_Gleichungen_Eins}
Es sei $K$ ein Körper und es sei $n ∈ ^{>0}$ eine Zahl. Falls
$\operatorname{char} K = p > 0$ ist, nehmen wir noch an, dass $p\nmid n$ ist.
Wenn $K$ alle $n$-ten Einheitswurzeln enthält, dann gilt Folgendes.
Wenn $K$ alle $n$.ten Einheitswurzeln enthält, dann gilt Folgendes.
\begin{enumerate}
\item\label{Satz_Aufloesen_von_Gleichungen_Eins_1} Für jedes $a ∈ K^*$ ist die
Galoisgruppe des reinen Polynoms $f=x^n-a∈ K[x]$ zyklisch.
@@ -117,9 +117,9 @@ denen die Nullstellen ganz offenbar Wurzeln sind.
\section{Radikalerweiterungen von Galoiserweiterungen}
Unsere Debatte krankt noch an einer wesentlichen Stelle: in der Definition von
``Radikalerweiterung'', Definition~\vref{def:radikal}, fordern wir \emph{nicht},
dass Radikalerweiterungen Galoisch sind\footnote{ging auch gar nicht, weil
Galoiserweiterungen erst im Kapitel~\ref{chap:15} eingeführt wurden.}. Der
Radikalerweiterung, Definition~\vref{def:radikal}, fordern wir \emph{nicht},
dass Radikalerweiterungen Galoisch sind\footnote{Das ging auch gar nicht, weil
Galoiserweiterungen erst im Kapitel~\ref{chap:15} eingeführt wurden.}. Der
folgende Satz behebt diesen Mangel.
\begin{satz}\label{Satz_Subsection_Einundzwanzig_Zwei}\label{satz:23.2.1}
@@ -143,7 +143,7 @@ folgende Satz behebt diesen Mangel.
sagt, dass es eine größere Radikalerweiterung $L'/K$, sodass $f$ über $L'$ in
Linearfaktoren zerfällt. Also gibt es eine Radikalerweiterung, die
\emph{alle} Nullstellen von $f$ enthält. Kurz gesagt: wenn $f$ irreduzible
ist und \emph{eine} Nullstelle als ``Wurzelausdruck'' geschrieben werden kann,
ist und \emph{eine} Nullstelle als Wurzelausdruck geschrieben werden kann,
dann können \emph{alle} Nullstellen als Wurzelausdruck geschrieben werden.
\end{bemerkung}
@@ -189,17 +189,17 @@ folgende Satz behebt diesen Mangel.
Vor dem Beweis von Satz~\ref{Theorem_Unterkapitel_Einundzwanzig_Eins} noch zwei
Vorüberlegungen.
\begin{claim-de}\label{Vorueberlegung_1}
\begin{claim-de}\label{Vorueberlegung_1}%
Wenn $L/K$ eine Galoiserweiterung ist und $ξ ∈ \overline{L}$ eine primitive
$n$-te Einheitswurzel, dann sind auch $L(ξ)/K$ und $L(ξ)/K(ξ)$ Galoisch. Denn
wenn wir $L$ als Zerfällungskörper eines Polynomes $g ∈ K[x]$ schreiben, dann
ist $L(ξ)$ der Zerfällungskörper des Polynomes $(x^n-1) ∈ K[x]$. Also ist
$n$.te Einheitswurzel, dann sind auch $L(ξ)/K$ und $L(ξ)/K(ξ)$ Galoisch. Denn
wenn wir $L$ als Zerfällungskörper eines Polynoms $g ∈ K[x]$ schreiben, dann
ist $L(ξ)$ der Zerfällungskörper des Polynoms $(x^n-1) ∈ K[x]$. Also ist
$L(ξ)/K$ Galoisch und die Zwischenerweiterung $L(ξ)/K(ξ)$ ebenfalls.
\end{claim-de}
\begin{claim-de}\label{Vorueberlegung_2}
Wenn $ξ$ eine primitive $n$-te Einheitswurzel über $K$ ist und $n=m·l$, dann
ist $ξ^l$ eine primitive $m$-te Einheitswurzel. Die Elemente $ξ^l$, $ξ^{2l}$,
\begin{claim-de}\label{Vorueberlegung_2}%
Wenn $ξ$ eine primitive $n$.te Einheitswurzel über $K$ ist und $n=m·l$, dann
ist $ξ^l$ eine primitive $m$.te Einheitswurzel. Die Elemente $ξ^l$, $ξ^{2l}$,
…, $ξ^{m· l}$ sind paarweise verschieden.
\end{claim-de}

72
24.tex
View File

@@ -6,7 +6,7 @@
\sideremark{Vorlesung 25}
In diesem Skript zur Vorlesung ``Algebra und Zahlentheorie'' hatten wir bislang
In diesem Skript zur Vorlesung Algebra und Zahlentheorie hatten wir bislang
noch sehr wenig Zahlentheorie. Dass muss ich jetzt, auf dem letzten Meter, noch
ändern. Oberflächlich betrachtet geht es beim quadratischen Reziprozitätsgesetz
darum, zu entscheiden, ob eine Zahl ein quadratischer Rest einer anderen Zahl
@@ -15,7 +15,7 @@ ist.
\begin{definition}[Quadratischer Rest]
Es sei $p ∈ $ eine Primzahl, weiter sei $a ∈ $ teilerfremd zu $p$. Die Zahl
$a$ heißt \emph{quadratischer Rest modulo $p$}\index{quadratischer
Rest}\index{Rest!quadratischer}, wenn die Gleichung
Rest}\index{Rest!quadratischer}, wenn die Gleichung
\[
\equiv a \:\:(\operatorname{mod} p)
\]
@@ -23,26 +23,26 @@ ist.
$p$}.
\end{definition}
Wikipedia schreibt sinngemäß ``Die Entdeckung des quadratischen
Wikipedia schreibt sinngemäß Die Entdeckung des quadratischen
Reziprozitätsgesetzes durch Euler und der Beweis durch Gauß (erschienen 1801 in
den
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Disquisitiones_Arithmeticae}{Disquisitiones
Arithmeticae}, er hatte aber bereits 1796 einen Beweis) waren die
Ausgangspunkte der Entwicklung der modernen Zahlentheorie.''. Tatsächlich
handelt es sich um einen sehr tiefen Satz der viele Mathematiker inspirierte,
von dem wir hier aber nur die Oberfläche ankratzen. Schauen Sie einmal in das
Buch der Beweise\footnote{Sie können das Buch im Uni-Netz
\href{https://doi.org/10.1007/978-3-662-57767-7}{kostenlos herunterladen}.}
Arithmeticae}, er hatte aber bereits 1796 einen Beweis) waren die Ausgangspunkte
der Entwicklung der modernen Zahlentheorie. Tatsächlich handelt es sich um
einen sehr tiefen Satz der viele Mathematiker inspirierte, von dem wir hier aber
nur die Oberfläche ankratzen. Schauen Sie einmal in das Buch der
Beweise\footnote{Sie können das Buch im Uni-Netz
\href{https://doi.org/10.1007/978-3-662-57767-7}{kostenlos herunterladen}.}
\cite[Kapitel~5]{zbMATH06333926} für viele weitere Erklärungen, elementare
Beweise und historische Anmerkungen.
\begin{bemerkung}[Quadratische Reste in $𝔽_p$]\label{bem:qrmp}
\begin{bemerkung}[Quadratische Reste in $𝔽_p$]\label{bem:qrmp}%
Es sei $p ∈ $ eine Primzahl. Die Frage, ob eine Zahl $a ∈ $ ein
quadratischer Rest modulo $p$ ist, hängt natürlich nur von der Restklasse von
$a$ in $𝔽_p$ ab. Man nennt erweitert daher den Begriff von ``quadratischem
Rest'' häufig und nennt ein Element $b ∈ 𝔽_p$ einen quadratischen Rest, wenn
die Gleichung $= b$ in $𝔽_p$ lösbar ist. Die quadratischen Reste sind also
die Elemente von
$a$ in $𝔽_p$ ab. Man nennt erweitert daher den Begriff von quadratischem
Rest häufig und nennt ein Element $b ∈ 𝔽_p$ einen quadratischen Rest, wenn
die Gleichung $= b$ in $𝔽_p$ lösbar ist. Die quadratischen Reste sind
also die Elemente von
\[
(𝔽^*_p)² := \img \Bigl( 𝔽^*_p → (𝔽^*_p)², \quad x ↦ x²
\Bigr)𝔽^*_p.
@@ -67,11 +67,11 @@ Wie viele quadratische Reste gibt es überhaupt? Die Antwort ist einfach.
\section{Das Legendre-Symbol}
Um den Begriff ``quadratischer Rest'' etwas quantitativer zu erfassen, führen
wir das
Um den Begriff quadratischer Rest etwas quantitativer zu erfassen, führen wir
das
Legendre\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Adrien-Marie_Legendre}{Adrien-Marie
Legendre} (* 18. September 1752 in Paris; † 9. Januar 1833 ebenda) war ein
französischer Mathematiker.}-Symbol ein.
Legendre} (* 18.~September 1752 in Paris; † 9.~Januar 1833 ebenda) war ein
französischer Mathematiker.}-Symbol ein.
\begin{definition}[Legendre-Symbol]
Es sei $p$ eine ungerade Primzahl und es sei $a ∈ $. Dann schreibe
@@ -93,7 +93,7 @@ Legendre\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Adrien-Marie_Legendre}{Adr
Nichtreste gibt, ist $\sum_{k=1}^{p-1} \left(\frac{k}{p}\right) = 0$ und
deshalb
\begin{equation}\label{eq:g4.2}
\sum_{k=1}^{p-2} \left(\frac{k}{p}\right) = -\left(\frac{p-1}{p}\right) = -\left(\frac{-1}{p}\right) ∈ F.
\sum_{k=1}^{p-2} \left(\frac{k}{p}\right) = -\left(\frac{p-1}{p}\right) = -\left(\frac{-1}{p}\right) ∈ \bN.
\end{equation}
\end{beobachtung}
@@ -112,8 +112,8 @@ Wir können noch etwas mehr über das Legendre-Symbol sagen.
$p-1$ Elemente, ist also isomorph zur (additiven Gruppe) $/(p-1)$. Wir
beobachten, dass die quadratischen Reste unter diesem Isomorphismus genau mit
den geradzahligen Elementen von $/(p-1)$ identifiziert werden --- die Zahl
$(p-1)$ ist gerade, sodass der Begriff ``geradzahligen Elementen von
$/(p-1)$'' sinnvoll verwendet werden kann.
$(p-1)$ ist gerade, sodass der Begriff geradzahligen Elementen von
$/(p-1)$ sinnvoll verwendet werden kann.
Als Nächstes setzen wir $n := \frac{p-1}{2}$ und betrachten den folgenden
Morphismus, den wir auf Repräsentantenniveau definieren\footnote{Vielleicht
@@ -181,7 +181,7 @@ formulieren.
überhaupt nicht klar, was die beiden Ausdrücke $\left(\frac{p}{q}\right)$ und
$\left(\frac{q}{p}\right)$ miteinander zu tun haben! Es gibt in der
Zahlentheorie, Arithmetik und der arithmetischen Geometrie eine Reihe weiterer
``Reziprozitätsgesetze'', bei denen es sich typischerweise ebenfalls um sehr
Reziprozitätsgesetze, bei denen es sich typischerweise ebenfalls um sehr
tiefe, überraschende und gar nicht einsichtige Resultate handelt.
\end{rem}
@@ -193,9 +193,9 @@ effizient ausrechnen kann. Statt großer Theorie mache ich einfach ein Beispiel
Ist 7 ein quadratischer Rest modulo 17?
\begin{align*}
\left(\frac{7}{17}\right) & = \left(\frac{17}{7}\right)·(-1)^{8·3} = \left(\frac{3}{7}\right) && \text{quadratische Reziprozität und } 17 \equiv 3 \:\:(\operatorname{mod} 7) \\
& = \left(\frac{7}{3}\right)·(-1)^{3·1} = -\left(\frac{1}{3}\right) = -1 && \text{quadratische Reziprozität und } 7 \equiv 1 \:\:(\operatorname{mod} 3)
& = \left(\frac{7}{3}\right)·(-1)^{3·1} = -\left(\frac{1}{3}\right) = -1 && \text{quadratische Reziprozität und } 7 \equiv 1 \:\:(\operatorname{mod} 3).
\end{align*}
Also ist die Antwort: ``nein!''
Also ist die Antwort: „Nein!
\end{bsp}
@@ -212,27 +212,27 @@ abgeschrieben. Wenn Sie den Beweis nicht mögen, finden Sie in den
hervorragenden Skripten des Bayreuther Kollegen
\href{http://www.mathe2.uni-bayreuth.de/stoll/}{Michael Stoll} einen
\href{http://www.mathe2.uni-bayreuth.de/stoll/teaching/EinfZAS-WS2014/Skript-EinfZAS-pub-screen.pdf}{anderen
Beweis}. Annette Huber bevorzugt in ihrem Skript einen
Beweis}. Annette Huber bevorzugt in ihrem Skript einen
\href{http://home.mathematik.uni-freiburg.de/arithgeom/lehre/ws17/azt/algebra17.pdf}{Beweis
mithilfe der Galoisgruppe von Kreisteilungskörpern}.
mithilfe der Galoisgruppe von Kreisteilungskörpern}.
\bigskip
Es sei $F$ der endliche Körper mit $q^{p-1}$ Elementen. Der Primkörper von $F$
is $𝔽_q$, insbesondere hat $F$ die Charakteristik $q$. Nach
ist $𝔽_q$, insbesondere hat $F$ die Charakteristik $q$. Nach
Satz~\vref{Satz_Endliche_Mult_Gruppe_also_Zyklisch_S164} ist die multiplikative
Gruppe $F^*$ ist zyklisch, mit $q^{p-1}-1$ vielen Elementen. Nach dem kleinen
Satz von Fermat, Satz~\vref{satz:kleinerFermat} und
Bemerkung~\ref{bem:kleinerFermat} ist die Zahl $q^{p-1}-1$ ist ein Vielfaches
von $p$, und deshalb gibt es nach Satz~\vref{Satz_von_Cauchy} (``Satz von
Cauchy'') ein Element $ξ ∈ F^*$ der Ordnung $p$. Wir beobachten schon einmal,
dass sich das Körperelement $\sum_{i=1}^p ξⁱ ∈ F$ bei Multiplikation mit
$ξ ∈ F^*$ nicht ändert. Also ist $\sum_{i=1}ⁱ ξ^p = 0 ∈ F$, oder anders gesagt,
von $p$, und deshalb gibt es nach Satz~\vref{Satz_von_Cauchy} (Satz von
Cauchy) ein Element $ξ ∈ F^*$ der Ordnung $p$. Wir beobachten schon einmal,
dass sich das Körperelement $\sum_{i=1}^p ξⁱ ∈ F$ bei Multiplikation mit $ξ ∈
F^*$ nicht ändert. Also ist $\sum_{i=1}ⁱ ξ^p = 0 ∈ F$, oder anders gesagt,
\begin{equation}\label{eq:g4.1}
\sum_{i=1}^{p-1} ξⁱ = -1 ∈ F.
\end{equation}
Als Nächstes betrachten wir die folgende ``Gaußsche'' Summe im Körper $F$:
Als Nächstes betrachten wir die folgende Gaußsche Summe im Körper $F$:
\[
G := \sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i}{p}\right)·ξⁱ ∈ F.
\]
@@ -243,7 +243,7 @@ Als Nächstes betrachten wir die folgende ``Gaußsche'' Summe im Körper $F$:
\[
\sum_{i=1}^{p-1} ξⁱ = \sum_{i=1}^{p-1} ξ^{i·n}
\quad\text{und}\quad \sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i}{p}\right)·ξⁱ =
\sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i·n}{p}\right)·ξ^{i·n}
\sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i·n}{p}\right)·ξ^{i·n}.
\]
\end{behauptung}
\begin{proof}[Beweis der Behauptung~\ref{beh:0}]
@@ -268,7 +268,7 @@ Als Nächstes betrachten wir die folgende ``Gaußsche'' Summe im Körper $F$:
G^q & = \left( \sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i}{p}\right)·ξⁱ \right)^q = \sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i}{p}\right)^q·ξ^{i·q} && \text{wir sind in Charakteristik $q$!} \\
& = \sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i}{p}\right)·ξ^{i·q} && \text{$q$ ist ungerade} \\
& = \left(\frac{q}{p}\right\sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{iq}{p}\right)·ξ^{i·q} && \text{Lemma~\ref{lem:lsim}} \\
& = \left(\frac{q}{p}\right\sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i}{p}\right)·ξⁱ = \left(\frac{q}{p}\right)·G && \text{Behauptung~\ref{beh:0}}
& = \left(\frac{q}{p}\right\sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i}{p}\right)·ξⁱ = \left(\frac{q}{p}\right)·G && \text{Behauptung~\ref{beh:0}.}
\end{align*}
Damit ist die Behauptung bewiesen. \qedhere~\mbox{(Behauptung~\ref{beh:1})}
\end{proof}
@@ -290,7 +290,7 @@ Als Nächstes betrachten wir die folgende ``Gaußsche'' Summe im Körper $F$:
& = \left(\frac{p-1}{p}\right)·(p-1) + \sum_{j=1}^{p-2} \left(\frac{j}{p}\right\sum_{i=1}^{p-1}ξ^{(j+1)i} \\
& = \left(\frac{p-1}{p}\right)·(p-1) - \sum_{j=1}^{p-2} \left(\frac{j}{p}\right) && \text{Gleichung~\eqref{eq:g4.1}} \\
& = \left(\frac{p-1}{p}\right)·p && \text{Gleichung~\eqref{eq:g4.2}} \\
& = (-1)^{\frac{p-1}{2}}·p && \text{Euler-Kriterium, Lemma~\ref{lem:EK}}
& = (-1)^{\frac{p-1}{2}}·p && \text{Euler-Kriterium, Lemma~\ref{lem:EK}.}
\end{align*}
Damit ist die Behauptung bewiesen. \qedhere~\mbox{(Behauptung~\ref{beh:2})}
\end{proof}
@@ -302,7 +302,7 @@ auszudrücken, und die so entstandenen Formeln zu vergleichen.
\left( \frac{q}{p} \right)·G & = G^q && \text{Behauptung~\ref{beh:1}} \\
& = G·(G²)^{\frac{q-1}{2}} && \text{Die Zahl $q$ ist ungerade.}\\
& = G·(-1)^{\frac{q-1}{2}·\frac{p-1}{2}}·p^{\frac{q-1}{2}} && \text{Behauptung~\ref{beh:2}} \\
& = G·(-1)^{\frac{q-1}{2}·\frac{p-1}{2}}·\left( \frac{p}{q} \right) && \text{Euler-Kriterium, Lemma~\ref{lem:EK}}
& = G·(-1)^{\frac{q-1}{2}·\frac{p-1}{2}}·\left( \frac{p}{q} \right) && \text{Euler-Kriterium, Lemma~\ref{lem:EK}.}
\end{align*}
Weil wir in Behauptung~\ref{beh:2} gesehen haben, dass $G ≠ 0$ ist, dürfen wir
kürzen und erhalten die gewünschte Gleichung. \qed

8
25.tex
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@@ -8,7 +8,7 @@
Im 18.~Jahrhundert war Seefahrt gefährlich. Sehr gefährlich. Zwar pendelten um
1704 jährlich mehr als 300 Schiffe zwischen England und den „West Indies“, es
kam aber durch Fehlnavigation regelmäßig zu verheerenden Katastrophen. Unzählige
kam aber durch Fehlnavigation regelmäßig zu verheerenden Katastrophen. Unzählige
Schiffe verirrten sich auf dem Meer und die Besatzung verhungerte, verdurstete
oder starb an qualvoll an Skorbut. Andere Schiffe fuhren auf Felsriffe oder
gerieten versehentlich in feindliches Territorium.
@@ -83,7 +83,7 @@ Algebra-Ausbildung.
\begin{itemize}
\item Zwei Mengen der gleichen, endlichen Größe stehen zueinander in Bijektion.
Die Bijektion ist aber nicht kanonisch. Das Maß für die Abweichung von
„kanonisch“ ist die Menge der Bijektionen, also die Permutationsgruppe. Diese
„kanonisch“ ist die Menge der Bijektionen, also die Permutationsgruppe. Diese
spielt in fast jeder Vorlesung eine Rolle.
\item In der linearen Algebra haben wir gelernt, dass zwei Vektorräume der
@@ -97,7 +97,7 @@ Algebra-Ausbildung.
In dieser Vorlesung haben wir dasselbe Problem: die universelle Eigenschaft des
algebraischen Abschlusses, Satz~\vref{Satz_K_Morphismus_Fortsetzung}, ist
schwach. Zwei algebraische Abschlüsse, genau wie zwei Zerfällungskörper ein und
desselben Polynoms, sind zueinander isomorph, aber nicht kanonisch isomorph. Das
desselben Polynoms, sind zueinander isomorph, aber nicht kanonisch isomorph. Das
Maß für die Abweichung von „kanonisch“ ist die Menge der Symmetrien, die in
diesem Fall als Galoisgruppe bezeichnet wird. Die Erkenntnis, das die
Galoisgruppe das Versagen der universelle Eigenschaft misst und das durch ihr
@@ -139,7 +139,7 @@ Wenn Sie ein Lehrbuch zum Thema „Gewöhnliche Differenzialgleichungen“ in di
Hand nehmen, finden Sie ein wenig Theorie (Satz von Picard-Lindelöf,
Konsequenzen aus der Eindeutigkeit der Lösung, Lebensdauer von Lösungen, …) und
viele, viele Rechenrezepte, mit denen man spezielle Differenzialgleichungen
löst. In der Anfängervorlesung haben Sie das vielleicht schon beim Verfahren
löst. In der Anfängervorlesung haben Sie das vielleicht schon beim Verfahren
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Variation_der_Konstanten}{Variation der
Konstanten} gesehen: gegeben ist die Differenzialgleichung
\begin{equation}\label{eq:ssa}

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@@ -13,6 +13,7 @@
\input{gfx/paperVersion-working}
\usepackage{makeidx}
\usepackage{tikz-cd}
\usepackage{ulem}
\makeindex
\author{Stefan Kebekus}

5
deploy.sh Executable file
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@@ -0,0 +1,5 @@
#!/bin/bash
set -e
latexmk --pdf AlgebraZahlentheorie.tex
cp AlgebraZahlentheorie.pdf public/AlgebraZahlentheorie.pdf

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@@ -172,6 +172,7 @@
\newunicodechar{}{\ensuremath{^8}}
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\newunicodechar{}{\ensuremath{\rceil}}