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e2df9f0dbb
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main
Author | SHA1 | Date | |
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8c3f70f0e7 |
6
.gitmodules
vendored
Normal file
6
.gitmodules
vendored
Normal file
@@ -0,0 +1,6 @@
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||||
[submodule "bibliography"]
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path = bibliography
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url = git@git.cplx.vm.uni-freiburg.de:kebekus/bibliography.git
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[submodule "tex"]
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||||
path = tex
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||||
url = git@git.cplx.vm.uni-freiburg.de:kebekus/tex.git
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180
.vscode/ltex.dictionary.de-DE.txt
vendored
180
.vscode/ltex.dictionary.de-DE.txt
vendored
@@ -29,3 +29,183 @@ Beutelspacher
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||||
Erlärvideo
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||||
nullteilerfrei
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||||
nullteilerfreien
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Transzendenzbeweis
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Lorettoberg
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Normiertheit
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hinzuadjungieren
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Algebraizität
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Gerolamo
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Cardano
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Girolamo
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Cardanus
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||||
Mediolanensis
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||||
Cardan
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||||
Nicolo
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Tartaglia
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||||
Scipione
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del
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||||
Ferro
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||||
Radikalerweiterung
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||||
Teilbarkeitsfragen
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||||
Polynom-
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||||
Teilbarkeitsüberlegungen
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||||
schrecklicherweise
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||||
Teilerkette
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Teilerkettensatz
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||||
Bryn
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||||
Mawr
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prim
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||||
faktoriell
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||||
UFD
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||||
faktorieller
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||||
Repräsentantensystem
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||||
Teilbarkeitseigenschaften
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||||
kgV
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||||
faktoriellen
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||||
Geodät
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||||
Quotientenkörper
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||||
Quotientenkörpers
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||||
Irreduzibilitätskriterien
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||||
Irreduzibilitätskriterium
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||||
Teilbarkeitsbetrachtungen
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||||
Teilerpolynome
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||||
Lodovico
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||||
Lagrangia
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||||
Interpolationsformel
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||||
Schönemann
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||||
Driesen
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||||
Friedebergischer
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||||
reduzibel
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||||
Einsetzungskomposition
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||||
Substitutionsmorphismus
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||||
Konstruierbarkeitsfragen
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||||
konjungierte
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||||
konstruierbare
|
||||
Konstruierbarkeitsfrage
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||||
transzendent
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||||
Rechtsideale
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||||
Sorau
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||||
Dedekind
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||||
nicht-faktoriellen
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||||
Hauptideale
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||||
Erzeugendensysteme
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||||
Gödelschen
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||||
Erzeugendensystems
|
||||
Erzeugendensystem
|
||||
Teiler-
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||||
Hauptidealen
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||||
Faktorialität
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||||
Quotientenvektoraumes
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||||
Quotientenvektorräumen
|
||||
Quotientenvektorräume
|
||||
Quotientenring
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||||
Repräsentantensystems
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||||
Homomorphiesatzes
|
||||
Homomorphiesatz
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||||
Quotientenabbildung
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||||
Urbildmenge
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||||
Primideale
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||||
Primideals
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||||
Primideal
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||||
Summenideal
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||||
Teilerfremdheit
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||||
Funktionenkörper
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||||
Kodierungstheorie
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||||
Substitutionsabbildung
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||||
Steinitz
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||||
Laurahütte
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||||
nicht-Kanonizität
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||||
Zerfällungskörpern
|
||||
inseparable
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||||
Teilbarkeitsrelationen
|
||||
Frobenius-Morphismus
|
||||
Frobenius-Endomorphismus
|
||||
Einselements
|
||||
separabel
|
||||
inseparabel
|
||||
Separabilität
|
||||
Substitutionsmorphismen
|
||||
Separabilitätsgrad
|
||||
inseparablen
|
||||
Galoiserweiterung
|
||||
Quotientengruppe
|
||||
Galoisgruppen
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||||
Signumsabbildung
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||||
Kleinsche
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||||
Primzahlordnung
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||||
Klassifikationssatzes
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||||
Klassifikationsprogramms
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||||
Solomon
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||||
Gorenstein
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||||
.ten
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||||
.ter
|
||||
.te
|
||||
.tes
|
||||
Primteiler
|
||||
Galoisch
|
||||
Fermatsche
|
||||
Fermatzahl
|
||||
Bunsenstraße
|
||||
Courant
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||||
Foliaten
|
||||
Koeffizientenschemata
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||||
Gauss
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||||
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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83
.vscode/ltex.hiddenFalsePositives.de-DE.txt
vendored
83
.vscode/ltex.hiddenFalsePositives.de-DE.txt
vendored
@@ -13,3 +13,86 @@
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||||
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Neutrales Element der Multiplikation] Es gibt genau ein Element \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q aus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, sodass für alle \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q aus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gilt: \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
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||||
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QVorlesung 2 Ein Ring \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q heißt Schiefkörper, wenn \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q nicht der Nullring ist und alle Elemente außer der \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q invertierbar sind, wenn also \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gilt.\\E$"}
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||||
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QDie Menge \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist ein Unterring, aber kein Unterkörper von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Minimaler Grad] Zuerst betrachten wir nur solche Polynome, deren Grad minimal ist unter allen nicht-konstanten Polynomen, die \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q als Nullstelle haben.\\E$"}
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{"rule":"DE_SENTENCE_WHITESPACE","sentence":"^\\QVorlesung 3 3-1 und 3-2.\\E$"}
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{"rule":"KOMMA_ZWISCHEN_HAUPT_UND_NEBENSATZ","sentence":"^\\QDann bildet die Menge \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist algebraisch über \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q einen Unterkörper von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, genannt der algebraische Abschluss von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q im Oberkörper \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 3-6\\E$"}
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{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QErklärung: die Definition der Radikalerweiterung sagt also, dass \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q die \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q-te Wurzel eines Elements aus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, dass \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q die \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q-te Wurzel eines Elements aus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, etc. Nach Korollar \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q können wir schreiben \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
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{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QAus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q folgt \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
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{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QEs sei \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ein kommutativer Ring und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q seien Elemente.\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QIn der Literatur findet man statt „faktoriell“ manchmal auch die Adjektive ZPE (= Zerlegung in Primelemente ist Eindeutig) oder UFD (= Unique Factorization Domain).\\E$"}
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{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QIn der Literatur findet man statt „faktoriell“ manchmal auch die Adjektive ZPE (= Zerlegung in Primelemente ist Eindeutig) oder UFD (= Unique Factorization Domain).\\E$"}
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{"rule":"DE_SENTENCE_WHITESPACE","sentence":"^\\QVorlesung 6\\E$"}
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{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\QggT und kgV.\\E$"}
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{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QEs ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q genau dann, wenn für alle \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gilt, dass \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist.\\E$"}
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{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QWenn Sie bei mir die Vorlesung „Lineare Algebra“ gehört haben, dann wird Ihnen die folgende Definition sehr vertraut vorkommen.\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Anwenden eines Ringhomomorphismus auf die Koeffizienten:] Ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ein Ringhomomorphismus, dann ist auch \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ein Ringmorphismus.\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QSetze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q [Substitutionsmorphismus] Es sei ein Element \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gegeben.\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Anwenden eines Ringhomomorphismus auf die Koeffizienten] Ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ein Ringhomomorphismus, dann ist auch \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ein Ringmorphismus.\\E$"}
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{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QIch verzichte deshalb im Folgenden sehr oft auf Beweise und behaupte, dass „alles genau so geht, wie in der Linearen Algebra“.\\E$"}
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{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QStellen Sie sicher, dass sie sich noch ausreichend gut an die Vorlesung „Lineare Algebra“ erinnern.\\E$"}
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{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QGenau wie die Quotientenvektorräume der Linearen Algebra sind Restklassenringe durch folgende universelle Eigenschaft definiert.\\E$"}
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{"rule":"DE_SUBJECT_VERB_AGREEMENT","sentence":"^\\QEin Restklassenring oder Quotientenring ist ein kommutativer Ring \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q mit Eins zusammen mit einem Ringmorphismus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, sodass \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist und so, dass die folgende universelle Eigenschaft gilt: ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ein weiterer Ringmorphismus mit \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, dann gibt es genau einen Ringmorphismus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, sodass das folgende Diagramm kommutiert, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
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{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QErinnerung an die Lineare Algebra: Quotient nach Äquivalenzrelation = \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q = Menge der Äquivalenzklassen\\E$"}
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{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QDer folgende Satz folgt wie in der Linearen Algebra aus der universellen Eigenschaft.\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Wie sieht der Kern von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q aus?] Ein Polynom \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist offenbar genau dann im von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Kern, wenn \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist.\\E$"}
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{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QFür den Ring \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q haben wir die Antwort in der Vorlesung „Lineare Algebra“ kennengelernt.\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QDer Chinesische Restsatz.\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QDer Chinesische Restsatz ist langweilig, darf aber in keiner Vorlesung fehlen und kommt auch in den allermeisten Klausuren und Prüfungen vor.\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QWenn \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sind, dann ist diese notwendige Bedingung automatisch erfüllt, und der Chinesische Restsatz sagt, dass das Gleichungssystem dann auch lösbar ist.\\E$"}
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{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDann ist der kanonische Ringhomomorphismus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\QAdd.\\E$"}
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{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\Qund Mult.\\E$"}
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{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QDer Körper der algebraischen Zahlen, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist ein algebraischer Abschluss \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
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{"rule":"PLURAL_APOSTROPH","sentence":"^\\QIn einem normalen Jahr würde mithilfe von Zorn's Lemma zeigen, dass diese naive Idee tatsächlich trägt.\\E$"}
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{"rule":"PLURAL_APOSTROPH","sentence":"^\\QZorn's Lemma = eine Variante des Auswahlaxioms\\E$"}
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{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\QWorum geht es in diesem Teil der Vorlesung?.\\E$"}
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{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QEin wichtiges Problem der Algebra(klausur/prüfung) ist es, zu einem gegebenen Körper \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und zu einem gegebenen Polynom \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q den Zerfällungskörper zu bestimmen.\\E$"}
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{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QWir erhalten also einen Gruppenmorphismus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q-isomorphismen \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\QPermutationen der Menge \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
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||||
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QWenn alles 100%ig korrekt sein sollte, müsste ich an dieser könnte den Polynomring ausführlich mithilfe einer universellen Eigenschaft definieren.\\E$"}
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||||
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QWenn alles 100%ig korrekt sein sollte, müsste ich an dieser Stelle den Polynomring ausführlich mithilfe einer universellen Eigenschaft definieren.\\E$"}
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||||
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDie Sätze klären auch noch einmal, warum SAGE eckige Klammern verwendet und den Körper „\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q adjungiert \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q“ mit QQ[sqrt(5)] bezeichnet.\\E$"}
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{"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$"}
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{"rule":"DOPPELTES_AUSRUFEZEICHEN","sentence":"^\\QFalsch!!\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QDann ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Ist mir zu langweilig.\\E$"}
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||||
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QDann gilt nach dem Chinesischen Restsatz, Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
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{"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$"}
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||||
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QFür jede Zahl \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gilt die Gleichung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Die Aussage über \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist trivial.\\E$"}
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||||
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QAußerdem sind linke und rechte Seite von Gleichung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q normiert.\\E$"}
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||||
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QPrimzahlen der Form \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q heißen Fermatsche PrimzahlenIm August 1640 vermutete Fermat, dass alle Zahlen dieser Form (die später nach ihm benannt wurden) Primzahlen seien.\\E$"}
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||||
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\Q?.\\E$"}
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{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\QWorum geht es?.\\E$"}
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||||
{"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$"}
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||||
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\QWohin geht die Reise?.\\E$"}
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||||
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qund Mult.\\E$"}
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||||
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qquadratfrei = kein Primteiler tritt doppelt auf\\E$"}
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{"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$"}
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||||
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QAlso ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\QSatz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Mit den gleichen Voraussetzungen wie in Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gilt: wenn \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q den Index \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q teilt, dann ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
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||||
{"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$"}
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||||
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Ordnung 24:] Dies muss die ganze Gruppe \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sein.\\E$"}
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||||
{"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$"}
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||||
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 12:] Die Menge \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q der geraden Permutationen, also der Kern der Signums-Abbildung, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, ist eine Untergruppe von Ordnung 12.\\E$"}
|
||||
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 24:] Dies muss die ganze Gruppe \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sein.\\E$"}
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||||
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 8:] Dies müssen die 2-Sylowuntergruppen sein.\\E$"}
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{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Ordnung 8:] Dies müssen die 2-Sylowuntergruppen sein.\\E$"}
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||||
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 6:] Es ist im Moment unklar, ob eine solche Untergruppe existiert.\\E$"}
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||||
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Ordnung 6:] Es ist im Moment unklar, ob eine solche Untergruppe existiert.\\E$"}
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||||
{"rule":"LEERZEICHEN_HINTER_DOPPELPUNKT","sentence":"^\\Q[Ordnung 4:] Jedes Element der Ordnung 4 liefert eine zyklische Untergruppe der Ordnung 4.\\E$"}
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||||
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\Q[Ordnung 4:] Jedes Element der Ordnung 4 liefert eine zyklische Untergruppe der Ordnung 4.\\E$"}
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||||
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QPartition Repräsentant Geometrische Anschauung Ordnung Anzahl der Elemente in der Konjugationsklasse abcd () Identität 1 1 aabc (12) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 2 4 2=6 aabb (12)(34) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 2 6/2 = 3 aaab (123) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 3 4· 2 = 8 aaaa (1234) \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q 4 3· 2 = 6 Konjugationsklassen in \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+$"}
|
||||
{"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$"}
|
||||
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\QWas ist in dieser Vorlesung eigentlich passiert?.\\E$"}
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||||
{"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$"}
|
||||
{"rule":"UNPAIRED_BRACKETS","sentence":"^\\QNach Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q (“Satz von Lagrange”) ist die Ordnung von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, also die Größe der von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q erzeugten Untergruppe, ein Teiler von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
|
||||
|
2
01.tex
2
01.tex
@@ -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)}_{∈ ℕ^+}·s
|
||||
d-a=\underbrace{(n-m)}_{∈ ℕ⁺}·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.
|
||||
|
147
03.tex
147
03.tex
@@ -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.
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||||
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||||
\section{Körpererweiterungen}
|
||||
|
||||
@@ -20,32 +17,32 @@ nicht alle Elemente des größeren Körpers gleich sind.
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item Zahlen wie $\sqrt{2}$ oder $\sqrt[3]{5}+\sqrt{2}$, die irgendwie
|
||||
\emph{algebraisch} sind, weil sie mit Polynomen zu tun haben deren
|
||||
Koeffizienten rationale Zahlen sind --- diese Zahlen heißen ``algebraisch''.
|
||||
Koeffizienten rationale Zahlen sind --- diese Zahlen heißen „algebraisch“.
|
||||
|
||||
\item Zahlen wie $e$ oder $π$, die von Potenzreihen, und nicht von
|
||||
Polynomen kommen --- diese Zahlen heißen ``transzendent''.
|
||||
\item Zahlen wie $e$ oder $π$, die von Potenzreihen, und nicht von Polynomen
|
||||
kommen --- diese Zahlen heißen „transzendent“.
|
||||
\end{itemize}
|
||||
\end{beobachtung}
|
||||
|
||||
Um diese Beobachtung für beliebige Körper zu formulieren, ist leider wieder erst
|
||||
einmal ein wenig Sprache fällig.
|
||||
|
||||
\begin{definition}[Polynomring]\label{def:3-0-2}
|
||||
\begin{definition}[Polynomring]\label{def:3-0-2}%
|
||||
Es sei $K$ ein Körper. Dann bezeichne $K[x]$ den Ring der Polynome mit
|
||||
Variable $x$ und Koeffizienten aus $K$.\index{Polynomring}
|
||||
\end{definition}
|
||||
|
||||
\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 Falle wo $K = 𝔽_p$ ein endlicher Körper ist, gibt es zwar unendlich viele
|
||||
Polynome (zum Beispiel $x$, $x²$, $x³$, …) aber nur endlich viele
|
||||
Abbildungen von $K$ nach $K$!
|
||||
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 $x$, $x²$, $x³$, …) aber nur endlich viele Abbildungen
|
||||
von $K$ nach $K$!
|
||||
\end{warnung}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}[Polynomring]
|
||||
Das Polynom $\frac{2}{7}· x²+8$ liegt in $ℚ[x]$. Das Polynom
|
||||
$π·x + e$ liegt in $ℝ[x]$.
|
||||
Das Polynom $\frac{2}{7}· x²+8$ liegt in $ℚ[x]$. Das Polynom $π·x + e$ liegt
|
||||
in $ℝ[x]$.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}[Polynomring]
|
||||
@@ -57,7 +54,7 @@ einmal ein wenig Sprache fällig.
|
||||
ein typisches Polynom aus $K[x]$.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
Die korrekte Definition von ``algebraisch'' und ``transzendent'' ist jetzt die
|
||||
Die korrekte Definition von „algebraisch“ und „transzendent“ ist jetzt die
|
||||
Folgende.
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Algebraische und transzendente Elemente]
|
||||
@@ -81,11 +78,11 @@ Folgende.
|
||||
algebraisch, weil sie Nullstelle des Polynoms $x³-2 ∈ ℚ[x]$ ist. Der
|
||||
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 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.
|
||||
Louis Ferdinand Lindemann}, ab 1918 Ritter von Lindemann (* 12.~April 1852 in
|
||||
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.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -95,22 +92,22 @@ Der Zahlentheoretiker interessiert sich natürlich besonders für die
|
||||
Körpererweiterung $ℂ/ℚ$. Hier hat sich eine eigene Sprache etabliert.
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Algebraische und transzendente Zahlen]
|
||||
Elemente $z ∈ ℂ$, die algebraisch über $ℚ$ sind, nennt man
|
||||
\emph{algebraische Zahlen}\index{algebraisch!Zahlen}. Die anderen Elemente
|
||||
heißen \emph{transzendente Zahlen}\index{transzendent!Zahlen}.
|
||||
Elemente $z ∈ ℂ$, die algebraisch über $ℚ$ sind, nennt man \emph{algebraische
|
||||
Zahlen}\index{algebraisch!Zahlen}. Die anderen Elemente heißen
|
||||
\emph{transzendente Zahlen}\index{transzendent!Zahlen}.
|
||||
\end{defn}
|
||||
|
||||
Leider gibt es fast keine algebraischen Zahlen. Der folgende Satz zeigt, dass
|
||||
jedes nicht-leere, offene Intervall in $ℝ$ jede Menge transzendente Zahlen
|
||||
enthält.
|
||||
|
||||
\begin{satz}\label{satz:3-2-2}
|
||||
\begin{satz}\label{satz:3-2-2}%
|
||||
Die Menge der algebraischen Zahlen ist abzählbar.
|
||||
\end{satz}
|
||||
\begin{proof}
|
||||
Bekanntlich ist $ℚ$ abzählbar, also ist der Ring $ℚ[x]$ der Polynome mit
|
||||
Koeffizienten in $ℚ$ ebenfalls abzählbar. Jedes Polynom hat aber nur
|
||||
endlich viele Nullstellen.
|
||||
Koeffizienten in $ℚ$ ebenfalls abzählbar. Jedes Polynom hat aber nur endlich
|
||||
viele Nullstellen.
|
||||
\end{proof}
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -142,9 +139,9 @@ enthält.
|
||||
|
||||
\section{Das Minimalpolynom}
|
||||
|
||||
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
|
||||
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
|
||||
ebenfalls $a$ als Nullstelle hat. Man kann aber unter allen Polynomen, die $a$
|
||||
als Nullstelle haben, ein eindeutiges Element finden, wenn man ein paar
|
||||
@@ -160,7 +157,7 @@ Zusatzbedingungen stellt.
|
||||
f = a_n·x^n+a_{n-1}·x^{n-1}+ ⋯ + a_0∈ K[x]
|
||||
\end{equation*}
|
||||
ein solches Polynom ist, dann hat das normierte Polynom\footnote{Erinnerung:
|
||||
``normiert'' bedeutet, dass der Leitkoeffizient gleich 1 ist.}
|
||||
„normiert“ bedeutet, dass der Leitkoeffizient gleich 1 ist.}
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
\frac{1}{a_n}f = x^n+\frac{a_{n-1}}{a_n}·x^{n-1} + ⋯ + \frac{a_0}{a_n}∈ K[x]
|
||||
\end{equation*}
|
||||
@@ -194,9 +191,9 @@ Grad von $f_1$!
|
||||
\end{defn}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}
|
||||
Betrachte die Erweiterung $ℂ/ℚ$ und $a = \sqrt[3]{2}$. Dann ist
|
||||
$[a:ℚ] ≤ 3$, denn $a$ ist Nullstelle des Polynoms
|
||||
$f(x) = x³-2 ∈ ℚ[x]$. Aber ist $f$ auch das Minimalpolynom?
|
||||
Betrachte die Erweiterung $ℂ/ℚ$ und $a = \sqrt[3]{2}$. Dann ist $[a:ℚ] ≤ 3$,
|
||||
denn $a$ ist Nullstelle des Polynoms $f(x) = x³-2 ∈ ℚ[x]$. Aber ist $f$ auch
|
||||
das Minimalpolynom?
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}
|
||||
@@ -209,9 +206,9 @@ Grad von $f_1$!
|
||||
\end{beobachtung}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}[Adjunktion einer Quadratwurzel]
|
||||
Es sei $L = ℂ$ und es sei $K$ ein Unterkörper (zum Beispiel $ℚ$). Weiter
|
||||
sei $b ∈ K$ und $a$ sei eine Quadratwurzel von $b$ (also: es gilt die
|
||||
Gleichung $a² = b$). Dann gilt
|
||||
Es sei $L = ℂ$ und es sei $K$ ein Unterkörper (zum Beispiel $ℚ$). Weiter sei
|
||||
$b ∈ K$ und $a$ sei eine Quadratwurzel von $b$ (also: Es gilt die Gleichung
|
||||
$a² = b$). Dann gilt
|
||||
\[
|
||||
[a:K] =
|
||||
\left\{
|
||||
@@ -247,12 +244,12 @@ Definition.
|
||||
\end{defn}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}
|
||||
Es ist $[ℂ:ℝ] = 2$ und $[ℝ:ℚ] = ∞$, denn jeder
|
||||
endlich-dimensionale $ℚ$-Vektorraum wäre abzählbar.
|
||||
Es ist $[ℂ:ℝ] = 2$ und $[ℝ:ℚ] = ∞$, denn jeder endlich-dimensionale
|
||||
$ℚ$-Vektorraum wäre abzählbar.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
\begin{satz}[Grad von Körpererweiterungen und Grad von Elementen]\label{satz:3-5-4}
|
||||
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $a∈ L$. Dann gilt die
|
||||
\begin{satz}[Grad von Körpererweiterungen und Grad von Elementen]\label{satz:3-5-4}%
|
||||
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $a ∈ L$. Dann gilt die
|
||||
Gleichheit $[a: K] = [K(a):K]$.\sideremark{Vorlesung 3}
|
||||
\end{satz}
|
||||
\begin{proof}
|
||||
@@ -264,11 +261,11 @@ Beweis von Satz~\ref{satz:3-5-4}; wir wiederholen die Argumentation deshalb an
|
||||
dieser Stelle nicht.
|
||||
|
||||
\begin{kor}
|
||||
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $a∈ L$. Falls $[a:K] < ∞$
|
||||
ist, dann ist $K(a)$ algebraisch über $K$. \qed
|
||||
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $a∈ L$. Falls $[a:K] < ∞$ ist,
|
||||
dann ist $K(a)$ algebraisch über $K$. \qed
|
||||
\end{kor}
|
||||
|
||||
\begin{kor}\label{kro:eord}
|
||||
\begin{kor}\label{kro:eord}%
|
||||
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $a∈L$ algebraisch über $K$, vom
|
||||
Grad $n$. Dann kann jedes Element $b ∈ K(a)$ geschrieben werden als
|
||||
\[
|
||||
@@ -278,10 +275,10 @@ dieser Stelle nicht.
|
||||
\end{kor}
|
||||
|
||||
Korollar~\ref{kro:eord} ist Ihnen im Spezialfall der Körpererweiterung $ℂ/ℝ$
|
||||
schon bekannt: Jede komplexe Zahl $b$ kann geschrieben werden als
|
||||
$b = c_0 + c_1·i$, wobei $c_0$ und $c_1$ reelle Zahlen sind. Das ist ziemlich
|
||||
nützlich! Korollar~\ref{kro:eord} erlaubt eine ganz ähnliche Beschreibung für
|
||||
beliebige einfache Körpererweiterungen.
|
||||
schon bekannt: Jede komplexe Zahl $b$ kann geschrieben werden als $b = c_0 +
|
||||
c_1·i$, wobei $c_0$ und $c_1$ reelle Zahlen sind. Das ist ziemlich nützlich!
|
||||
Korollar~\ref{kro:eord} erlaubt eine ganz ähnliche Beschreibung für beliebige
|
||||
einfache Körpererweiterungen.
|
||||
|
||||
|
||||
\section{Ketten von Körpererweiterungen}
|
||||
@@ -291,11 +288,10 @@ haben, und dann nach und nach einige Elemente eines Oberkörpers
|
||||
hinzuadjungieren. Wir erhalten so eine Kette von immer größer werdenden
|
||||
Oberkörpern. Die Frage ist, wie sich die Erweiterungsgrade verhalten.
|
||||
|
||||
\begin{satz}[Gradformel]\label{satz:3-6-1}
|
||||
\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
|
||||
$∞·∞ = ∞$ und $∞ ·n = ∞$ falls $n$ eine positive ganze Zahl ist.} die
|
||||
Gleichung
|
||||
Körpererweiterungen. Dann gilt\footnote{Wir verwenden die Konvention $∞·∞ = ∞$
|
||||
und $∞·n = ∞$, falls $n$ eine positive ganze Zahl ist.} die Gleichung
|
||||
\[
|
||||
[M:K] = [M:L]·[L:K].
|
||||
\]
|
||||
@@ -305,10 +301,9 @@ Oberkörpern. Die Frage ist, wie sich die Erweiterungsgrade verhalten.
|
||||
\end{proof}
|
||||
|
||||
\begin{kor}
|
||||
Es sei $K ⊆ L ⊆ M$ eine Kette von Körpererweiterungen. Wenn
|
||||
$[M:K]$ endlich ist, dann ist $[L:K]$ endlich, und sogar ein Teiler von
|
||||
$[M:K]$. Insbesondere gilt für jedes Element $a∈ L$, dass $[a:K]$ ein
|
||||
Teiler von $[M:K]$ ist. \qed
|
||||
Es sei $K ⊆ L ⊆ M$ eine Kette von Körpererweiterungen. Wenn $[M:K]$ endlich
|
||||
ist, dann ist $[L:K]$ endlich, und sogar ein Teiler von $[M:K]$. Insbesondere
|
||||
gilt für jedes Element $a∈ L$, dass $[a:K]$ ein Teiler von $[M:K]$ ist. \qed
|
||||
\end{kor}
|
||||
|
||||
\begin{kor}
|
||||
@@ -316,10 +311,11 @@ Oberkörpern. Die Frage ist, wie sich die Erweiterungsgrade verhalten.
|
||||
ist. Dann existiert ein Element $a ∈ L$, sodass $L = K(a)$ ist. \qed
|
||||
\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.
|
||||
\begin{kor}[Adjunktion von Quadratwurzeln]\label{kor:ajQ}%
|
||||
Es sei $K$ ein Körper, in dem das Element $2 := 1+1$ ungleich $0$ ist (zum
|
||||
Beispiel $K = ℚ$). 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 $a² = b$.
|
||||
|
||||
@@ -327,7 +323,8 @@ Oberkörpern. Die Frage ist, wie sich die Erweiterungsgrade verhalten.
|
||||
\end{itemize}
|
||||
\end{kor}
|
||||
\begin{proof}
|
||||
\video{3-4} -- beachten Sie die mit einer PDF-Annotation angebrachte Verbesserung im Skript des Beweises.
|
||||
\video{3-4} -- beachten Sie die mit einer PDF-Annotation angebrachte
|
||||
Verbesserung im Skript des Beweises.
|
||||
\end{proof}
|
||||
|
||||
Der folgende Satz fasst unsere Ergebnisse zusammen.
|
||||
@@ -338,18 +335,18 @@ Der folgende Satz fasst unsere Ergebnisse zusammen.
|
||||
\item\label{Satz_1_1_19_1} Es ist $[L:K] < ∞$.
|
||||
|
||||
\item\label{Satz_1_1_19_2} Die Körpererweiterung $L$ ist algebraisch über $K$
|
||||
und es gibt endlich viele Elemente $a_1, …, a_n∈ L$, sodass
|
||||
$L = K(a_1, …, a_n)$ ist.
|
||||
und es gibt endlich viele Elemente $a_1, …, a_n∈ L$, sodass $L = K(a_1, …,
|
||||
a_n)$ ist.
|
||||
|
||||
\item\label{Satz_1_1_19_3} Es gibt endlich viele Elemente $a_1, …, a_n ∈ L$,
|
||||
die algebraisch über $K$ sind und die Körpererweiterung $L$ erzeugen:
|
||||
$L = K(a_1, …, a_n)$.
|
||||
die algebraisch über $K$ sind und die Körpererweiterung $L$ erzeugen: $L =
|
||||
K(a_1, …, a_n)$.
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
\end{satz}
|
||||
\begin{proof}[Beweis Richtung \ref{Satz_1_1_19_1}$⇒$\ref{Satz_1_1_19_2}]
|
||||
Aus $[L:K] < ∞$ folgt für alle $a ∈ L$ sofort $[a:K] < ∞$, also
|
||||
sind alle diese Elemente algebraisch. Um $a_1, …, a_n$ zu finden, kann man
|
||||
zum Beispiel einfach eine Basis von $L$ als $K$-Vektorraum wählen.
|
||||
Aus $[L:K] < ∞$ folgt für alle $a ∈ L$ sofort $[a:K] < ∞$, also sind alle
|
||||
diese Elemente algebraisch. Um $a_1, …, a_n$ zu finden, kann man zum Beispiel
|
||||
einfach eine Basis von $L$ als $K$-Vektorraum wählen.
|
||||
\end{proof}
|
||||
|
||||
\begin{proof}[Beweis Richtung \ref{Satz_1_1_19_2}$⇒$\ref{Satz_1_1_19_3}]
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||||
@@ -357,15 +354,15 @@ Der folgende Satz fasst unsere Ergebnisse zusammen.
|
||||
\end{proof}
|
||||
|
||||
\begin{proof}[Beweis Richtung \ref{Satz_1_1_19_3}$⇒$\ref{Satz_1_1_19_1}]
|
||||
Sei $L = K(a_1, …, a_n)$. Betrachte die Körper $K_i := K(a_1, …, a_i)$ und die
|
||||
Kette von Erweiterungen
|
||||
Sei $L = K(a_1, …, a_n)$. Betrachte die Körper $K_i := K(a_1, …, a_i)$ und
|
||||
die Kette von Erweiterungen
|
||||
\[
|
||||
K = K_0 ⊆ K_1 ⊆ ⋯ ⊆ K_n = L.
|
||||
\]
|
||||
Dann gilt für jeden Index $i < n$ die Gleichung $K_{i+1} = K_i(a_{i+1})$;
|
||||
insbesondere ist per Annahme (``$a_{i+1}$ ist algebraisch über $K$'') und
|
||||
Satz~\ref{satz:3-5-4} die Erweiterung $K_{i+1}/K_i$ stets endlich. Wiederholte
|
||||
Anwendung von Satz~\ref{satz:3-6-1} liefert dann
|
||||
insbesondere ist per Annahme („$a_{i+1}$ ist algebraisch über $K$“) und
|
||||
Satz~\ref{satz:3-5-4} die Erweiterung $K_{i+1}/K_i$ stets endlich.
|
||||
Wiederholte Anwendung von Satz~\ref{satz:3-6-1} liefert dann
|
||||
\[
|
||||
[L:K] = \prod_{i=0}^{n-1} [K_{i+1}:K_i],
|
||||
\]
|
||||
@@ -378,9 +375,9 @@ Der folgende Satz fasst unsere Ergebnisse zusammen.
|
||||
Wir nennen zwei unmittelbare Folgerungen aus
|
||||
Satz~\ref{Satz_aequivalenzen_Koerpererweiterungen}, die so fundamental wichtig
|
||||
sind, dass sie einen eigenen Abschnitt verdienen. Der erste ist der Satz über
|
||||
die ``Transitivität der Algebraizität''.
|
||||
die „Transitivität der Algebraizität“.
|
||||
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||||
\begin{kor}[Transitivität der Algebraizität]\label{kor:TdA}
|
||||
\begin{kor}[Transitivität der Algebraizität]\label{kor:TdA}%
|
||||
Es seien $L/K$ und $M/L$ zwei algebraische Körpererweiterungen. Dann ist auch
|
||||
$M/K$ algebraisch.
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||||
\end{kor}
|
||||
@@ -413,9 +410,9 @@ die ``Transitivität der Algebraizität''.
|
||||
von $ℂ$. \qed
|
||||
\end{kor}
|
||||
|
||||
\begin{warnung}[``Algebraischer Abschluss'' und ``Algebraischer Abschluss in Oberkörper'']\label{war:ababio}
|
||||
\begin{warnung}[``Algebraischer Abschluss'' und ``Algebraischer Abschluss in Oberkörper'']\label{war:ababio}%
|
||||
Gegeben einen Körper $K$, werden wir später noch einen weiteren Begriff von
|
||||
``algebraischem Abschluss'' diskutieren, der nicht von der Wahl eines
|
||||
„algebraischem Abschluss“ diskutieren, der nicht von der Wahl eines
|
||||
Oberkörpers abhängt. Ganz wichtig: diese Begriffe bitte nicht verwechseln!
|
||||
\end{warnung}
|
||||
|
||||
|
65
04.tex
65
04.tex
@@ -14,21 +14,21 @@ Für Gleichungen 3.\ und 4.\ Grades haben italienische Mathematiker der
|
||||
Renaissance komplizierte Formeln gefunden. In der westlichen Welt wurden diese
|
||||
Formeln erstmals 1545 von Gerolamo
|
||||
Cardano\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Gerolamo_Cardano}{Gerolamo
|
||||
Cardano}, auch Geronimo oder Girolamo Cardano (von Mailand) sowie Cardan,
|
||||
lateinisch Hieronymus Cardanus (Mediolanensis) (* 24. September 1501 in Pavia;
|
||||
† 21. September 1576 in Rom), war ein italienischer Arzt, Philosoph und
|
||||
Mathematiker und zählt zu den Renaissance-Humanisten.} in seinem Buch
|
||||
Cardano}, auch Geronimo oder Girolamo Cardano (von Mailand) sowie Cardan,
|
||||
lateinisch Hieronymus Cardanus (Mediolanensis) (* 24.~September 1501 in Pavia; †
|
||||
21.~September 1576 in Rom), war ein italienischer Arzt, Philosoph und
|
||||
Mathematiker und zählt zu den Renaissance-Humanisten.} in seinem Buch
|
||||
\cite{Cardano45} veröffentlicht. Die Lösungsformeln für reduzierte kubischen
|
||||
Gleichungen wurden wohl von Nicolo
|
||||
Tartaglia\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Niccolo_Tartaglia}{Niccolò
|
||||
Tartaglia} (* 1499 oder 1500 in Brescia, Italien; † 13. Dezember 1557 in
|
||||
Venedig) war ein venezianischer Mathematiker der Renaissance, der für seine
|
||||
Beiträge zur Lösung der kubischen Gleichung bekannt ist. } entdeckt; laut
|
||||
Tartaglia} (* 1499 oder 1500 in Brescia, Italien; † 13.~Dezember 1557 in
|
||||
Venedig) war ein venezianischer Mathematiker der Renaissance, der für seine
|
||||
Beiträge zur Lösung der kubischen Gleichung bekannt ist. } entdeckt; laut
|
||||
Cardano sogar noch früher durch Scipione del
|
||||
Ferro\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Scipione_del_Ferro}{Scipione
|
||||
del Ferro} (* 6. Februar 1465 in Bologna; † 5. November 1526 ebenda) war ein
|
||||
italienischer Mathematiker. Seit 1496 war er Professor für Arithmetik und
|
||||
Geometrie an der Universität von Bologna. }.
|
||||
del Ferro} (* 6.~Februar 1465 in Bologna; † 5.~November 1526 ebenda) war ein
|
||||
italienischer Mathematiker. Seit 1496 war er Professor für Arithmetik und
|
||||
Geometrie an der Universität von Bologna.}.
|
||||
|
||||
\begin{bsp}
|
||||
Es seien $a$, $b$ und $c$ komplexe Zahlen. Gesucht sind komplexe Lösungen der
|
||||
@@ -52,54 +52,53 @@ Ferro\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Scipione_del_Ferro}{Scipione
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
Für Polynome vom Grad 5 wurde keine solche Formel gefunden. Das wirft Fragen
|
||||
auf. Waren die italienischen Mathematiker der Renaissance zu dumm? Gibt es eine
|
||||
solche Formel überhaupt? Die Frage war etliche Jahrhunderte offen. Tatsächlich
|
||||
ist die Frage ein wenig mit dem Konstruktionsproblem verwandt und durch die
|
||||
Theorie der Körpererweiterungen beantwortbar. Wir präzisieren die Fragestellung
|
||||
hier nur.
|
||||
auf. Waren die italienischen Mathematiker der Renaissance zu dumm? Gibt es
|
||||
eine solche Formel überhaupt? Die Frage war etliche Jahrhunderte offen.
|
||||
Tatsächlich ist die Frage ein wenig mit dem Konstruktionsproblem verwandt und
|
||||
durch die Theorie der Körpererweiterungen beantwortbar. Wir präzisieren die
|
||||
Fragestellung hier nur.
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Radikalerweiterung]\label{def:radikal}
|
||||
\begin{defn}[Radikalerweiterung]\label{def:radikal}%
|
||||
Eine Körpererweiterung $L/K$ heißt
|
||||
Radikalerweiterung\index{Radikalerweiterung} von $K$, wenn es Elemente
|
||||
$a_1, …, a_n∈ L$ und $r_1, …, r_n ∈ ℕ$ gibt, sodass Folgendes gilt.
|
||||
Radikalerweiterung\index{Radikalerweiterung} von $K$, wenn es Elemente $a_1,
|
||||
…, a_n∈ L$ und $r_1, …, r_n ∈ ℕ$ gibt, sodass Folgendes gilt.
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item Es ist $L = K(a_1, …, a_n)$.
|
||||
|
||||
\item Es ist $a_1^{r_1} ∈ K$, und für alle Indizes $1 < i ≤ n$ ist
|
||||
$a_i^{r_i} ∈ K(a_1, …, a_{i-1})$.
|
||||
\item Es ist $a_1^{r_1} ∈ K$, und für alle Indizes $1 < i ≤ n$ ist $a_i^{r_i}
|
||||
∈ K(a_1, …, a_{i-1})$.
|
||||
\end{itemize}
|
||||
\end{defn}
|
||||
|
||||
Erklärung: die Definition der Radikalerweiterung sagt also, dass $a_1$ die
|
||||
$r_1$-te Wurzel eines Elements aus $K$, dass $a_2$ die $r_2$-te Wurzel eines
|
||||
Elements aus $K(a_1)$, etc. Nach Korollar~\ref{kro:eord} können wir
|
||||
schreiben
|
||||
Elements aus $K(a_1)$, etc. Nach Korollar~\ref{kro:eord} können wir schreiben
|
||||
\begin{align*}
|
||||
K(a_1) & = K+ K· a_1+K· a_1²+\dots+ K· a_1^{r_1-1}\\
|
||||
K(a_1, a_2)&= K(a_1)+K(a_1)· a_2+ \dots + K(a_1)· a_2^{r_2-1}\\
|
||||
&\:\:\: \vdots \\
|
||||
K(a_1, …, a_n)&= K(a_1, …, a_{n-1})+K(a_1, …, a_{n-1})· a_n + \dots + K(a_1, …, a_{n-1})· a_n^{r_n-1}.
|
||||
\end{align*}
|
||||
Jedes Element von $L$ lässt sich also durch einen Ausdruck darstellen, in dem nur
|
||||
(höhere) Wurzeln und Elemente aus $K$ vorkommen.
|
||||
Jedes Element von $L$ lässt sich also durch einen Ausdruck darstellen, in dem
|
||||
nur (höhere) Wurzeln und Elemente aus $K$ vorkommen.
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Gleichung ist durch Radikale auflösbar]\label{def:gidra}
|
||||
Gegeben sei ein Körper $K$ und ein Polynom $f∈ K[x]$. Man sagt, die
|
||||
Gleichung $f(x) = 0$ ist \emph{durch Radikale Auflösbar}\index{Auflösbarkeit
|
||||
durch Radikale}, wenn es eine Radikalerweiterung $L/K$ gibt, in der $f$ eine
|
||||
\begin{defn}[Gleichung ist durch Radikale auflösbar]\label{def:gidra}%
|
||||
Gegeben sei ein Körper $K$ und ein Polynom $f∈ K[x]$. Man sagt, die Gleichung
|
||||
$f(x) = 0$ ist \emph{durch Radikale Auflösbar}\index{Auflösbarkeit durch
|
||||
Radikale}, wenn es eine Radikalerweiterung $L/K$ gibt, in der $f$ eine
|
||||
Nullstelle hat\footnote{Genauer: …, wenn es eine Radikalerweiterung $L/K$ gibt
|
||||
und ein Element $a ∈ L$, sodass $f(a)=0$ ist.}.
|
||||
\end{defn}
|
||||
|
||||
Bei der klassischen Frage nach den Lösungen von Polynomen interessiert uns unter
|
||||
anderem ob ein Polynom
|
||||
anderem, ob ein Polynom
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
f(x) = x^n+b_1·x^{n-1} + \dots + b_{n-1}·x + b_n ∈ ℂ[x]
|
||||
\end{equation*}
|
||||
über dem Körper $ℚ(b_1, …, b_n) ⊂ ℂ$ eine Lösung durch Radikale hat,
|
||||
das heißt, ob sich zumindest eine Nullstelle von $f$ durch Kombinationen von
|
||||
rationalen Zahlen, den Koeffizienten $b_i$ und (höheren) Wurzeln ausdrücken
|
||||
lässt -- falls nicht, braucht man auf eine Lösungsformel gar nicht zu hoffen.
|
||||
über dem Körper $ℚ(b_1, …, b_n) ⊂ ℂ$ eine Lösung durch Radikale hat, das heißt,
|
||||
ob sich zumindest eine Nullstelle von $f$ durch Kombinationen von rationalen
|
||||
Zahlen, den Koeffizienten $b_i$ und (höheren) Wurzeln ausdrücken lässt -- falls
|
||||
nicht, braucht man auf eine Lösungsformel gar nicht zu hoffen.
|
||||
|
||||
|
||||
%%% Local Variables:
|
||||
|
241
05.tex
241
05.tex
@@ -3,21 +3,16 @@
|
||||
|
||||
\chapter{Teilbarkeit}
|
||||
|
||||
Für dieses Kapitel haben wir Ihnen Beispiele auf unserem
|
||||
\href{https://sage.cplx.vm.uni-freiburg.de/share/}{Sage/CoCalc-Server}
|
||||
bereitgestellt.
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||||
|
||||
|
||||
\section{Wohin geht die Reise…?}
|
||||
\section{Wohin geht die Reise… ?}
|
||||
|
||||
In den letzten Vorlesungen ist hoffentlich klar geworden, dass der Begriff
|
||||
``Minimalpolynom'' schrecklich wichtig ist. Wir haben aber noch nie darüber
|
||||
„Minimalpolynom“ schrecklich wichtig ist. Wir haben aber noch nie darüber
|
||||
gesprochen, wie man ein Minimalpolynom überhaupt findet.
|
||||
|
||||
\begin{problem}
|
||||
Gegeben eine Körpererweiterung $L/K$, ein Element $a ∈ L$ und ein normiertes
|
||||
Polynom $f∈ K[x]$ mit $f(a)=0$. Wie kann ich entscheiden, ob $f$ das
|
||||
Minimalpolynom ist oder nicht.
|
||||
Minimalpolynom ist oder nicht?
|
||||
\end{problem}
|
||||
|
||||
Um solche Probleme anzugehen, untersuchen wir Polynomdivision und
|
||||
@@ -26,15 +21,15 @@ welche Richtung die Argumentation geht.
|
||||
|
||||
\begin{beobachtung}
|
||||
Sei $L/K$ eine Körpererweiterung, sei $a ∈ L$ ein Element, das algebraisch
|
||||
über $K$ ist und sei $f∈ K[x]$ das Minimalpolynom von $a$. Wenn jetzt
|
||||
$g(x) ∈ K[x]$ irgend ein anderes Polynom ist, dann haben wir in der Schule
|
||||
gelernt, dass wir das Polynom $g$ mit Rest durch $f$ teilen können. Am Ende
|
||||
schreibt man
|
||||
über $K$ ist und sei $f∈ K[x]$ das Minimalpolynom von $a$. Wenn jetzt $g(x) ∈
|
||||
K[x]$ irgendein anderes Polynom ist, dann haben wir in der Schule gelernt,
|
||||
dass wir das Polynom $g$ mit Rest durch $f$ teilen können. Am Ende schreibt
|
||||
man
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
g(x) = q(x)·f(x)+ r(x)
|
||||
g(x) = q(x)·f(x)+ r(x),
|
||||
\end{equation*}
|
||||
wobei $q, r ∈ K[x]$ sind und $\deg r < \deg f$ ist. Angenommen $g$ hat $a$ als
|
||||
Nullstelle. Dann gilt:
|
||||
wobei $q, r ∈ K[x]$ sind und $\deg r < \deg f$ ist. Angenommen $g$ hat $a$
|
||||
als Nullstelle. Dann gilt:
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
0 = \underbrace{g(a)}_{=0}=\underbrace{q(a)· f(a)}_{=0}-r(a).
|
||||
\end{equation*}
|
||||
@@ -50,11 +45,11 @@ welche Richtung die Argumentation geht.
|
||||
\section{Polynome mit Koeffizienten in Ringen}
|
||||
|
||||
Wieder müssen wir erst etwas Sprache einführen, bevor wir echte Mathematik
|
||||
machen können. Wir hatten in Definition~\vref{def:3-0-2} den ``Ring $K[x]$ der
|
||||
Polynome mit Koeffizienten im Körper $K$'' eingeführt. Das geht auch mit Ringen
|
||||
machen können. Wir hatten in Definition~\vref{def:3-0-2} den „Ring $K[x]$ der
|
||||
Polynome mit Koeffizienten im Körper $K$“ eingeführt. Das geht auch mit Ringen
|
||||
statt Körpern.
|
||||
|
||||
\begin{definition}[Polynomring]\label{def:3-0-2r}
|
||||
\begin{definition}[Polynomring]\label{def:3-0-2r}%
|
||||
Es sei $R$ ein kommutativer Ring. Dann bezeichne mit $R[x]$ den Ring der
|
||||
Polynome mit Variable $x$ und Koeffizienten aus $R$.\index{Polynomring!mit
|
||||
Koeffizienten aus Ring} Ebenso bezeichnen wir mit $R[x_1, …, x_n]$ den Ring
|
||||
@@ -62,8 +57,8 @@ statt Körpern.
|
||||
\end{definition}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}
|
||||
Betrachte den Ring $R = ℤ$. Dann ist $3·x²-5·x+17 ∈ ℤ[x]$ und
|
||||
$4x²+3xy+y⁷ ∈ ℤ[x,y]$.
|
||||
Betrachte den Ring $R = ℤ$. Dann ist $3·x²-5·x+17 ∈ ℤ[x]$ und $4x²+3xy+y⁷ ∈
|
||||
ℤ[x,y]$.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
\begin{beobachtung}
|
||||
@@ -79,11 +74,11 @@ Der Grad von Polynomen ist definiert wie üblich: Das Polynom
|
||||
$3xy+y+4x ∈ ℤ[x,y] $ hat beispielsweise den Grad $2$. In Integritätsringen
|
||||
verhält sich der Grad gut.
|
||||
|
||||
\begin{satz}\label{Satz_Polynom_Grad}
|
||||
\begin{satz}\label{Satz_Polynom_Grad}%
|
||||
Sei $R$ ein kommutativer Integritätsring. Dann gilt für alle
|
||||
Polynome\footnote{Das Nullpolynom hat per Definition den Grad $-∞$. Wir
|
||||
verwenden die Konvention $- ∞ + (- ∞) = -∞$ und $-∞ + n = - ∞$ für alle
|
||||
$n ≥ 0$.} $p$ und $q ∈ R[x]$:
|
||||
verwenden die Konvention $- ∞ + (- ∞) = -∞$ und $-∞ + n = - ∞$ für alle $n ≥
|
||||
0$.} $p$ und $q ∈ R[x]$:
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
\deg (p·q) = (\deg p)+(\deg q).
|
||||
\end{equation*}
|
||||
@@ -92,10 +87,10 @@ verhält sich der Grad gut.
|
||||
\begin{proof}
|
||||
Wir können ohne Beschränkung der Allgemeinheit annehmen, dass $p,q ≠ 0$. Sei
|
||||
$n := \deg p$ und $m := \deg q$. Dann finden wir Elemente $r_•$ und $s_•$ aus
|
||||
$R$ mit $r_n ≠ 0$ und $s_m≠ 0$, so dass wir schreiben können:
|
||||
$R$ mit $r_n ≠ 0$ und $s_m≠ 0$, sodass wir schreiben können:
|
||||
\begin{align*}
|
||||
p(x) & = r_0 + r_1·x + \dots + r_n·x^n \\
|
||||
q(x) & = s_0+ s_1· x + \dots + s_m· x^m
|
||||
q(x) & = s_0+ s_1· x + \dots + s_m· x^m.
|
||||
\end{align*}
|
||||
Dann ist weiter
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
@@ -106,9 +101,9 @@ verhält sich der Grad gut.
|
||||
\end{proof}
|
||||
|
||||
\begin{kor}
|
||||
Ist $R$ ein kommutativer Integritätsring und ist $n ∈ ℕ$, dann ist auch
|
||||
$R[x_1, …, x_n]$ ein kommutativer Integritätsring. Für die Gruppe der
|
||||
Einheiten gilt
|
||||
Ist $R$ ein kommutativer Integritätsring und ist $n ∈ ℕ$, 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*}
|
||||
@@ -117,9 +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
|
||||
\[
|
||||
\deg p ≤ \deg p + \deg q = \deg (p·q) = \deg 1 = 0.
|
||||
\]
|
||||
@@ -137,12 +132,12 @@ verhält sich der Grad gut.
|
||||
|
||||
\section{Teilbarkeit in Ringen}
|
||||
|
||||
In der (Grund-)schule haben wir den Begriff ``Teiler'' kennen gelernt. In
|
||||
In der (Grund-)Schule haben wir den Begriff „Teiler“ kennengelernt. In
|
||||
allgemeinen Ringen geht das nicht anders.
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Teiler]
|
||||
Es sei $R$ ein kommutativer Ring und es sei $r$, $s ∈ R$. Man nennt $r$ einen
|
||||
\emph{Teiler von $s$}\index{Teiler}, wenn es $q ∈ R$ gibt, so dass $r·q = s$
|
||||
\emph{Teiler von $s$}\index{Teiler}, wenn es $q ∈ R$ gibt, sodass $r·q = s$
|
||||
ist. Wir schreiben dann $r|s$.
|
||||
\end{defn}
|
||||
|
||||
@@ -171,7 +166,7 @@ allgemeinen Ringen geht das nicht anders.
|
||||
|
||||
Wenn wir in der Schule Teilbarkeitsüberlegungen in $ℤ$ angestellt hatten, war
|
||||
das Vorzeichnen meist nicht wichtig. Die folgende Definition formalisiert in
|
||||
bombastischer Sprache die Phrase ``unterscheidet sich nur um ein Vorzeichnen''.
|
||||
bombastischer Sprache die Phrase „unterscheidet sich nur um ein Vorzeichnen“.
|
||||
|
||||
\begin{satzdef}[Zueinander assoziierte Elemente]
|
||||
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring und es seien $r$, $s$ zwei
|
||||
@@ -179,19 +174,18 @@ bombastischer Sprache die Phrase ``unterscheidet sich nur um ein Vorzeichnen''.
|
||||
\begin{enumerate}
|
||||
\item\label{Satz_assoziiert_1} Es gilt gleichzeitig $r|s$ und $s|r$.
|
||||
|
||||
\item\label{Satz_assoziiert_2} Es existiert ein Element $ε ∈ R^*$, so dass
|
||||
\item\label{Satz_assoziiert_2} Es existiert ein Element $ε ∈ R^*$, sodass
|
||||
$ε·r=s$ ist.
|
||||
\end{enumerate}
|
||||
Sind die Bedingungen erfüllt, nennt man $r$ und $s$ \emph{zueinander
|
||||
assoziiert}\index{assoziierte Ringelemente} und schreibt $r \sim s$.
|
||||
\end{satzdef}
|
||||
\begin{proof}
|
||||
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 $u,v∈ R$ mit
|
||||
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
|
||||
$u,v∈ R$ mit
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
u· r=s \quad\text{und}\quad v· s=r.
|
||||
\end{equation*}
|
||||
@@ -209,7 +203,7 @@ Teiler.
|
||||
\begin{definition}[Echte Teiler, irreduzible Elemente]
|
||||
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring und $r$, $s ∈ R$ seien zwei
|
||||
Elemente. Dann ist $r$ ein \emph{echter Teiler von $s$}\index{echter
|
||||
Teiler}\index{Teiler!echter}, wenn alle der folgenden Bedingungen gelten
|
||||
Teiler}\index{Teiler!echter}, wenn alle der folgenden Bedingungen gelten.
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item Es gilt $r|s$.
|
||||
|
||||
@@ -233,26 +227,26 @@ Teiler.
|
||||
|
||||
\begin{warnung}
|
||||
Beispiel~\ref{bsp:iZ} ist ein bisschen gefährlich. Wir werden später für
|
||||
beliebige Ringe Ringe auch noch einen Begriff von ``Primelement'' definieren.
|
||||
beliebige Ringe auch noch einen Begriff von „Primelement“ definieren.
|
||||
\end{warnung}
|
||||
|
||||
|
||||
\section{Zerlegbarkeit von Elementen}
|
||||
|
||||
In der Schule wurde die Primfaktorzerlegung von ganzen Zahlen hoffentlich
|
||||
ausführlich diskutiert: jede ganze Zahl $m ∈ ℤ$ lässt sich als Produkt von
|
||||
irreduziblen Elementen (=so genannte ``Primzahlen'') schreiben,
|
||||
ausführlich diskutiert: Jede ganze Zahl $m ∈ ℤ$ lässt sich als Produkt von
|
||||
irreduziblen Elementen (=sogenannte „Primzahlen“) schreiben,
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
m= (± p_1)·(± p_2)⋯(± p_n),
|
||||
\end{equation*}
|
||||
wobei das Produkt bis auf die Reihenfolge der Faktoren und die Vorzeichen
|
||||
eindeutig festgelegt ist. So etwas hätten wir gern auch für beliebige Ringe!
|
||||
|
||||
\begin{warning}\label{war:nufd}
|
||||
\begin{warning}\label{war:nufd}%
|
||||
Zu früh gefreut. Geht nicht. Ich behaupte, dass die folgende Menge von
|
||||
komplexen Zahlen,
|
||||
\[
|
||||
R := \{ a+b·\sqrt{5}i ∈ ℂ \:|\: a,b ∈ ℤ\}.
|
||||
R := \{ a+b·\sqrt{5}i ∈ ℂ \:|\: a,b ∈ ℤ\},
|
||||
\]
|
||||
einen Unterring des Körpers $ℂ$ bildet; dieser wird in der Literatur oft mit
|
||||
$ℤ[\sqrt{-5}]$ bezeichnet. Ich behaupte auch, dass die Elemente
|
||||
@@ -274,35 +268,35 @@ eindeutig festgelegt ist. So etwas hätten wir gern auch für beliebige Ringe!
|
||||
eine Zerlegung in irreduzible Elemente gibt. Dazu sind folgende Definitionen
|
||||
relevant.
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Teilerkette für Elemente]\label{def:TK}
|
||||
\begin{defn}[Teilerkette für Elemente]\label{def:TK}%
|
||||
Es sei $R$ ein kommutativer Ring. Eine \emph{Teilerkette}\index{Teilerkette}
|
||||
in $R$ ist eine Folge von Elementen $(r_n)_{n∈ℕ}$ aus $R$, so dass für alle
|
||||
$n ∈ ℕ$ gilt: $r_{n+1}|r_n$.
|
||||
in $R$ ist eine Folge von Elementen $(r_n)_{n∈ℕ}$ aus $R$, sodass für alle $n
|
||||
∈ ℕ$ gilt: $r_{n+1}|r_n$.
|
||||
\end{defn}
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Teilerkettensatz für Elemente]\label{def:TKSE}
|
||||
\begin{defn}[Teilerkettensatz für Elemente]\label{def:TKSE}%
|
||||
Es sei $R$ ein kommutativer Ring. Man sagt \emph{in $R$ gilt der
|
||||
Teilerkettensatz für Elemente}\index{Teilerkettensatz!für Elemente}, wenn
|
||||
für jede Teilerkette $(r_n)_{n ∈ ℕ}$ ein $n_0∈ℕ$ existiert, so dass für alle
|
||||
$k ≥ n_0$ gilt: die Elemente $r_{k+1}$ und $r_k$ sind assoziiert.
|
||||
Teilerkettensatz für Elemente}\index{Teilerkettensatz!für Elemente}, wenn für
|
||||
jede Teilerkette $(r_n)_{n ∈ ℕ}$ ein $n_0∈ℕ$ existiert, sodass für alle $k ≥
|
||||
n_0$ gilt: Die Elemente $r_{k+1}$ und $r_k$ sind assoziiert.
|
||||
\end{defn}
|
||||
|
||||
\begin{rem}
|
||||
Die Forderung ``für alle $k ≥ n_0$ gilt $r_{k+1} \sim r_k$ sind
|
||||
assoziiert'' lässt sich auch so ausdrücken: es gibt nur endlich viele
|
||||
$n ∈ ℕ$, so dass $r_{n+1}$ ein echter Teiler von $r_n$ ist.
|
||||
Die Forderung „für alle $k ≥ n_0$ gilt $r_{k+1} \sim r_k$ sind assoziiert“
|
||||
lässt sich auch so ausdrücken: Es gibt nur endlich viele $n ∈ ℕ$, sodass
|
||||
$r_{n+1}$ ein echter Teiler von $r_n$ ist.
|
||||
\end{rem}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}
|
||||
In $ℤ$ gilt der Teilerkettensatz, denn wenn $r_n$ eine Teilerkette ist, dann
|
||||
gilt $|r_1| ≥ |r_2| ≥ ⋯$ und wenn $r_{n+1}$ ein echter Teiler von
|
||||
$r_{n}$ ist, dann ist $|r_n| > |r_{n+1}|$.
|
||||
gilt $|r_1| ≥ |r_2| ≥ ⋯$ und wenn $r_{n+1}$ ein echter Teiler von $r_n$ ist,
|
||||
dann ist $|r_n| > |r_{n+1}|$.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}
|
||||
Analog zur Situation in $ℤ$ kann man im Polynomring $K[x]$ über einem Körper
|
||||
$K$ schließen, dass der Teilerkettensatz gilt. Dazu betrachte man den Grad von
|
||||
Polynomen anstelle des Betrages.
|
||||
$K$ schließen, dass der Teilerkettensatz gilt. Dazu betrachte man den Grad
|
||||
von Polynomen anstelle des Betrages.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
\begin{warnung}
|
||||
@@ -312,17 +306,17 @@ relevant.
|
||||
|
||||
Der folgende Satz ist wirklich klassisch, er geht auf
|
||||
Euklid\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Euklid}{Euklid von
|
||||
Alexandria} war ein griechischer Mathematiker, der wahrscheinlich im 3.\
|
||||
Jahrhundert v.\ Chr.\ in Alexandria gelebt hat.} zurück. Der Beweis, den wir
|
||||
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
|
||||
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.
|
||||
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.
|
||||
|
||||
\begin{satz}\label{satz:tksgz}
|
||||
Es sei $R$ ein kommutativer Ring in dem der Teilerkettensatz für Elemente
|
||||
@@ -341,7 +335,7 @@ Nach dem Kriterium für die Existenz einer Zerlegung kommen wir jetzt zur Frage
|
||||
der Eindeutigkeit. Die Primfaktorzerlegung von ganzen Zahlen ist eindeutig bis
|
||||
auf Vorzeichen (=Multiplikation mit Einheiten) und Reihenfolge. Zwei
|
||||
Darstellungen, die sich nur in Reihenfolge und Einheiten unterscheiden, nenne
|
||||
wir ``äquivalent''.
|
||||
wir „äquivalent“.
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Äquivalente Zerlegungen]
|
||||
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring, es sei $r ∈ R$ ein Element und es
|
||||
@@ -351,7 +345,7 @@ wir ``äquivalent''.
|
||||
\]
|
||||
zwei Darstellungen von $r$ als Produkt von irreduziblen Elementen. Die
|
||||
Darstellungen heißen \emph{äquivalent}\index{äquivalente Darstellungen}, wenn
|
||||
gilt $n = m$ und wenn es eine Permutation $σ ∈ S_n$ gibt, so dass für alle
|
||||
gilt $n = m$ und wenn es eine Permutation $σ ∈ S_n$ gibt, sodass für alle
|
||||
Indizes gilt $p_i \sim q_{σ(i)}$.
|
||||
\end{defn}
|
||||
|
||||
@@ -367,7 +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}
|
||||
|
||||
@@ -380,7 +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}
|
||||
@@ -407,21 +401,20 @@ wichtig.
|
||||
a· b = p(q_1· q_2· p+ q_1· b_1+ q_2· a_1)+a_1· b_1,
|
||||
\end{equation*}
|
||||
also $p|(a_1· b_1)$. Betrachte jetzt die kleinste natürliche Zahl, die als
|
||||
Produkt $a· b$ geschrieben werden kann mit $p|(a· b)$ aber $p \nmid a$
|
||||
und $p \nmid b$. Nach der Untersuchung oben gilt: $1<a<p$ und $1<b<p$ also
|
||||
$1 < a· b < p²$. Sei $h=\frac{a· b}{p}∈ℤ$, also
|
||||
$p· h = a· b$. Dann gilt $1<h$, weil $p$ irreduzibel ist und $h<p$,
|
||||
weil $a· b <p²$. Sei nun $p^\prime$ ein positiver irreduzibler Faktor von
|
||||
$h$ (möglicherweise sogar $h$ selbst, wenn $h$ irreduzibel ist). Dann gilt
|
||||
natürlich auch $p^\prime< p$. Nach Wahl von $p$ (kleinste Zahl, die
|
||||
irreduzibel ist und nicht prim) ist $p^\prime$ prim. Da $p^\prime|h$,
|
||||
$h|(a· b)$ folgt $p^\prime|(a· b)$ und daraus folgt $p^\prime|a$ oder
|
||||
$p^\prime|b$.
|
||||
Produkt $a·b$ geschrieben werden kann, mit $p|(a· b)$ aber $p \nmid a$ und $p
|
||||
\nmid b$. Nach der Untersuchung oben gilt: $1<a<p$ und $1<b<p$ also $1 < a· b
|
||||
< p²$. Sei $h=\frac{a· b}{p}∈ℤ$, also $p· h = a· b$. Dann gilt $1<h$, weil
|
||||
$p$ irreduzibel ist und $h<p$, weil $a· b <p²$. Sei nun $p^\prime$ ein
|
||||
positiver irreduzibler Faktor von $h$ (möglicherweise sogar $h$ selbst, wenn
|
||||
$h$ irreduzibel ist). Dann gilt natürlich auch $p^\prime< p$. Nach Wahl von
|
||||
$p$ (kleinste Zahl, die irreduzibel ist und nicht prim) ist $p^\prime$ prim.
|
||||
Da $p^\prime|h$, $h|(a· b)$ folgt $p^\prime|(a· b)$ und daraus folgt
|
||||
$p^\prime|a$ oder $p^\prime|b$.
|
||||
|
||||
Ohne Einschränkung nehmen wir an, dass $p^\prime|a$ gilt. Dann ist
|
||||
$a=p^\prime· a^\prime$ und $h=p^\prime· h^\prime$ und somit
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
p^\prime· h^\prime· p=p^\prime· a^\prime· b\quad⇒\quad h^\prime· p= a^\prime· b
|
||||
p^\prime· h^\prime· p=p^\prime· a^\prime· b\quad⇒\quad h^\prime· p= a^\prime·b.
|
||||
\end{equation*}
|
||||
Weil $a^\prime· b< a· b$ ist, folgt $p|a^\prime$ oder $p|b$ nach Wahl
|
||||
von $a· b$. Es folgt $p|a$ oder $p|b$, Widerspruch!
|
||||
@@ -467,7 +460,7 @@ wichtig.
|
||||
\end{definition}
|
||||
|
||||
\begin{rem}
|
||||
In der Literatur findet man statt ``faktoriell'' manchmal auch die Adjektive
|
||||
In der Literatur findet man statt „faktoriell“ manchmal auch die Adjektive
|
||||
\emph{ZPE}\index{ZPE} (= \textbf{Z}erlegung in \textbf{P}rimelemente ist
|
||||
\textbf{E}indeutig) oder \emph{UFD}\index{UFD} (= \textbf{U}nique
|
||||
\textbf{F}actorization \textbf{D}omain).
|
||||
@@ -484,7 +477,7 @@ wichtig.
|
||||
|
||||
Weitere Beispiele lassen sich mit dem folgenden Satz finden.
|
||||
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||||
\begin{satz}[Satz von Gauß\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Carl_Friedrich_Gauss}{Johann Carl Friedrich Gauß} (* 30. April 1777 in Braunschweig; † 23. Februar 1855 in Göttingen) war ein deutscher Mathematiker, Statistiker, Astronom, Geodät und Physiker.}]\label{Satz_Satz_von_Gauss}
|
||||
\begin{satz}[Satz von Gauß\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Carl_Friedrich_Gauss}{Johann Carl Friedrich Gauß} (* 30.~April 1777 in Braunschweig; † 23.~Februar 1855 in Göttingen) war ein deutscher Mathematiker, Statistiker, Astronom, Geodät und Physiker.}]\label{Satz_Satz_von_Gauss}
|
||||
Es sei $R$ ein faktorieller Ring. Dann ist auch der Polynomring
|
||||
$R[x_1, …, x_n]$ faktoriell.
|
||||
\end{satz}
|
||||
@@ -496,7 +489,7 @@ Weitere Beispiele lassen sich mit dem folgenden Satz finden.
|
||||
Der Beweis des Satzes von Gauß verwendet folgendes Lemma.\sideremark{Vorlesung
|
||||
6}
|
||||
|
||||
\begin{lem}\label{Lemma_Hilfslemma}
|
||||
\begin{lem}\label{Lemma_Hilfslemma}%
|
||||
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring. Ist $p ∈ R$ ein Primelement,
|
||||
dann ist $p$ auch im Polynomring $R[x]$ prim.
|
||||
\end{lem}
|
||||
@@ -512,26 +505,26 @@ Der Beweis des Satzes von Gauß verwendet folgendes Lemma.\sideremark{Vorlesung
|
||||
\section{Primfaktorzerlegung}
|
||||
|
||||
Wenn $R$ ein faktorieller Ring ist, dann haben wir schon gesehen, dass ich jedes
|
||||
Element auf ``nahezu eindeutige Weise'' als Produkt von Primelementen schreiben
|
||||
kann. So ist die Zahl $6 ∈ ℤ$ als $6 = 3·2$ oder $6 = (-3)·(-2)$
|
||||
darstellbar. Natürlich würde aber niemand freiwillig negative Zahlen verwenden,
|
||||
denn wir finden positive Zahlen wesentlich angenehmer als negative. Eine
|
||||
derartige Konvention kann man auch in beliebigen Ringen verwenden.
|
||||
Element auf „nahezu eindeutige Weise“ als Produkt von Primelementen schreiben
|
||||
kann. So ist die Zahl $6 ∈ ℤ$ als $6 = 3·2$ oder $6 = (-3)·(-2)$ darstellbar.
|
||||
Natürlich würde aber niemand freiwillig negative Zahlen verwenden, denn wir
|
||||
finden positive Zahlen wesentlich angenehmer als negative. Eine derartige
|
||||
Konvention kann man auch in beliebigen Ringen verwenden.
|
||||
|
||||
Gegeben ein Ring $R$, dann ist die Relation ``äquivalent'' eine
|
||||
Äquivalenzrelation auf der Menge der Primelemente und zerlegt diese Menge
|
||||
deshalb in Äquivalenzklassen. Um die Produktdarstellung noch etwas einfacher zu
|
||||
machen, müssen wir aus jeder Äquivalenzklasse einen Vertreter auswählen. Dann
|
||||
sind wir in der folgenden Situation.
|
||||
Gegeben ein Ring $R$, dann ist die Relation „äquivalent“ eine Äquivalenzrelation
|
||||
auf der Menge der Primelemente und zerlegt diese Menge deshalb in
|
||||
Äquivalenzklassen. Um die Produktdarstellung noch etwas einfacher zu machen,
|
||||
müssen wir aus jeder Äquivalenzklasse einen Vertreter auswählen. Dann sind wir
|
||||
in der folgenden Situation.
|
||||
|
||||
\begin{situation}\label{sit:5-5-1}
|
||||
\begin{situation}\label{sit:5-5-1}%
|
||||
Es sei $R$ ein faktorieller Ring und $(p_i)_{i ∈ I}$ sei ein
|
||||
Repräsentantensystem von zueinander assoziierten Primelementen (das bedeutet:
|
||||
für jedes Primelement $p ∈ R$ gibt es genau einen Index $i$, so dass
|
||||
$p \sim p_i$ ist).
|
||||
für jedes Primelement $p ∈ R$ gibt es genau einen Index $i$, sodass $p \sim
|
||||
p_i$ ist).
|
||||
\end{situation}
|
||||
|
||||
Ein ``Repräsentantensystem von zueinander assoziierten Primelementen'' existiert
|
||||
Ein „Repräsentantensystem von zueinander assoziierten Primelementen“ existiert
|
||||
wegen des Auswahlaxioms natürlich immer, aber manchmal gibt es besonders
|
||||
einleuchtende Wahlen.
|
||||
|
||||
@@ -551,7 +544,7 @@ einleuchtende Wahlen.
|
||||
r = ε·\prod_{i∈I} (p_i)^{ν_i}
|
||||
\end{equation*}
|
||||
wobei $ε ∈ R^*$ und $ν_i ∈ ℕ$ sind; außerdem sind alle bis auf endlich viele
|
||||
Exponenten gleich $0$. Dies Darstellung heißt \emph{normierte
|
||||
Exponenten gleich $0$. Diese Darstellung heißt \emph{normierte
|
||||
Primfaktorzerlegung}\index{normierte
|
||||
Primfaktorzerlegung}\index{Primfaktorzerlegung!normiert} von $r$ zum
|
||||
Repräsentantensystem $(p_i)_{i ∈ I}$.
|
||||
@@ -560,7 +553,7 @@ einleuchtende Wahlen.
|
||||
Hier ist nicht viel zu beweisen. Ist $r ∈ R^*$, so wähle $ε = r$ und setzt
|
||||
$ν_i = 0$ für alle $i$. Ansonsten zerlege $r$ in irreduzible Faktoren,
|
||||
$r = p'_{i_1}⋯p'_{i_n}$. Jeder Faktor $p'_{i_j}$ ist zu einem der $p_{i_j}$
|
||||
assoziiert, also gib es $ε_j ∈ R^*$, so dass $p'_{i_j} = ε_j·p_{i_j}$ ist.
|
||||
assoziiert, also gib es $ε_j ∈ R^*$, sodass $p'_{i_j} = ε_j·p_{i_j}$ ist.
|
||||
Setze $ε = \prod_{j=1}^n ε_j$ und fasse die Faktoren $p_•$, die mehrfach
|
||||
auftauchen, zusammen. Die Eindeutigkeit ist klar.
|
||||
\end{proof}
|
||||
@@ -581,7 +574,7 @@ sofort ablesen.
|
||||
gilt.
|
||||
|
||||
\item Es ist $r || s$ genau dann, wenn für alle $i∈I$ die Ungleichung
|
||||
$ν_i ≤ μ_i$ gilt und wenn zusätzlich ein $j∈I$ existiert, so dass
|
||||
$ν_i ≤ μ_i$ gilt und wenn zusätzlich ein $j∈I$ existiert, sodass
|
||||
$ν_j < μ_j$ ist.
|
||||
|
||||
\item Es ist $r \sim s$ genau dann, wenn für alle $i∈I$ gilt, dass $ν_i = μ_i$
|
||||
@@ -593,14 +586,14 @@ sofort ablesen.
|
||||
\section{ggT und kgV}
|
||||
|
||||
Je nach Geburtsjahrgang haben Sie in Kindergarten, Vorschule, Grundschule,
|
||||
Gymnasium oder Studium den Begriff ``größter gemeinsamer Teiler'' und
|
||||
``kleinstes gemeinsames Vielfaches'' kennen gelernt. Auch diese Begriffe
|
||||
übertragen sich ohne weiteres auf Ringe.
|
||||
Gymnasium oder Studium den Begriff „größter gemeinsamer Teiler“ und „kleinstes
|
||||
gemeinsames Vielfaches“ kennengelernt. Auch diese Begriffe übertragen sich ohne
|
||||
weiteres auf Ringe.
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Größter gemeinsamer Teiler]
|
||||
Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit 1 und es seien $r,s∈ R$ zwei Elemente.
|
||||
Ein Element $g ∈ R$ heißt \emph{größter gemeinsamer Teiler\index{größter
|
||||
gemeinsamer Teiler} von $r$ und $s$} wenn Folgendes gilt.
|
||||
gemeinsamer Teiler} von $r$ und $s$}, wenn Folgendes gilt.
|
||||
\begin{itemize}
|
||||
\item Es ist $g|r$ und $g|s$.
|
||||
|
||||
@@ -612,11 +605,11 @@ Gymnasium oder Studium den Begriff ``größter gemeinsamer Teiler'' und
|
||||
\begin{defn}[Kleinstes gemeinsames Vielfaches]
|
||||
Sei $R$ ein kommutativer Ring mit 1 und es seien $r,s∈ R$ zwei Elemente. Ein
|
||||
Element $v ∈ R$ heißt \emph{kleines gemeinsames Vielfaches}\index{kleinstes
|
||||
gemeinsames Vielfaches} von $r$ und $s$ wenn Folgendes gilt.
|
||||
gemeinsames Vielfaches} von $r$ und $s$, wenn Folgendes gilt.
|
||||
\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}
|
||||
@@ -627,11 +620,11 @@ Gymnasium oder Studium den Begriff ``größter gemeinsamer Teiler'' und
|
||||
\end{definition}
|
||||
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||||
\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}
|
||||
@@ -665,7 +658,7 @@ keine Gedanken machen.
|
||||
\subsection{Der Euklidische Algorithmus}
|
||||
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||||
Die Primfaktorzerlegung eines Elementes in einem faktoriellen Ring zu bestimmen,
|
||||
ist fast immer sehr schwer. In manchen Ringen kann man aber das kgV bestimmen
|
||||
ist fast immer sehr schwer. In manchen Ringen kann man aber das kgV bestimmen,
|
||||
ohne die Primfaktorzerlegung explizit zu kennen.
|
||||
|
||||
\begin{bsp}\label{bsp:5-6-7}
|
||||
@@ -674,14 +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}\\
|
||||
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\\
|
||||
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}
|
||||
\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}
|
||||
|
34
06.tex
34
06.tex
@@ -1,7 +1,7 @@
|
||||
% spell checker language
|
||||
\selectlanguage{german}
|
||||
|
||||
\chapter{Der Quotientenkörper eines Integritätsringes}
|
||||
\chapter{Der Quotientenkörper eines Integritätsrings}
|
||||
|
||||
\section{Worum geht es?}
|
||||
|
||||
@@ -30,20 +30,20 @@ Quotientenkörper.
|
||||
Integritätsring an.
|
||||
\end{obs}
|
||||
|
||||
Die folgende Definition klärt ganz präzise, was wir mit einem ``möglichst
|
||||
kleinen Körper, der $R$ enthält'' eigentlich genau meinen. Wenn Sie bei mir die
|
||||
Vorlesung ``Lineare Algebra'' gehört haben, dann wird Ihnen die folgende
|
||||
Die folgende Definition klärt ganz präzise, was wir mit einem „möglichst kleinen
|
||||
Körper, der $R$ enthält“ eigentlich genau meinen. Wenn Sie bei mir die
|
||||
Vorlesung „Lineare Algebra“ gehört haben, dann wird Ihnen die folgende
|
||||
Definition sehr vertraut vorkommen. Falls nicht, ist jetzt die perfekte
|
||||
Gelegenheit, alles über ``universelle Eigenschaften'' zu lernen.
|
||||
Gelegenheit, alles über „universelle Eigenschaften“ zu lernen.
|
||||
|
||||
\begin{definition}[Quotientenkörper]
|
||||
Sei $R$ ein Integritätsring. Ein \emph{Quotientenkörper von
|
||||
$R$}\index{Quotientenkörper} ist ein Körper $K$ zusammen mit einem
|
||||
injektiven Ringhomomorphismus $ι : R → K$, sodass folgende universelle
|
||||
Eigenschaft gilt: Ist $j : R → L$ ein weiterer injektiver Ringhomomorphismus
|
||||
von $R$ in einem Körper $L$, dann existiert genau ein Ringhomomorphismus
|
||||
$h:K→ L$, sodass $j=h◦ i$ ist. Mit anderen Worten, es existiert genau ein
|
||||
Ringhomomorphismus, sodass das folgende Diagramm kommutiert,
|
||||
$R$}\index{Quotientenkörper} ist ein Körper $K$ zusammen mit einem injektiven
|
||||
Ringhomomorphismus $ι : R → K$, sodass folgende universelle Eigenschaft gilt:
|
||||
Ist $j : R → L$ ein weiterer injektiver Ringhomomorphismus von $R$ in einem
|
||||
Körper $L$, dann existiert genau ein Ringhomomorphismus $h:K→ L$, sodass $j=h◦
|
||||
i$ ist. Mit anderen Worten, es existiert genau ein Ringhomomorphismus, sodass
|
||||
das folgende Diagramm kommutiert,
|
||||
\[
|
||||
\begin{tikzcd}
|
||||
R \ar[r, hook, "ι"] \ar[d, equals] & K \ar[d, "∃ ! h"] \\
|
||||
@@ -93,15 +93,15 @@ Quotientenkörpers. Den folgenden Beweis sollten Sie genau verstehen!
|
||||
\end{proof}
|
||||
|
||||
Der Witz ist, dass die Abbildung $h$ aus Satz~\ref{satz:edvq} eindeutig gegeben
|
||||
ist. Die Aussage ``es existiert eine eindeutiger Morphismus'' ist eine viel
|
||||
bessere Aussage als ``es existiert irgendein Morphismus (dessen Konstruktion
|
||||
vielleicht von irgendwelchen Wahlen abhängt, die ich treffen muss)''. Das ist
|
||||
super-wichtig! Man sagt, ``Quotientenkörper sind eindeutig bis auf kanonische
|
||||
Isomorphie''.
|
||||
ist. Die Aussage „es existiert eine eindeutiger Morphismus“ ist eine viel
|
||||
bessere Aussage als „es existiert irgendein Morphismus (dessen Konstruktion
|
||||
vielleicht von irgendwelchen Wahlen abhängt, die ich treffen muss)“. Das ist
|
||||
super-wichtig! Man sagt, „Quotientenkörper sind eindeutig bis auf kanonische
|
||||
Isomorphie“.
|
||||
|
||||
\begin{notation}
|
||||
Obwohl Quotientenkörper nur bis auf kanonische Isomorphie eindeutig sind,
|
||||
spricht man oft von ``dem'' Quotientenkörper. Die Notation $Q(R)$ ist üblich.
|
||||
spricht man oft von „dem“ Quotientenkörper. Die Notation $Q(R)$ ist üblich.
|
||||
\end{notation}
|
||||
|
||||
\begin{satz}[Existenz von Quotientenkörpern]
|
||||
|
122
07.tex
122
07.tex
@@ -12,8 +12,8 @@ ist.
|
||||
|
||||
Für Polynome $f ∈ ℚ[x]$ werden wir die Frage nach der Irreduzibilität
|
||||
vollständig beantworten. Wir erinnern uns daran, wie die Frage nach der
|
||||
Konstruierbarkeit der ``Verdoppelung des Würfels'' mit der Frage zusammenhing,
|
||||
ob das Polynom $x³-2 ∈ ℚ[x]$ irreduzibel ist.
|
||||
Konstruierbarkeit der „Verdoppelung des Würfels“ mit der Frage zusammenhing, ob
|
||||
das Polynom $x³-2 ∈ ℚ[x]$ irreduzibel ist.
|
||||
|
||||
\begin{beobachtung}
|
||||
Im Ring $ℤ[x]$ sind Teilbarkeitsfragen oft durch Teilbarkeitsbetrachtungen der
|
||||
@@ -40,7 +40,7 @@ ob das Polynom $x³-2 ∈ ℚ[x]$ irreduzibel ist.
|
||||
Das folgende Irreduzibilitätskriterium von Gauß\index{Irreduzibilitätskriterium
|
||||
von Gauß} zeigt, dass $x³-2$ dann auch irreduzibel in $ℚ[x]$ ist!
|
||||
|
||||
\begin{satz}[Irreduzibilitätskriterium von Gauß]\label{satz:Irreduzibilitaetssatz_Gaus}
|
||||
\begin{satz}[Irreduzibilitätskriterium von Gauß]\label{satz:Irreduzibilitaetssatz_Gaus}%
|
||||
Es sei $R$ ein faktorieller Ring, es sei $K=Q(R)$ sein Quotientenkörper und es
|
||||
sei ein Polynom $f ∈ R[x]$ von positivem Grad gegeben. Wenn $f$ in $R[x]$
|
||||
irreduzibel ist, dann ist $f$ auch in $K[x]$ irreduzibel.
|
||||
@@ -49,18 +49,18 @@ Das folgende Irreduzibilitätskriterium von Gauß\index{Irreduzibilitätskriteri
|
||||
Als Vorbereitung zum Beweis zeigen wir erst einmal das folgende Lemma. Das
|
||||
Lemma zeigt auch, wie natürlich das Kriterium von Gauß ist.
|
||||
|
||||
\begin{lemma}\label{Lemma_zu_Irreduzibilitaetssatz}
|
||||
Sei $R$ ein faktorieller Ring, es sei $K = Q(R)$ der Quotientenkörper und
|
||||
$g ∈ K[x] ∖ \{0\}$ sei ein Polynom. Dann existiert ein $a∈ K∖ \{0\}$, sodass
|
||||
$a· g$ in $R[x]$ ist und sodass der $\ggT$ der Koeffizienten von $a· g$ gleich
|
||||
$1$ ist.
|
||||
\begin{lemma}\label{Lemma_zu_Irreduzibilitaetssatz}%
|
||||
Sei $R$ ein faktorieller Ring, es sei $K = Q(R)$ der Quotientenkörper und $g ∈
|
||||
K[x] ∖ \{0\}$ sei ein Polynom. Dann existiert ein $a∈ K∖ \{0\}$, sodass $a·
|
||||
g$ in $R[x]$ ist und sodass der $\ggT$ der Koeffizienten von $a· g$ gleich $1$
|
||||
ist.
|
||||
\end{lemma}
|
||||
|
||||
\begin{bemerkung}
|
||||
Wir hatten nur den $\ggT$ für zwei Elemente definiert, die Definition geht
|
||||
genau so für mehr als zwei Elemente. Für Polynome
|
||||
$a_0 + a_1·x + ⋯ + a_m·x^m ∈ R[x]$ ist die Bedingung $\ggT(a_0, …, a_m) = 1$
|
||||
notwendig, aber nicht hinreichend für die Irreduzibilität.
|
||||
genau so für mehr als zwei Elemente. Für Polynome $a_0 + a_1·x + ⋯ + a_m·x^m
|
||||
∈ R[x]$ ist die Bedingung $\ggT(a_0, …, a_m) = 1$ notwendig, aber nicht
|
||||
hinreichend für die Irreduzibilität.
|
||||
\end{bemerkung}
|
||||
|
||||
\begin{proof}[Beweis von Lemma~\ref{Lemma_zu_Irreduzibilitaetssatz}]
|
||||
@@ -81,21 +81,20 @@ in endlich vielen Rechenschritten entscheiden ($→$Klausur). Ein Verfahren sol
|
||||
jetzt ganz kurz skizziert werden. Den folgenden Satz kennen Sie vielleicht aus
|
||||
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}]
|
||||
\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 $K = ℚ$.}, 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.
|
||||
@@ -137,16 +136,16 @@ Frage nach der Irreduzibilität zwar beantworten, allerdings sind die nötigen
|
||||
Rechnungen ziemlich aufwändig (besonders bei Zeitdruck in einer Klausur!). Das
|
||||
folgende Kriterium von Theodor
|
||||
Schönemann\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Theodor_Sch\%C3\%B6nemann}{Theodor
|
||||
Schönemann} (* 4. April 1812 in Driesen, Friedebergischer Kreis; †
|
||||
16. Januar 1868 in Brandenburg an der Havel) war ein deutscher Mathematiker.},
|
||||
das in der Literatur durchgehend falsch mit ``Eisenstein-Kriterium''
|
||||
Schönemann} (* 4.~April 1812 in Driesen, Friedebergischer Kreis; † 16.~Januar
|
||||
1868 in Brandenburg an der Havel) war ein deutscher Mathematiker.}, das in der
|
||||
Literatur durchgehend falsch mit „Eisenstein-Kriterium“
|
||||
bezeichnet\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Gotthold_Eisenstein}{Ferdinand
|
||||
Gotthold Max Eisenstein} (* 16. April 1823 in Berlin; † 11. Oktober 1852
|
||||
ebenda) war ein deutscher Mathematiker, der hauptsächlich in der Zahlentheorie
|
||||
und über elliptische Funktionen arbeitete.} wird, ist oft viel schneller. Es
|
||||
ist so wichtig, dass es dazu sogar
|
||||
Gotthold Max Eisenstein} (* 16.~April 1823 in Berlin; † 11.~Oktober 1852 ebenda)
|
||||
war ein deutscher Mathematiker, der hauptsächlich in der Zahlentheorie und über
|
||||
elliptische Funktionen arbeitete.} wird, ist oft viel schneller. Es ist so
|
||||
wichtig, dass es dazu sogar
|
||||
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Eisensteinkriterium}{eine eigene Seite auf
|
||||
Wikipedia} gibt\index{Eisenstein-Kriterium}.
|
||||
Wikipedia} gibt\index{Eisenstein-Kriterium}.
|
||||
|
||||
\begin{satz}[Eisenstein Kriterium]\label{Satz_Eisenstein_Kriterium}
|
||||
Es sei $R$ ein faktorieller Ring und es sei
|
||||
@@ -163,7 +162,7 @@ ist so wichtig, dass es dazu sogar
|
||||
|
||||
\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}
|
||||
@@ -182,8 +181,8 @@ ist so wichtig, dass es dazu sogar
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
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.
|
||||
über einem faktoriellen Ring $R$ ist sicher dann irreduzibel, wenn $g(x_2, …,
|
||||
x_n)$ als Element von $R[x_2, …, x_n]$ irreduzibel ist.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -201,10 +200,10 @@ einen Ringmorphismus zu betrachten und folgendes Lemma anzuwenden.
|
||||
jetzt $\varphi(f) ∈ S$ irreduzibel ist, dann ist auch $f∈ R[x]$ irreduzibel.
|
||||
\end{lem}
|
||||
\begin{proof}
|
||||
Angenommen, $f$ wäre reduzibel. Dann können wir schreiben $f = g·h$, wobei $g$
|
||||
und $h$ jeweils keine Einheiten in $R[x]$ sind. Weil der größte gemeinsame
|
||||
Teiler der Koeffizienten gleich $1$ ist, müssen $g$ und $h$ jeweils positiven
|
||||
Grad haben. Die Gleichung
|
||||
Angenommen, $f$ wäre reduzibel. Dann können wir schreiben $f = g·h$, wobei
|
||||
$g$ und $h$ jeweils keine Einheiten in $R[x]$ sind. Weil der größte
|
||||
gemeinsame Teiler der Koeffizienten gleich $1$ ist, müssen $g$ und $h$ jeweils
|
||||
positiven Grad haben. Die Gleichung
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
\varphi(f) = \varphi(g)·\varphi(h)
|
||||
\end{equation*}
|
||||
@@ -214,20 +213,20 @@ einen Ringmorphismus zu betrachten und folgendes Lemma anzuwenden.
|
||||
Ringmorphismen, die man in der Praxis brauchen kann, entstehen oft auf die
|
||||
folgenden Weisen.
|
||||
\begin{description}
|
||||
\item[Anwenden eines Ringhomomorphismus auf die Koeffizienten:] Ist
|
||||
\item[Anwenden eines Ringhomomorphismus auf die Koeffizienten] Ist
|
||||
$\varphi : R → S$ ein Ringhomomorphismus, dann ist auch
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
Φ: R[x] → S[x], \quad \sum a_{ν} x^ν ↦ \sum\varphi(a_{ν})x^ν
|
||||
\end{equation*}
|
||||
ein Ringmorphismus.
|
||||
|
||||
\item[Einsetzungskomposition:]\index{Einsetzungskomposition} Es sei eine
|
||||
\item[Einsetzungskomposition]\index{Einsetzungskomposition} Es sei eine
|
||||
Abbildung $\varphi : R → S$ und es sei ein Element $t ∈ S$ gegeben. Setze
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
Φ : R[x] → S, \quad \sum a_{ν} x^ν ↦ \sum\varphi(a_{ν})t^ν
|
||||
\end{equation*}
|
||||
|
||||
\item[Substitutionsmorphismus:]\index{Substitutionsmorphismus} Es sei ein
|
||||
\item[Substitutionsmorphismus]\index{Substitutionsmorphismus} Es sei ein
|
||||
Element $a∈ R$ gegeben. Dann betrachte die Abbildung
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
Φ : R[x] → R[x], \quad \sum a_{ν} x^ν ↦ \sum a_{ν}(x-a)^ν.
|
||||
@@ -238,25 +237,42 @@ folgenden Weisen.
|
||||
|
||||
\begin{bsp}\label{bsp:7.2.7}
|
||||
Es sei $p ∈ ℤ$ eine Primzahl und es sei
|
||||
\begin{equation}\label{eq:Rechnungen_S68}
|
||||
\[
|
||||
f = x^{p-1}+x^{p-2}+ ⋯ + x+1 ∈ ℤ[x].
|
||||
\end{equation}
|
||||
Auf $f$ kann man das Eisenstein-Kriterium nicht direkt anwenden. Aber es gilt:
|
||||
\]
|
||||
Auf $f$ kann man das Eisenstein-Kriterium nicht direkt anwenden. Wir wollen
|
||||
den Substitutionsmorphismus $\varphi : ℤ[x] → ℤ[x]$, $x ↦ x+1$
|
||||
anwenden. Es ist
|
||||
\[
|
||||
\varphi(f) = (x+1)^{p-1}+(x+1)^{p-2}+ ⋯ + (x+1)+1 ∈ ℤ[x],
|
||||
\]
|
||||
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
|
||||
$1 ≤ ν < p$. Zusätzlich gilt $p² \nmid \binom{p}{1}=p$ und
|
||||
$\binom{p}{p}=1$. Also sind $\varphi(f)$ und $f$ in $ℚ[x]$ 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 $ℤ[x]$, denn es gilt Folgendes.
|
||||
\begin{itemize}
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||||
\item Für alle Zahlen $1 ≤ ν < p$ gilt $p|\binom{p}{ν}$.
|
||||
|
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\item Es ist $\binom{p}{1}=p$, also $p² \nmid \binom{p}{1}$.
|
||||
|
||||
\item Es ist $\binom{p}{p}=1$, sodass der ggT der Koeffizienten ganz sicher
|
||||
gleich eins ist.
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||||
\end{itemize}
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||||
Also sind $\varphi(f)$ und $f$ in $ℤ[x]$ jeweils irreduzibel. Nach
|
||||
Satz~\ref{satz:Irreduzibilitaetssatz_Gaus} („Irreduzibilitätskriterium von
|
||||
Gauß“) sind $\varphi(f)$ und $f$ dann auch im Polynomring
|
||||
$ℚ[x]$ irreduzibel.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
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40
08.tex
40
08.tex
@@ -17,8 +17,8 @@ Debatte war.
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Der nächste Satz stellt die Verbindung zwischen Körpertheorie und
|
||||
Konstruierbarkeit her. Die Formulierung des Satzes verwendet den Begriff
|
||||
``konjugierte Menge''. Dabei ist ``konjugiert'' wie immer nur eine bombastische
|
||||
Formulierung für ``an der reellen Achse gespiegelt''.
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||||
„konjugierte Menge“. Dabei ist „konjugiert“ wie immer nur eine bombastische
|
||||
Formulierung für „an der reellen Achse gespiegelt“.
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\begin{notation}[Konjungierte Menge]
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||||
Es sei $M ⊂ ℂ$ eine Menge. Dann betrachte die Menge
|
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@@ -29,14 +29,13 @@ Formulierung für ``an der reellen Achse gespiegelt''.
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||||
\begin{rem}
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||||
Im Fall, wo die Menge $M$ die Elemente $0$ und $1$ enthält, kann man die
|
||||
Spiegelung an der reellen Achse mit Zirkel und Lineal konstruieren. Damit ist
|
||||
klar, dass $\overline{M} ⊂ \Kons(M)$ ist. Es ist in diesem Fall auch
|
||||
klar, dass $i ∈ \Kons(M)$ ist.
|
||||
klar, dass $\overline{M} ⊂ \Kons(M)$ ist. Es ist in diesem Fall auch klar,
|
||||
dass $i ∈ \Kons(M)$ ist.
|
||||
\end{rem}
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||||
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||||
\begin{satz}[Hausaufgabe Blatt 2, Aufgabe 3]\label{Satz_von_Seite_69}
|
||||
Es sei $\{0,1 \} ⊂ M ⊂ ℂ$ und es sei $z ∈ \Kons(M)$. Sei weiter
|
||||
$K = ℚ(M ∪ \overline{M})$. Dann existiert eine Zahl $k ∈ ℕ$, sodass die
|
||||
Gleichheit
|
||||
\begin{satz}[Hausaufgabe Blatt 2, Aufgabe 3]\label{Satz_von_Seite_69}%
|
||||
Es sei $\{0,1 \} ⊂ M ⊂ ℂ$ und es sei $z ∈ \Kons(M)$. Sei weiter $K = ℚ(M ∪
|
||||
\overline{M})$. Dann existiert eine Zahl $k ∈ ℕ$, sodass die Gleichheit
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
[K(z) : K] = 2^k
|
||||
\end{equation*}
|
||||
@@ -47,9 +46,8 @@ Formulierung für ``an der reellen Achse gespiegelt''.
|
||||
|
||||
\section{Verdopplung des Würfels}
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|
||||
Das klassische Konstruktionsproblem ``Verdopplung des Würfels'' ist mit Zirkel
|
||||
und Lineal nicht möglich, denn mit $M := \{0,1\}$ ist
|
||||
$ℚ = ℚ(M ∪ \overline{M})$ und
|
||||
Das klassische Konstruktionsproblem „Verdopplung des Würfels“ ist mit Zirkel und
|
||||
Lineal nicht möglich, denn mit $M := \{0,1\}$ ist $ℚ = ℚ(M ∪ \overline{M})$ und
|
||||
\[
|
||||
[ℚ(\sqrt[3]{2}): ℚ ] = 3,
|
||||
\]
|
||||
@@ -62,7 +60,7 @@ $\sqrt[3]{2}$ ist.
|
||||
Bevor wir die Frage nach der Dreiteilung des Winkel abschließend beantworten,
|
||||
beweise ich zuerst ein Satz, der auch später noch von Interesse sein wird.
|
||||
|
||||
\begin{satz}\label{Satz_Vor_Dreiteilung_Zirkel_Lineal}
|
||||
\begin{satz}\label{Satz_Vor_Dreiteilung_Zirkel_Lineal}%
|
||||
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $a ∈ L$ ein über $K$
|
||||
transzendentes Element. Dann ist $K(a)$ isomorph zum Körper der
|
||||
gebrochen-rationalen Funktionen\footnote{Siehe Beispiel~\ref{bsp:2-3-3} im
|
||||
@@ -77,11 +75,11 @@ beweise ich zuerst ein Satz, der auch später noch von Interesse sein wird.
|
||||
|
||||
Damit lässt sich die Konstruierbarkeitsfrage ganz gut beantworten.
|
||||
|
||||
\begin{satz}\label{Satz_Dreiteilung_Zirkel_Lineal}
|
||||
\begin{satz}\label{Satz_Dreiteilung_Zirkel_Lineal}%
|
||||
Gegeben sei eine reelle Zahl $\varphi ∈ (0, 2·π)$. Falls $e^{i\varphi}$
|
||||
transzendent ist, dann ist
|
||||
$e^{(\varphi i)/3} \not ∈ \Kons(\{0,1, e^{\varphi i}\})$. Die Dreiteilung des
|
||||
Winkels $\varphi$ ist also mit Zirkel und Lineal nicht möglich.
|
||||
transzendent ist, dann ist $e^{(\varphi i)/3} \not ∈ \Kons(\{0,1, e^{\varphi
|
||||
i}\})$. Die Dreiteilung des Winkels $\varphi$ ist also mit Zirkel und Lineal
|
||||
nicht möglich.
|
||||
\end{satz}
|
||||
\begin{proof}
|
||||
\video{9-3}
|
||||
@@ -93,14 +91,14 @@ Damit lässt sich die Konstruierbarkeitsfrage ganz gut beantworten.
|
||||
Konstruktionsverfahren für die Dreiteilung des Winkels.
|
||||
\end{bemerkung}
|
||||
\begin{proof}
|
||||
Wenn $z=e^{i\varphi}$ algebraisch über $ℚ$ ist, dann ist auch
|
||||
$\overline{z} = e^{-i\varphi}$ algebraisch über $ℚ$, denn $z$ und
|
||||
$\overline{z}$ haben beide dasselbe Minimalpolynom. Also ist auch der Realteil
|
||||
Wenn $z=e^{i\varphi}$ algebraisch über $ℚ$ ist, dann ist auch $\overline{z} =
|
||||
e^{-i\varphi}$ algebraisch über $ℚ$, denn $z$ und $\overline{z}$ haben beide
|
||||
dasselbe Minimalpolynom. Also ist auch der Realteil
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
\operatorname{Re}(z) =\frac12(z+\overline{z})
|
||||
\end{equation*}
|
||||
algebraisch über $ℚ$. Das zeigt, dass die Menge $\varphi∈ (0,2π)$, für
|
||||
die $e^{i\varphi}$ transzendent ist, in $(0,2π)$ dicht ist.
|
||||
algebraisch über $ℚ$. Das zeigt, dass die Menge $\varphi∈ (0,2π)$, für die
|
||||
$e^{i\varphi}$ transzendent ist, in $(0,2π)$ dicht ist.
|
||||
\end{proof}
|
||||
|
||||
|
||||
|
124
09.tex
124
09.tex
@@ -4,25 +4,20 @@
|
||||
\chapter{Ideale}
|
||||
\label{chapt:09}
|
||||
|
||||
Für dieses Kapitel haben wir Ihnen Beispiele auf unserem
|
||||
\href{https://sage.cplx.vm.uni-freiburg.de/share/}{Sage/CoCalc-Server}
|
||||
bereitgestellt.
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||||
|
||||
\section{Wohin geht die Reise}
|
||||
\section{Wohin geht die Reise?}
|
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||||
Ich hatte schon am Ende des letzten Abschnittes geschrieben: um die Frage nach
|
||||
der Konstruierbarkeit des regelmäßigen $n$-Ecks vollständig entscheiden zu
|
||||
können, müssen wir die Symmetrien von Körpererweiterungen verstehen … und
|
||||
vielleicht irgendwann auch definieren, was mit ``Symmetrie einer
|
||||
Körpererweiterung'' gemeint sein soll. All das wird voraussetzen, dass wir
|
||||
vielleicht irgendwann auch definieren, was mit „Symmetrie einer
|
||||
Körpererweiterung“ gemeint sein soll. All das wird voraussetzen, dass wir
|
||||
Körpererweiterungen besser beschreiben. Die Idee ist die: gegeben eine
|
||||
einfache, algebraische Erweiterung $K(α)/K$ vom Grad $n$, dann wissen wir schon,
|
||||
dass wir alle Elemente des Oberkörpers $K(α)$ als Linearkombinationen der Form
|
||||
\[
|
||||
k_0 + k_1·α + k_2·α² + ⋯ k_{n-1}·α^{n-1}
|
||||
\]
|
||||
schreiben könne, wobei die $k_{•}$ geeignete Elemente des kleineren Körpers $K$
|
||||
schreiben könne, wobei die $k_•$ geeignete Elemente des kleineren Körpers $K$
|
||||
sind. Diese Einsicht ist natürlich extrem hilfreich --- wir kennen das von den
|
||||
komplexen Zahlen, die sich alle in der Form $k_0 + k_1·\sqrt{-1}$ schreiben
|
||||
lassen. Der Sachverhalt lässt sich auch anders formulieren: Der
|
||||
@@ -36,16 +31,16 @@ liegt es dann nahe, den Körper $K(α)$ als Quotient zu beschreiben,
|
||||
K(α) = \factor{K[x]}{\ker φ}.
|
||||
\end{equation}
|
||||
Diese Beschreibung\footnote{\label{foot:sage}Hatten Sie sich gewundert, warum
|
||||
SAGE eckige Klammern verwendet und den Körper ``$ℚ$ adjungiert $\sqrt{5}$''
|
||||
mit \texttt{QQ[sqrt(5)]} bezeichnet? Der Grund ist, das runde Klammern in der
|
||||
Programmiersprache Python schon eine andere Bedeutung haben.
|
||||
Gleichung~\eqref{eq:xx} zeigt aber, dass eckige Klammer in dieser Situation
|
||||
ganz sinnvoll sind.} wird sehr hilfreich sein, denn wir kommen mit dem
|
||||
vertrauten Polynomring $K[X]$ besser klar als mit dem etwas unheimlichen Körper
|
||||
$K(α)$. Um alles korrekt zu definieren, müssen wir uns aber erst noch einmal
|
||||
überlegen, was für eine Art von Objekt $\ker φ$ nun tatsächlich ist, und was
|
||||
``Quotient'' genau bedeuten soll. Ich nehme die Antwort gleich vorweg: Die
|
||||
Menge $\ker φ$ ist das typische Beispiel eines ``Ideals im Ring $K[x]$''.
|
||||
SAGE eckige Klammern verwendet und den Körper „$ℚ$ adjungiert $\sqrt{5}$“ mit
|
||||
\texttt{QQ[sqrt(5)]} bezeichnet? Der Grund ist, das runde Klammern in der
|
||||
Programmiersprache Python schon eine andere Bedeutung haben.
|
||||
Gleichung~\eqref{eq:xx} zeigt aber, dass eckige Klammer in dieser Situation ganz
|
||||
sinnvoll sind.} wird sehr hilfreich sein, denn wir kommen mit dem vertrauten
|
||||
Polynomring $K[X]$ besser klar als mit dem etwas unheimlichen Körper $K(α)$. Um
|
||||
alles korrekt zu definieren, müssen wir uns aber erst noch einmal überlegen, was
|
||||
für eine Art von Objekt $\ker φ$ nun tatsächlich ist, und was „Quotient“ genau
|
||||
bedeuten soll. Ich nehme die Antwort gleich vorweg: Die Menge $\ker φ$ ist das
|
||||
typische Beispiel eines „Ideals im Ring $K[x]$“.
|
||||
|
||||
|
||||
\section{Elementare Definitionen}
|
||||
@@ -75,23 +70,23 @@ Die technisch korrekte Definition eines Ideals ist jetzt die folgende.
|
||||
\begin{bemerkung}
|
||||
Der Name \emph{Ideal} geht auf
|
||||
Kummer\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Ernst_Eduard_Kummer}{Ernst
|
||||
Eduard Kummer} (* 29. Januar 1810 in Sorau, Niederlausitz; † 14. Mai 1893
|
||||
in Berlin) war ein deutscher Mathematiker und Hochschullehrer, der sich vor
|
||||
allem mit Zahlentheorie, Analysis und Geometrie befasste.} und
|
||||
Eduard Kummer} (* 29.~Januar 1810 in Sorau, Niederlausitz; † 14.~Mai 1893 in
|
||||
Berlin) war ein deutscher Mathematiker und Hochschullehrer, der sich vor allem
|
||||
mit Zahlentheorie, Analysis und Geometrie befasste.} und
|
||||
Dedekind\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Richard_Dedekind}{Julius
|
||||
Wilhelm Richard Dedekind} (* 6. Oktober 1831 in Braunschweig; †
|
||||
12. Februar 1916 ebenda) war ein deutscher Mathematiker.} zurück. Kummer
|
||||
hatte bei der Untersuchung der Teilbarkeit in gewissen nicht-faktoriellen
|
||||
Ringen wie $ℤ[\sqrt{-5}]$ gewisse \emph{ideale Zahlen} eingeführt. Dedekind
|
||||
hat dann den Idealbegriff geprägt.
|
||||
Wilhelm Richard Dedekind} (* 6.~Oktober 1831 in Braunschweig; † 12.~Februar
|
||||
1916 ebenda) war ein deutscher Mathematiker.} zurück. Kummer hatte bei der
|
||||
Untersuchung der Teilbarkeit in gewissen nicht-faktoriellen Ringen wie
|
||||
$ℤ[\sqrt{-5}]$ gewisse \emph{ideale Zahlen} eingeführt. Dedekind hat dann den
|
||||
Idealbegriff geprägt.
|
||||
\end{bemerkung}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}[Triviale Ideale]
|
||||
In jedem kommutativen Ring $R$ sind $I= \{0\}$ und $I=R$ trivialerweise
|
||||
Ideale. Wenn $R$ ein Körper ist, dann sind das auch die einzigen Ideale.
|
||||
Grund: wenn $R$ ein Körper und $I ⊂ R$ ein Ideal ist und $a ∈ I∖ \{0\}$, dann
|
||||
ist auch jedes andere Körperelement in $I$. Sei nämlich irgendein Element
|
||||
$r ∈ R$ gegeben. Nach Definition~\ref{def:ideal} ist
|
||||
ist auch jedes andere Körperelement in $I$. Sei nämlich irgendein Element $r
|
||||
∈ R$ gegeben. Nach Definition~\ref{def:ideal} ist
|
||||
\[
|
||||
r = (r·a^{-1})·a ∈ I.
|
||||
\]
|
||||
@@ -153,10 +148,10 @@ Die technisch korrekte Definition eines Ideals ist jetzt die folgende.
|
||||
V= \{ \vec{x} ∈ K^n \::\: f_1(\vec{x}) = ⋯ = f_n(\vec{x})=0 \}
|
||||
\]
|
||||
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 Sie
|
||||
\href{https://imaginary.org/gallery/surfer-gallery-by-bianca-violet}{hier} und
|
||||
\href{https://imaginary.org/gallery/oliver-labs}{hier} noch weitere schöne
|
||||
solches $V$ manchmal \emph{algebraische Varietät}\index{algebraische
|
||||
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.
|
||||
|
||||
Definiere dann das Ideal
|
||||
@@ -170,7 +165,7 @@ Die technisch korrekte Definition eines Ideals ist jetzt die folgende.
|
||||
In der \emph{Algebraischen Geometrie}, dem Gebiet auf dem ich und meine
|
||||
Mitarbeiter arbeiten, geht es darum, geometrische Räume mithilfe von
|
||||
algebraischen Objekten wie etwa Idealen zu beschreiben. Tatsächlich lässt sich
|
||||
ein fast vollständiges Wörterbuch ``Algebra $\leftrightarrow$ Geometrie''
|
||||
ein fast vollständiges Wörterbuch „Algebra $\leftrightarrow$ Geometrie“
|
||||
aufstellen.
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -179,8 +174,8 @@ aufstellen.
|
||||
\sideremark{Vorlesung 10}Es gibt noch eine andere, ganz wichtige Klasse von
|
||||
Beispielen, die wir in ähnlicher Form schon aus der linearen Algebra kennen.
|
||||
Gegeben einen $K$-Vektorraum $V$ und eine beliebige Teilmenge $M ⊂ V$, so
|
||||
betrachteten wir in der linearen Algebra den ``von $M$ erzeugten
|
||||
Untervektorraum'' und bezeichneten diesen Raum mit $\langle M \rangle_K$ oder
|
||||
betrachteten wir in der linearen Algebra den „von $M$ erzeugten Untervektorraum“
|
||||
und bezeichneten diesen Raum mit $\langle M \rangle_K$ oder
|
||||
$\operatorname{Span}(M)$. Per Definition gilt: Ein Vektor $\vec{v} ∈ V$ liegt
|
||||
genau dann in $\langle M \rangle_K$, wenn $\vec{v}$ sich als Linearkombination
|
||||
der Elemente von $M$ schreiben lässt. Wenn die Menge $M$ unendlich ist, was
|
||||
@@ -222,26 +217,27 @@ 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
|
||||
(a_1) = (a_2)& ⇔ a_1 \sim a_2.
|
||||
\end{align*}
|
||||
Die Hauptideale in $R$ entsprechen also eindeutig Klassen von zueinander
|
||||
assoziierten Elementen.
|
||||
\end{beobachtung}
|
||||
|
||||
\begin{warnung}
|
||||
Im Gegensatz zu Vektorräumen gibt es für Ideale keinen ``Basisaustauschsatz'',
|
||||
Im Gegensatz zu Vektorräumen gibt es für Ideale keinen „Basisaustauschsatz“,
|
||||
denn zum Beweis des Basisaustauschsatzes ist es absolut notwendig zu
|
||||
dividieren! Es ist nicht immer richtig, dass zwei minimale Erzeugendensysteme
|
||||
eines Ideals,
|
||||
\[
|
||||
I = (a_1, …, a_n) = (b_1, …, b_m),
|
||||
\]
|
||||
immer gleiche Mächtigkeit haben. Falls sie vorhatten, die ``Dimension'' eines
|
||||
Ideals zu definieren -- nice try!
|
||||
immer gleiche Mächtigkeit haben. Das geht schon im Ring $ℤ$ 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
|
||||
@@ -345,35 +341,33 @@ Satz sollte ihnen bekannt vorkommen.
|
||||
Angenommen, es gäbe eine nicht-leere Menge $M$ von Idealen aus $R$ ohne
|
||||
maximales Element. Dann gibt es zu jedem $I_0∈ M$ ein $I_1∈ M$ mit
|
||||
$I_0\subsetneqq I_1$, genau so mit $I_2,I_3,\dots$. Wir erhalten einen
|
||||
Widerspruch zur Annahme, dass der ``Teilerkettensatz für Ideale'' gilt.
|
||||
Widerspruch zur Annahme, dass der „Teilerkettensatz für Ideale“ gilt.
|
||||
|
||||
\item[\ref{Satz_Ideale_aequiv_3}$⇒$\ref{Satz_Ideale_aequiv_1}] Sei
|
||||
$I⊂ R$ ein Ideal und $M$ die Menge aller Ideale $J⊂ R$, die endlich erzeugt
|
||||
und in $I$ enthalten sind. Dann ist $M$ nicht leer, denn $(0) ∈ M$. Also
|
||||
gibt es per Annahme ein maximales Element $J∈ M$. Nach Annahme ist $J$
|
||||
endlich erzeugt, also $J = (a_1, …, a_n)$ und wir müssen zeigen, dass
|
||||
$J = I$ ist. Wenn es aber ein $b ∈ I∖J$ gäbe, dann wäre
|
||||
$(a_1, …, a_n,b) ∈ M$ ein Ideal, das $J$ enthält. Ein Widerspruch zur
|
||||
Annahme. \qedhere
|
||||
\item[\ref{Satz_Ideale_aequiv_3}$⇒$\ref{Satz_Ideale_aequiv_1}] Sei $I⊂ R$ ein
|
||||
Ideal und $M$ die Menge aller Ideale $J⊂ R$, die endlich erzeugt und in $I$
|
||||
enthalten sind. Dann ist $M$ nicht leer, denn $(0) ∈ M$. Also gibt es per
|
||||
Annahme ein maximales Element $J∈ M$. Nach Annahme ist $J$ endlich erzeugt,
|
||||
also $J = (a_1, …, a_n)$ und wir müssen zeigen, dass $J = I$ ist. Wenn es
|
||||
aber ein $b ∈ I∖J$ gäbe, dann wäre $(a_1, …, a_n,b) ∈ M$ ein Ideal, das $J$
|
||||
enthält. Ein Widerspruch zur Annahme. \qedhere
|
||||
\end{description}
|
||||
\end{proof}
|
||||
|
||||
Der folgende Satz von David
|
||||
Hilbert\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/David_Hilbert}{David
|
||||
Hilbert} (* 23. Januar 1862 in Königsberg; † 14. Februar 1943 in
|
||||
Göttingen) war ein deutscher Mathematiker. Er gilt als einer der
|
||||
bedeutendsten Mathematiker der Neuzeit. Viele seiner Arbeiten auf dem Gebiet
|
||||
der Mathematik und mathematischen Physik begründeten eigenständige
|
||||
Forschungsgebiete. Mit seinen Vorschlägen begründete er die bis heute
|
||||
bedeutsame formalistische Auffassung von den Grundlagen der Mathematik und
|
||||
veranlasste eine kritische Analyse der Begriffsdefinitionen der Mathematik und
|
||||
des mathematischen Beweises. Diese Analysen führten zum Gödelschen
|
||||
Unvollständigkeitssatz, der unter anderem zeigt, dass das Hilbertprogramm, die
|
||||
von ihm angestrebte vollständige Axiomatisierung der Mathematik, nicht
|
||||
gänzlich erfüllt werden kann. Hilberts programmatische Rede auf dem
|
||||
internationalen Mathematikerkongress in Paris im Jahre 1900, in der er eine
|
||||
Liste von 23 mathematischen Problemen vorstellte, beeinflusste die
|
||||
mathematische Forschung des 20. Jahrhunderts nachhaltig.} ähnelt formell dem
|
||||
Hilbert} (* 23.~Januar 1862 in Königsberg; † 14.~Februar 1943 in Göttingen) war
|
||||
ein deutscher Mathematiker. Er gilt als einer der bedeutendsten Mathematiker
|
||||
der Neuzeit. Viele seiner Arbeiten auf dem Gebiet der Mathematik und
|
||||
mathematischen Physik begründeten eigenständige Forschungsgebiete. Mit seinen
|
||||
Vorschlägen begründete er die bis heute bedeutsame formalistische Auffassung von
|
||||
den Grundlagen der Mathematik und veranlasste eine kritische Analyse der
|
||||
Begriffsdefinitionen der Mathematik und des mathematischen Beweises. Diese
|
||||
Analysen führten zum Gödelschen Unvollständigkeitssatz, der unter anderem zeigt,
|
||||
dass das Hilbertprogramm, die von ihm angestrebte vollständige Axiomatisierung
|
||||
der Mathematik, nicht gänzlich erfüllt werden kann. Hilberts programmatische
|
||||
Rede auf dem internationalen Mathematikerkongress in Paris im Jahre 1900, in der
|
||||
er eine Liste von 23 mathematischen Problemen vorstellte, beeinflusste die
|
||||
mathematische Forschung des 20. Jahrhunderts nachhaltig.} ähnelt formell dem
|
||||
Satz~\ref{Satz_Satz_von_Gauss} von Gauß und ist mindestens genauso wichtig.
|
||||
Historisch war der Satz ein Meilenstein. Hilbert's Beweis erregte auch deshalb
|
||||
großes Aufsehen, weil die Existenz eines endlichen Erzeugendensystems mithilfe
|
||||
|
101
10.tex
101
10.tex
@@ -3,25 +3,21 @@
|
||||
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\chapter{Restklassenringe}
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\sideremark{Vorlesung 11}Für dieses Kapitel haben wir Ihnen Beispiele auf
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unserem \href{https://sage.cplx.vm.uni-freiburg.de/share/}{Sage/CoCalc-Server}
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bereitgestellt.
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Ich hatte am Anfang von Kapitel~\ref{chapt:09} schon gesagt, warum wir uns für
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Ideale interessieren: Wir wollen --ähnlich wie bei der Konstruktion des
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Quotientenvektoraumes in der Linearen Algebra-- einen Quotienten von Ringen
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konstruieren. Ich weiß aus Erfahrung, dass viele Studierende ihre Probleme mit
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``Quotientenvektorräumen'' haben und nutze an dieser Stelle normalerweise die
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Gelegenheit, um mit der Konstruktion des Restklassenringes die Begriffe und
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Beweistechniken noch einmal zu wiederholen. In diesem Semester geht das nicht,
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denn das Semester ist deutlich kürzer als in normalen Jahren. Ich verzichte
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deshalb im Folgenden sehr oft auf Beweise und behaupte, dass ``alles genau so
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geht, wie in der Linearen Algebra''.
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\sideremark{Vorlesung 11}Ich hatte am Anfang von Kapitel~\ref{chapt:09} schon
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gesagt, warum wir uns für Ideale interessieren: Wir wollen --ähnlich wie bei der
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Konstruktion des Quotientenvektoraumes in der Linearen Algebra-- einen
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Quotienten von Ringen konstruieren. Ich weiß aus Erfahrung, dass viele
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Studierende ihre Probleme mit „Quotientenvektorräumen“ haben und nutze an dieser
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Stelle normalerweise die Gelegenheit, um mit der Konstruktion des
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Restklassenringes die Begriffe und Beweistechniken noch einmal zu wiederholen.
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In diesem Semester geht das nicht, denn das Semester ist deutlich kürzer als in
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normalen Jahren. Ich verzichte deshalb im Folgenden sehr oft auf Beweise und
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behaupte, dass „alles genau so geht, wie in der Linearen Algebra“.
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\begin{warnung}
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Stellen Sie sicher, dass sie sich noch ausreichend gut an die VL ``Lineare
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Algebra'' erinnern. Beweisen Sie zur Probe einige Aussagen selbst -- solche
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Sachen werden gern in Klausuren und mündlichen Prüfungen gefragt.
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Stellen Sie sicher, dass sie sich noch ausreichend gut an die Vorlesung
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„Lineare Algebra“ erinnern. Beweisen Sie zur Probe einige Aussagen selbst --
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solche Sachen werden gern in Klausuren und mündlichen Prüfungen gefragt.
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\end{warnung}
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@@ -48,8 +44,8 @@ durch folgende universelle Eigenschaft definiert.
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Wie üblich folgt aus der universellen Eigenschaft, dass Restklassenringen (wenn
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Sie denn existieren) eindeutig sind bis auf eine eindeutige Isomorphie. Man
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spricht deswegen oft nicht ganz richtig von ``dem'' Restklassenring und
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bezeichnet ``den'' Restklassenring mit $R/I$.
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spricht deswegen oft nicht ganz richtig von „dem“ Restklassenring und bezeichnet
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„den“ Restklassenring mit $R/I$.
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\section{Konstruktion von Restklassenringen}
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@@ -60,17 +56,17 @@ universellen Eigenschaft -- mit einer Ausnahme: Existenz. Wir beweisen die
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Existenz wie immer nicht abstrakt, sondern indem wir eine konkrete Konstruktion
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eines Restklassenringes angeben.
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\begin{defn}[Kongruenz modulo Ideal]\label{def:kmi}
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\begin{defn}[Kongruenz modulo Ideal]\label{def:kmi}%
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Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins und es sei $I ⊂ R$ ein Ideal. Zwei
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Elemente $a,b∈ R$ heißen \emph{kongruent modulo $I$}\index{Kongruenz modulo
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Ideal}, wenn $a-b ∈ I$ ist. In diesem Fall ist die Schreibweise
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$a \equiv b \:\:(\operatorname{mod} I)$ üblich.
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Ideal}, wenn $a-b ∈ I$ ist. In diesem Fall ist die Schreibweise $a \equiv b
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\:\:(\operatorname{mod} I)$ üblich.
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\end{defn}
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\begin{lem}\label{lem:10-1-2}
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\begin{lem}\label{lem:10-1-2}%
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In der Situation von Definition~\ref{def:kmi} gilt: Kongruenz modulo $I$ ist
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eine Äquivalenzrelation auf $R$. Für ein gegebenes Element $a ∈ R$ ist die
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die Äquivalenzklasse eines gegebenen Elementes $a ∈ R$ ist
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Äquivalenzklasse eines gegebenen Elementes $a ∈ R$ ist
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\begin{equation*}
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a+I = \{ a+b \::\: b∈ I \} \eqno\qed
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\end{equation*}
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@@ -82,19 +78,18 @@ eines Restklassenringes angeben.
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\end{notation}
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\begin{bsp}
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Der Name ``Restklasse'' kommt von folgendem Beispiel. Sei $R = ℤ$, sei
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$m ∈ ℕ$ eine Zahl, und sei $I = (m)$. Dann ist
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$a \equiv b \:\:(\operatorname{mod} I)$ genau dann, wenn $a$ und $b$ bei der
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Division durch $m$ denselben Rest haben. Die Kongruenz modulo $(m)$ zerlegt
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$ℤ$ also genau in die Restklassen
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Der Name „Restklasse“ kommt von folgendem Beispiel. Sei $R = ℤ$, sei $m ∈ ℕ$
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eine Zahl, und sei $I = (m)$. Dann ist $a \equiv b \:\:(\operatorname{mod}
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I)$ genau dann, wenn $a$ und $b$ bei der Division durch $m$ denselben Rest
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haben. Die Kongruenz modulo $(m)$ zerlegt $ℤ$ also genau in die Restklassen
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\begin{equation*}
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0 + (m), 1+(m), 2+(m), …, m-1+(m).
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\end{equation*}
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\end{bsp}
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\begin{satz}[Existenz von Restklassenringen]\label{satz:exvrklr}
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\begin{satz}[Existenz von Restklassenringen]\label{satz:exvrklr}%
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Sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins und es sei $I⊂ R$ ein Ideal. Die
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Äquivalenzrelation ``Kongruenz modulo $I$'' werde mit $\sim$ bezeichnet. Dann
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Äquivalenzrelation „Kongruenz modulo $I$“ werde mit $\sim$ bezeichnet. Dann
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sind die folgenden Verknüpfungen es auf dem Quotienten\footnote{Erinnerung an
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die Lineare Algebra: Quotient nach Äquivalenzrelation = $R/\sim$ = Menge der
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Äquivalenzklassen} $S := R/\sim$ wohldefiniert:
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@@ -129,8 +124,8 @@ diese Art und Weise direkt beschreiben.
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\begin{equation*}
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\bigl(g_1+(f)\bigr)· \bigl(g_2+(f)\bigr) = h + (f)
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\end{equation*}
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wobei $h$ der Rest von $g_1· g_2$ bei der Division durch $f$ ist. Ist
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$\deg f ≥ 1$, dann ist die Abbildung
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wobei $h$ der Rest von $g_1· g_2$ bei der Division durch $f$ ist. Ist $\deg f
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≥ 1$, dann ist die Abbildung
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\begin{equation*}
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K → \factor{K[x]}{(f)}, \quad λ ↦ λ+(f)
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\end{equation*}
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@@ -144,7 +139,7 @@ diese Art und Weise direkt beschreiben.
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Der folgende Satz folgt wie in der Linearen Algebra aus der universellen
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Eigenschaft.
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\begin{prop}[Homomorphiesatz für Ringe]\label{Korollar_Homomorphiesatz}
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\begin{prop}[Homomorphiesatz für Ringe]\label{Korollar_Homomorphiesatz}%
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Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins, und es sei $ψ : R → S$ ein
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surjektiver Ringmorphismus. Dann ist die induzierte Abbildung
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\begin{equation*}
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@@ -181,18 +176,18 @@ zum Restklassenring $K[x]/(f)$ ist.
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\section{Ideale oben und unten}
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Neben dem Homomorphiesatz für Ringe gelten noch einige andere Sätze, die wir aus
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der linearen Algebra kennen (``Kürzen'' von Untervektorräumen). Um diese Sätze
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korrekt zu formulieren, müssen wir erst verstehen, wie ``Ideale in $R$'' und
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``Ideale in $R/I$'' zusammenhängen. Der folgende Satz formuliert den
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Zusammenhang nicht nur für die Quotientenabbildung $φ : R → R/I$, sondern für
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beliebige Ringmorphismen. Kurz gesagt gilt: Urbilder von Idealen sind immer
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Ideale. Bilder von Idealen sind zumindest dann Ideale, wenn der Morphismus
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surjektiv ist --- dies ist zum Beispiel bei der Quotientenabbildung der Fall.
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der linearen Algebra kennen („Kürzen“ von Untervektorräumen). Um diese Sätze
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||||
korrekt zu formulieren, müssen wir erst verstehen, wie „Ideale in $R$“ und
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„Ideale in $R/I$“ zusammenhängen. Der folgende Satz formuliert den Zusammenhang
|
||||
nicht nur für die Quotientenabbildung $φ : R → R/I$, sondern für beliebige
|
||||
Ringmorphismen. Kurz gesagt gilt: Urbilder von Idealen sind immer Ideale.
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||||
Bilder von Idealen sind zumindest dann Ideale, wenn der Morphismus surjektiv ist
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--- dies ist zum Beispiel bei der Quotientenabbildung der Fall.
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\begin{satz}[Urbilder von Idealen]
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Es sei $\varphi : R → S$ ein Morphismus von kommutativen Ringen mit Eins.
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Wenn $I⊂ S$ ein Ideal ist, dann ist die Urbildmenge $\varphi^{-1}(I)$ ein
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Ideal in $R$. Ist $\varphi$ zusätzlich surjektiv, dann ist die Zuordnung
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||||
Es sei $\varphi : R → S$ ein Morphismus von kommutativen Ringen mit Eins. Wenn
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$I⊂ S$ ein Ideal ist, dann ist die Urbildmenge $\varphi^{-1}(I)$ ein Ideal in
|
||||
$R$. Ist $\varphi$ zusätzlich surjektiv, dann ist die Zuordnung
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\begin{equation*}
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\begin{matrix}
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\{\text{Ideale in }S \} & → & \{ \text{Ideale $J$ in $R$ mit $\ker ψ ⊆ J$}\} \\
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@@ -238,8 +233,8 @@ surjektiv ist --- dies ist zum Beispiel bei der Quotientenabbildung der Fall.
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\end{kor}
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\begin{bsp}
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||||
Es sei $K$ ein Körper, es sei $I ⊆ K[x_1, …, x_n]$ ein Ideal. Dann ist
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$K[x_1, …, x_n]/I$ noethersch.
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||||
Es sei $K$ ein Körper, es sei $I ⊆ K[x_1, …, x_n]$ ein Ideal. Dann ist der
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||||
Quotientenring $K[x_1, …, x_n]/I$ noethersch.
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||||
\end{bsp}
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Der folgende Satz ist wieder eine Konsequenz der universellen Eigenschaft. Die
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@@ -260,10 +255,10 @@ Formulierung verwendet Notation~\ref{not:xx}.
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Die Diskussion in Abschnitt~\ref{sec:10-3} wirft die Frage auf, wann ein
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Restklassenring der Form $K[x]/(f)$ eigentlich ein Körper ist. Etwas
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bescheidener: Wann ist ein Restklassenring $R/I$ nullteilerfrei? Für den Ring
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$ℤ$ haben wir die Antwort in der Vorlesung ``Lineare Algebra'' kennengelernt.
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Der Ring $ℤ/(m)$ ist genau dann nullteilerfrei, wenn er ein Körper ist, und dies
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ist genau dann der Fall, wenn $m$ eine Primzahl ist. Also müssen wir statt
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``Primzahl'' jetzt den Begriff des ``Primideals'' einführen.
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$ℤ$ haben wir die Antwort in der Vorlesung „Lineare Algebra“ kennengelernt. Der
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||||
Ring $ℤ/(m)$ ist genau dann nullteilerfrei, wenn er ein Körper ist, und dies ist
|
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genau dann der Fall, wenn $m$ eine Primzahl ist. Also müssen wir statt
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||||
„Primzahl“ jetzt den Begriff des „Primideals“ einführen.
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\begin{defn}[Primideal]
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||||
Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins. Ein Ideal $I ⊂ R$ heißt
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@@ -355,7 +350,7 @@ lösbar ist.
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\end{definition}
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\begin{bemerkung}
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Was hat diese Definition mit ``Teilerfremdheit'' zu tun? Schauen Sie sich den
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Was hat diese Definition mit „Teilerfremdheit“ zu tun? Schauen Sie sich den
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Euklidischen Algorithmus aus Beispiel~\vref{bsp:5-6-7} noch einmal an. In der
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Situation des Beispiels~\ref{bsp:5-6-7} sind zwei Elemente $f$ und $g$
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gegeben. Wenn $f$ und $g$ teilerfremd sind, ist $\ggT(f,g)=1$. Der
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@@ -364,12 +359,12 @@ lösbar ist.
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dass $(f) + (g)$ der gesamte Ring ist.
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||||
\end{bemerkung}
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||||
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\begin{satz}[Chinesischer Restsatz]\label{Satz_Chinesischer_Restsatz}
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||||
\begin{satz}[Chinesischer Restsatz]\label{Satz_Chinesischer_Restsatz}%
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\index{Chinesischer Restsatz}Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins und es
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seien $I_1, …, I_n ⊂ R$ paarweise teilerfremde Ideale. Dann ist der
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kanonische Ringhomomorphismus
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\begin{equation*}
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||||
α : R → \underbrace{\factor{R}{I_1}⨯⋯⨯\factor{R}{I_n}}_{\genfrac{}{}{0pt}{1}{\text{Add. und Mult.}}{\text{komponentenweise}}}, \quad a ↦ \Bigl( a+I_1, …, a+ I_n \Bigr)
|
||||
α : R → \underbrace{\factor{R}{I_1}⨯⋯⨯\factor{R}{I_n}}_{\genfrac{}{}{0pt}{1}{\text{Add.~und Mult.}}{\text{komponentenweise}}}, \quad a ↦ \Bigl( a+I_1, …, a+ I_n \Bigr)
|
||||
\end{equation*}
|
||||
surjektiv und es ist $\ker α = I_1 ∩ ⋯ ∩ I_n$.
|
||||
\end{satz}
|
||||
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30
11.tex
30
11.tex
@@ -6,12 +6,12 @@
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||||
\sideremark{Vorlesung 12}Bevor es richtig losgeht, stelle ich schnell noch
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||||
einige Grundbegriffe zusammen, die wir später an allen möglichen Stellen
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brauchen. Den ersten Begriff erkläre ich am besten an einem Beispiel: betrachte
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den Körper $ℂ$. Wenn $K ⊂ ℂ$ irgendein Unterkörper ist, dann enthält
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||||
$K$ 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 $ℚ$ enthalten muss. In diesem Sinne ist
|
||||
$ℚ$ also der kleinste Unterkörper von $ℂ$. Das definieren wir jetzt für
|
||||
beliebige Körper. Die folgende Beobachtung wiederholt \vref{bsp:3-1-2a}.
|
||||
den Körper $ℂ$. Wenn $K ⊂ ℂ$ 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 $ℚ$ enthalten muss. In diesem Sinne ist $ℚ$ also
|
||||
der kleinste Unterkörper von $ℂ$. Das definieren wir jetzt für beliebige
|
||||
Körper. Die folgende Beobachtung wiederholt \vref{bsp:3-1-2a}.
|
||||
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\begin{beobachtung}
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||||
Es sei $L$ ein Körper, und es seien $(K_i)_{i ∈ I}$ Unterkörper. Dann ist
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@@ -27,8 +27,8 @@ definieren.
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\end{definition}
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\begin{notation}
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||||
Sei $p ∈ ℤ$ eine Primzahl. Dann ist $(p) ⊂ ℤ$ ein maximales Ideal
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und $ℤ/(p)$ ist ein Körper, der mit $𝔽_p$ bezeichnet wird.
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||||
Sei $p ∈ ℤ$ eine Primzahl. Dann ist $(p) ⊂ ℤ$ ein maximales Ideal und $ℤ/(p)$
|
||||
ist ein Körper, der mit $𝔽_p$ bezeichnet wird.
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||||
\end{notation}
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||||
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||||
Für Primkörper gibt es gar nicht viele Möglichkeiten.
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@@ -50,15 +50,15 @@ Für Primkörper gibt es gar nicht viele Möglichkeiten.
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\end{definition}
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\begin{satz}
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||||
Es sei $K$ ein endlicher Körper. Dann hat $K$ hat positive Charakteristik,
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$p = \operatorname{char}(K) > 0$, und es gibt eine Zahl $m ∈ ℕ$, so das
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||||
$K$ genau $p^m$ Elemente hat.
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||||
Es sei $K$ ein endlicher Körper. Dann hat $K$ hat positive Charakteristik, $p
|
||||
= \operatorname{char}(K) > 0$, und es gibt eine Zahl $m ∈ ℕ$, so das $K$ genau
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||||
$p^m$ Elemente hat.
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||||
\end{satz}
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\begin{proof}
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||||
Ein endlicher Körper kann nicht $ℚ$ als Unterkörper besitzen. Also ist
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$p = \operatorname{char}(K) > 0$. Weil $K$ endlich ist, ist der
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Erweiterungsgrad $m := [K:𝔽_p] = \dim_{𝔽_p} K$ ebenfalls endlich. Ein
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||||
$m$-dimensionaler Vektorraum über $𝔽_p$ hat aber $p^m$ viele Elemente.
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||||
Ein endlicher Körper kann nicht $ℚ$ als Unterkörper besitzen. Also ist $p =
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||||
\operatorname{char}(K) > 0$. 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
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||||
|
78
12.tex
78
12.tex
@@ -5,10 +5,10 @@
|
||||
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||||
\section{Worum geht es in diesem Teil der Vorlesung?}
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||||
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||||
Wir sind immer noch an ``Symmetrien vor Körpererweiterungen'' interessiert, aber
|
||||
Wir sind immer noch an „Symmetrien vor Körpererweiterungen“ interessiert, aber
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||||
ich habe ihnen bislang nicht erklärt, was ich damit meine. Das einfachste
|
||||
Beispiel ist vielleicht die Körpererweiterung $ℂ/ℝ$. In diesem Fall ist die
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relevante ``Symmetrie'' die komplexe Konjugation, also die Spiegelung der
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||||
relevante „Symmetrie“ die komplexe Konjugation, also die Spiegelung der
|
||||
komplexen Ebene an der reellen Gerade. Die komplexe Konjugation ist ein
|
||||
Körpermorphismus $ℂ → ℂ$ (sogar ein Isomorphismus) mit der interessanten
|
||||
Eigenschaft, dass die reellen Zahlen genau diejenigen Punkte der komplexen Ebene
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||||
@@ -18,12 +18,12 @@ und $ℝ$ vom höheren Standpunkt aus verstehen. Warum ist die Erweiterung $ℂ
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||||
so wichtig? Wenn ich statt $ℝ$ einen anderen Körper betrachte (zum Beispiel
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||||
$𝔽_p(X)$), welcher Körper würde dann die Rolle von $ℂ$ spielen?
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||||
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||||
Die Antwort kommt aus der Vorlesung ``Analysis'' oder ``Funktionentheorie''.
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||||
Dort beweist man mit analytischen Methoden, dass jedes Polynom $f ∈ ℝ[x]$ eine
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||||
Die Antwort kommt aus der Vorlesung „Analysis“ oder „Funktionentheorie“. Dort
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||||
beweist man mit analytischen Methoden, dass jedes Polynom $f ∈ ℝ[x]$ eine
|
||||
komplexe Nullstelle besitzt -- und auch jedes komplexe Polynom $f ∈ ℝ[x]$
|
||||
besitzt eine komplexe Nullstelle. Das führt dazu, dass jedes Polynom in $ℂ[x]$
|
||||
als Produkt von linearen Polynome geschrieben werden kann. Man sagt: ``die
|
||||
komplexen Zahlen sind algebraisch abgeschlossen''. Wir werden später sehen, was
|
||||
als Produkt von linearen Polynome geschrieben werden kann. Man sagt: „Die
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||||
komplexen Zahlen sind algebraisch abgeschlossen.“ Wir werden später sehen, was
|
||||
diese Eigenschaft mit Symmetrie zu tun hat.
|
||||
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||||
\begin{frage}
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||||
@@ -36,19 +36,16 @@ Der folgende Satz beantwortet die bescheidenere Frage, ob ein einzelnes
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||||
gegebenes Polynom $f ∈ K[x]$ immer eine Nullstelle in einem geeigneten
|
||||
Oberkörper hat.
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||||
|
||||
\begin{satz}\label{satz:12-1-2}
|
||||
\begin{satz}\label{satz:12-1-2}%
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||||
Sei $K$ ein Körper und $f∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom. Dann gibt es
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||||
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}
|
||||
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||||
Der Beweis von Satz~\ref{satz:12-1-2} ist eine große Tautologie, verwirrt
|
||||
Studentinnen und Studenten oft. Ich diskutiere vor dem Beweis deshalb erst noch
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||||
ein kleines Beispiel. Auf unserem
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||||
\href{https://sage.cplx.vm.uni-freiburg.de/share/}{Sage/CoCalc-Server} habe ich
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||||
Ihnen ein weiteres, ganz konkretes Beispiel bereitgestellt.
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||||
|
||||
ein kleines Beispiel.
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||||
\begin{erkl}
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||||
Das Polynom $x²+1 ∈ ℝ[x]$ hat keine Nullstelle in $ℝ$, aber es hat eine
|
||||
Nullstelle in $ℂ$, nämlich die Zahl $i$; wir wissen natürlich auch noch, dass
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||||
@@ -110,7 +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 $L$,
|
||||
\[
|
||||
@@ -122,11 +119,11 @@ wirklich sein soll.
|
||||
$f ∈ \overline{K}[x]$ ein nicht-konstantes Polynom. Weil $L$ algebraisch
|
||||
abgeschlossen ist, hat $f$ eine Nullstelle in $a∈ L$. Das Element $a$ ist
|
||||
logischerweise algebraisch über $\overline{K}$ und deshalb wegen
|
||||
Korollar~\vref{kor:TdA} (``Transitivität der Algebraizität'') auch algebraisch
|
||||
Korollar~\vref{kor:TdA} („Transitivität der Algebraizität“) auch algebraisch
|
||||
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
|
||||
Folgendes gilt.
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||||
@@ -155,13 +152,17 @@ 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
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||||
Lemma = eine Variante des Auswahlaxioms} zeigen, dass diese naive Idee
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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
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||||
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.
|
||||
müssen. In einem normalen Jahr würde ich mithilfe des
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\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Lemma_von_Zorn}{Zornschen
|
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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
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||||
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.
|
||||
|
||||
\begin{satz}[Existenz des Algebraischen Abschluss]\label{Satz_von_Steinitz}
|
||||
Jeder Körper besitzt einen algebraischen Abschluss. \qed
|
||||
@@ -173,7 +174,7 @@ von Steinitz\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Ernst_Steinitz}{Ernst
|
||||
Als Nächstes müssen wir diskutieren, inwieweit ein algebraischer Abschluss
|
||||
eindeutig ist. Wie immer folgt die Eindeutigkeit aus einer universellen
|
||||
Eigenschaft. Den folgenden Begriff hatten wir oben schon informell unter dem
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||||
Schlagwort ``Symmetrien einer Körpererweiterung'' diskutiert.
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Schlagwort „Symmetrien einer Körpererweiterung“ diskutiert.
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||||
\begin{definition}[$K$-Morphismus]
|
||||
Es seien $R$ und $S$ Oberringe desselben Unterringes $K$. Ein Ringmorphismus
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@@ -182,8 +183,8 @@ Schlagwort ``Symmetrien einer Körpererweiterung'' diskutiert.
|
||||
\end{definition}
|
||||
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||||
\begin{bsp}
|
||||
Betrachte die Körpererweiterung $ℂ/ℝ$. Die komplexe Konjugation
|
||||
$\varphi: ℂ → ℂ$ ist ein $ℝ$-Morphismus von $ℂ$ nach $ℂ$.
|
||||
Betrachte die Körpererweiterung $ℂ/ℝ$. Die komplexe Konjugation $\varphi: ℂ →
|
||||
ℂ$ ist ein $ℝ$-Morphismus von $ℂ$ nach $ℂ$.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
Der folgende Satz beschreibt die universelle Eigenschaft des algebraischen
|
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@@ -191,33 +192,32 @@ Abschluss. Dieser Satz ist absolut zentral für die kommende Diskussion; er ist
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der eigentliche Grund, warum Galois-Theorie überhaupt funktioniert. Wieder
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||||
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 $K = L_0 = ℝ$, es sei $\overline{K} = L = ℂ$. Weiter sei
|
||||
$\varphi_0 : ℝ → ℝ$ die Identität. Dann gibt es \emph{zwei} Fortsetzungen von
|
||||
$\varphi_0$ zu einem $ℝ$-Morphismus $\varphi: ℂ → ℂ$; wir können für $\varphi$
|
||||
einerseits die Identität nehmen, andererseits ist auch die
|
||||
Konjugationsabbildung möglich.
|
||||
Es sei $K = L_0 = ℝ$, es sei $\overline{K} = L = ℂ$. Weiter sei $\varphi_0 :
|
||||
ℝ → ℝ$ die Identität. Dann gibt es \emph{zwei} Fortsetzungen von $\varphi_0$
|
||||
zu einem $ℝ$-Morphismus $\varphi: ℂ → ℂ$; 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
|
||||
algebraischen Abschlusses bis auf nicht-kanonische Isomorphie. Obwohl die
|
||||
Isomorphie nicht kanonisch ist, spricht man in der Literatur häufig nicht ganz
|
||||
korrekt von ``dem'' Quotientenkörper.
|
||||
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}
|
||||
@@ -234,7 +234,7 @@ korrekt von ``dem'' Quotientenkörper.
|
||||
Ich wiederhole noch einmal: Die nicht-Eindeutigkeit der Abbildung $\varphi$ aus
|
||||
Satz~\ref{Satz_K_Morphismus_Fortsetzung} und nicht-Kanonizität der Abbildung aus
|
||||
Korollar~\ref{cor:edaa} sind der Grund dafür, warum die Diskussion von
|
||||
``Symmetrie'' überhaupt sinnvoll ist. Das ist ganz anders als bei dem
|
||||
„Symmetrie“ überhaupt sinnvoll ist. Das ist ganz anders als bei dem
|
||||
Quotientenkörper!
|
||||
|
||||
|
||||
|
112
13.tex
112
13.tex
@@ -3,13 +3,13 @@
|
||||
|
||||
\chapter{Zerfällungskörper}
|
||||
|
||||
Ich habe im vorhergehenden Kapitel immer wieder von ``Symmetrie'' gesprochen und
|
||||
Ich habe im vorhergehenden Kapitel immer wieder von „Symmetrie“ gesprochen und
|
||||
dabei als Beispiel immer nur die Konjugationsabbildung der komplexen Zahlen
|
||||
diskutiert. Das ist ein bisschen dünn. Wir brauchen mehr Beispiele!
|
||||
Tatsächlich liefert fast jedes Polynom ein interessantes Beispiel, den
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||||
Zerfällungskörper. Was das ist, erkläre ich jetzt.
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Zerfällungskörper]\label{def:zerf}
|
||||
\begin{defn}[Zerfällungskörper]\label{def:zerf}%
|
||||
Es sei $K$ ein Körper und es sei $f ∈ K[x]$ ein nicht-konstantes Polynom. Ein
|
||||
Oberkörper $L/K$ heißt \emph{Zerfällungskörper von
|
||||
$f$}\index{Zerfällungskörper}, falls Folgendes gilt.
|
||||
@@ -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 Polynomes $f ∈ L[x]$. 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.
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||||
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||||
\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.
|
||||
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||||
@@ -49,37 +49,35 @@ 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 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
|
||||
$a_1, …, a_n$ bestimmen und kann dann den Körper $K(a_1, …, a_n)$ nehmen.
|
||||
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 $a_1, …, a_n$
|
||||
bestimmen und kann dann den Körper $K(a_1, …, a_n)$ nehmen.
|
||||
\end{bemerkung}
|
||||
|
||||
Ein wichtiges Problem der Algebra(klausur/prüfung) ist es, zu einem gegebenen
|
||||
Körper $K$ und zu einem gegebenen Polynom $f ∈ K[x]$ den Zerfällungskörper zu
|
||||
bestimmen. Dabei ist mit ``bestimmen'' meistens gemeint, dass man den
|
||||
bestimmen. Dabei ist mit „bestimmen“ meistens gemeint, dass man den
|
||||
Erweiterungsgrad des Zerfällungskörpers bestimmen und ein möglichst kleinen Satz
|
||||
von möglichst einfachen Erzeugern angeben soll. Meistens ist in diesen
|
||||
Beispielen $K = ℚ$, sodass man einen Zerfällungskörper als Teilmenge der
|
||||
komplexen Zahlen konstruieren wird.
|
||||
|
||||
\begin{bsp}
|
||||
Es sei $K = ℚ$ und es sei $f = x²-2 ∈ ℚ[x]$. Dann ist
|
||||
$L = ℚ(\sqrt 2,-\sqrt2) = ℚ(\sqrt2) ⊆ ℝ$ ein Zerfällungskörper
|
||||
von $f$.
|
||||
Es sei $K = ℚ$ und es sei $f = x²-2 ∈ ℚ[x]$. Dann ist $L = ℚ(\sqrt 2,-\sqrt2)
|
||||
= ℚ(\sqrt2) ⊆ ℝ$ ein Zerfällungskörper von $f$.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
\begin{bsp}
|
||||
Es sei $K = ℚ$ und es sei $f = x³-2 ∈ ℚ[x]$. 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 $K = ℚ$ und es sei $f = x³-2 ∈ ℚ[x]$. 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
|
||||
\[
|
||||
L = ℚ(a_0, a_1, a_2) = ℚ \Bigl(\sqrt[3]{2}, ξ \Bigr).
|
||||
\]
|
||||
@@ -87,11 +85,10 @@ komplexen Zahlen konstruieren wird.
|
||||
\[
|
||||
[L : ℚ] ≤ 3! = 6,
|
||||
\]
|
||||
ist, aber wie groß ist der Grad wirklich? Wir überlegen, dass
|
||||
$[ℚ \bigl(\sqrt[3]{2} \bigr) : ℚ ] = 3$. Also gilt $3| [L:Q]$ und man
|
||||
muss lediglich prüfen, ob $L = ℚ(\sqrt[3]{2})$ ist. Das ist aber nicht der
|
||||
Fall, denn $ℚ(\sqrt[3]{2}) ⊂ ℝ$ aber $ξ \not∈ ℝ$. Also ist
|
||||
$[L:ℚ] =6$.
|
||||
ist, aber wie groß ist der Grad wirklich? Wir überlegen, dass $[ℚ
|
||||
\bigl(\sqrt[3]{2} \bigr) : ℚ ] = 3$. Also gilt $3| [L:Q]$ und man muss
|
||||
lediglich prüfen, ob $L = ℚ(\sqrt[3]{2})$ ist. Das ist aber nicht der Fall,
|
||||
denn $ℚ(\sqrt[3]{2}) ⊂ ℝ$ aber $ξ \not∈ ℝ$. Also ist $[L:ℚ] =6$.
|
||||
\end{bsp}
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -99,10 +96,10 @@ komplexen Zahlen konstruieren wird.
|
||||
\label{sec:13-1}
|
||||
|
||||
\sideremark{Vorlesung 14}Ich komme zu meinem Lieblingsthema zurück. Jetzt kann
|
||||
ich endlich erklären, was es mit meinem ständigen Reden von ``Symmetrien'' auf
|
||||
ich endlich erklären, was es mit meinem ständigen Reden von „Symmetrien“ auf
|
||||
sich hat.
|
||||
|
||||
\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 $L$.
|
||||
@@ -113,7 +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
|
||||
@@ -131,7 +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 $ℓ ∈ L$ als endliche Summe schreiben,
|
||||
\[
|
||||
@@ -141,13 +138,13 @@ das wohl am besten in Termen endlicher Gruppen beantwortet werden sollte.
|
||||
Wenn ich jetzt einen $K$-Morphismus $\varphi: L → L$ habe, dann ist
|
||||
\begin{align*}
|
||||
\varphi(ℓ) & = \sum \varphi(β_{i_1,…,i_n})·\varphi(a_1)^{i_1}⋯ \varphi(a_n)^{i_n} \\
|
||||
& = \sum β_{i_1,…,i_n}·\varphi(a_1)^{i_1}⋯ \varphi(a_n)^{i_n}. && \text{$\varphi$ ist $K$-Morphismus und $β_• ∈ K$}
|
||||
& = \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 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.
|
||||
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.
|
||||
\end{beobachtung}
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -163,25 +160,25 @@ ein wenig Sprache.
|
||||
vielen) Variablen $(x_λ)_{λ∈ Λ}$.
|
||||
\end{notation}
|
||||
|
||||
Wenn alles 100\%ig korrekt sein sollte, müsste ich an dieser könnte den
|
||||
Wenn alles 100\%ig korrekt sein sollte, müsste ich an dieser Stelle den
|
||||
Polynomring ausführlich mithilfe einer universellen Eigenschaft definieren. Ich
|
||||
finde das aber arg formell und hoffe, Sie verzeihen mir, wenn ich das jetzt
|
||||
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}
|
||||
@@ -197,19 +194,18 @@ immer nur endlich viele Variablen auf.
|
||||
\end{beobachtung}
|
||||
|
||||
|
||||
\subsection{Ringadjunktion vs Körperadjunktion}
|
||||
\subsection{Ringadjunktion vs.~Körperadjunktion}
|
||||
|
||||
Gegeben eine Körpererweiterung $L/K$ und eine Teilmenge $(a_λ)_{λ∈Λ}$ von $L$,
|
||||
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 ``$ℚ$
|
||||
adjungiert $\sqrt{5}$'' mit \texttt{QQ[sqrt(5)]} bezeichnet. Schauen Sie sich
|
||||
vielleicht auch noch einmal Fußnote~\vref{foot:sage} an.
|
||||
noch einmal, warum SAGE eckige Klammern verwendet und den Körper „$ℚ$ adjungiert
|
||||
$\sqrt{5}$“ mit \texttt{QQ[sqrt(5)]} bezeichnet. Schauen Sie sich vielleicht
|
||||
auch noch einmal Fußnote~\vref{foot:sage} an.
|
||||
|
||||
\begin{satz}[Ringadjunktion vs Körperadjunktion]
|
||||
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $(a_λ)_{λ∈Λ}$ eine Teilmenge
|
||||
@@ -222,8 +218,8 @@ vielleicht 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]
|
||||
@@ -237,8 +233,8 @@ vielleicht 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 $K[a] ≠
|
||||
K(a)$.
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||||
\end{proof}
|
||||
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||||
\begin{kor}[Ringadjunktion vs Körperadjunktion]
|
||||
@@ -251,13 +247,13 @@ vielleicht auch noch einmal Fußnote~\vref{foot:sage} an.
|
||||
\end{itemize}
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||||
\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*}
|
||||
|
139
14.tex
139
14.tex
@@ -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?
|
||||
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||||
\begin{beobachtung}\label{beo:14-0-1}
|
||||
\begin{beobachtung}\label{beo:14-0-1}%
|
||||
Wenn $K = ℚ$ ist, geht das nicht. Denn wenn $a$ eine mehrfache Nullstelle
|
||||
ist, also $f = (x-a)²·g ∈ ℂ[x]$ wäre, dann kann ich die Ableitung betrachten,
|
||||
\[
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||||
@@ -46,14 +46,14 @@ Andererseits kann man die Ableitungsregeln ganz formal kopieren:
|
||||
\end{matrix}
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\right.
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||||
\]
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||||
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 $p = 0 ∈ 𝔽_p$.
|
||||
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 $p = 0 ∈ 𝔽_p$.
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||||
\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*}
|
||||
@@ -124,38 +124,37 @@ 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}
|
||||
|
||||
|
||||
\section{Der Frobenius Morphismus}
|
||||
\section{Der Frobenius-Morphismus}
|
||||
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||||
Über Körpern und Ringen der Charakteristik $p > 0$ gibt es einen ganz
|
||||
unglaublichen Körpermorphismus, den wir noch nicht kennen: den
|
||||
Frobenius-Morphismus\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Ferdinand_Georg_Frobenius}{Ferdinand
|
||||
Georg Frobenius}, genannt Georg, (* 26. Oktober 1849 in Berlin; † 3.
|
||||
August 1917 in Charlottenburg, heute ein Ortsteil von Berlin) war ein
|
||||
deutscher Mathematiker. Er war seit 1892 Professor an der Universität Berlin
|
||||
und setzte dort hohe Maßstäbe für Prüfungen durch.}. Der Morphismus ist
|
||||
eigentlich ganz einfach, es handelt sich um die Abbildung $r ↦ r^p$. Das
|
||||
unglaubliche ist, dass diese Abbildung \textbf{linear} ist!!
|
||||
Georg Frobenius}, genannt Georg, (* 26.~Oktober 1849 in Berlin; † 3.~August 1917
|
||||
in Charlottenburg, heute ein Ortsteil von Berlin) war ein deutscher
|
||||
Mathematiker. Er war seit 1892 Professor an der Universität Berlin und setzte
|
||||
dort hohe Maßstäbe für Prüfungen durch.}. Der Morphismus ist eigentlich ganz
|
||||
einfach, es handelt sich um die Abbildung $r ↦ r^p$. Das unglaubliche ist, dass
|
||||
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 $n ∈ ℕ^+$, sodass die $n$-fache Summe des
|
||||
Einselementes gleich dem Nullelement wird, also
|
||||
kleinste natürliche Zahl $n ∈ ℕ⁺$, sodass die $n$-fache Summe des
|
||||
Einselements gleich dem Nullelement wird, also
|
||||
\[
|
||||
\underbrace{1 + 1 + ⋯ + 1}_{n ⨯} =0.
|
||||
\]
|
||||
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*}
|
||||
@@ -174,8 +173,8 @@ unglaubliche ist, dass diese Abbildung \textbf{linear} ist!!
|
||||
|
||||
\begin{notation}
|
||||
In der Situation von Satz~\ref{DefSatz_Frobenius-Endomorphismus} ist die
|
||||
Bildmenge $F(R) ⊂ R$ natürlich ein Unterring. Dieser wird als ``Menge der
|
||||
$p$-Potenzen'' bezeichnet und oft mit dem Symbol $R^p ⊆ R$ notiert.
|
||||
Bildmenge $F(R) ⊂ R$ natürlich ein Unterring. Dieser wird als „Menge der
|
||||
$p$-Potenzen“ bezeichnet und oft mit dem Symbol $R^p ⊆ R$ notiert.
|
||||
\end{notation}
|
||||
|
||||
\begin{beobachtung}
|
||||
@@ -190,7 +189,7 @@ unglaubliche ist, dass diese Abbildung \textbf{linear} ist!!
|
||||
\section{Separable und inseparable Polynome}
|
||||
|
||||
Ich hatte oben gefragt, ob ein irreduzibles Polynom mehrfache Nullstellen haben
|
||||
kann. Die ehrliche Antwort lautet: ``vielleicht'' und begründet die folgende
|
||||
kann. Die ehrliche Antwort lautet: „vielleicht“ und begründet die folgende
|
||||
Definition.
|
||||
|
||||
\begin{defn}[Separable und inseparable Polynome]
|
||||
@@ -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 $e ∈ ℕ^+$, sodass
|
||||
Polynom $g ∈ K[x]$ und eine Zahl $e ∈ ℕ⁺$, sodass
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
f(x) = g \Bigl( x^{(p^e)} \Bigr)
|
||||
\end{equation*}
|
||||
@@ -288,7 +286,7 @@ werden.
|
||||
|
||||
\begin{bsp}
|
||||
Sei $K = 𝔽_p(t) = Q\bigl( 𝔽_p[t] \bigr)$. Nach dem
|
||||
Satz~\vref{Satz_Eisenstein_Kriterium} (``Eisenstein-Kriterium'') ist
|
||||
Satz~\vref{Satz_Eisenstein_Kriterium} („Eisenstein-Kriterium“) ist
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
f = x^p-t ∈ K[x]
|
||||
\end{equation*}
|
||||
@@ -318,36 +316,36 @@ 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
|
||||
Ich erinnere an die Beobachtungen~\ref{beob:p1} und \vref{beob:p2}: Jeder
|
||||
potenzielle $K$-Morphismus $σ$ bildet $a$ auf eine der $m$ Nullstellen von $f$
|
||||
an, und ist durch dieses Bild eindeutig festgelegt. Jetzt müssen wir
|
||||
lediglich noch zeigen, dass jede dieser $m$ verschiedenen Möglichkeiten
|
||||
@@ -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*}
|
||||
@@ -370,10 +368,10 @@ Erweiterungen kennen. Die gesamte Diskussion baut auf folgendem Lemma auf.
|
||||
|
||||
Mit diesen Vorbereitungen können wir separable Abbildungen in präziser Art durch
|
||||
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.
|
||||
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 einer 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
|
||||
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
|
||||
übertragen.
|
||||
|
||||
\begin{satzdef}[Separabler algebraischer Abschluss, Separabilitätsgrad]
|
||||
@@ -458,7 +459,7 @@ dieser Satz und diese Definition lässt sich fast wortgleich in unseren Kontext
|
||||
unpassenden Witzen an, die sich nicht zum Abdruck eignen.
|
||||
\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
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||||
\[
|
||||
\factor{K \Bigl( \sqrt[p]{t} \Bigr)}{K}
|
||||
\]
|
||||
|
86
15.tex
86
15.tex
@@ -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.
|
||||
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||||
\begin{defn}[Galoisgruppe einer Körpererweiterung]
|
||||
@@ -28,30 +28,30 @@ 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
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||||
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.}
|
||||
Körpererweiterung ist, dann zeigt
|
||||
@@ -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 $ℚ$-Automorphismus von $L$, der
|
||||
heißt „Konjugation“; dies ist der eindeutige $ℚ$-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 $ℂ/ℝ$. Die Galoisgruppe ist
|
||||
$\Gal(ℂ/ℝ) = \{ \Id, \text{Konjugation} \}$.
|
||||
\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 $ℚ(\sqrt[3]{2})/ℚ$ nicht Galoisch ist. Der Zerfällungskörper des
|
||||
Polynoms $f = x³-2 ∈ ℚ[x]$ ist nämlich\footnote{Preisfrage: warum bezeichne
|
||||
ich den Zerfällungskörper mit dem Symbol ``$N$''?}
|
||||
ich den Zerfällungskörper mit dem Symbol „$N$“?}
|
||||
\[
|
||||
N = ℚ\bigl(a, ξ·a, ξ²·a\bigr).
|
||||
\]
|
||||
|
28
16.tex
28
16.tex
@@ -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 $ℚ$
|
||||
@@ -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 $N/ℚ$,
|
||||
\begin{tikzcd}[column sep=tiny]
|
||||
& & ℚ \ar[dll, hook] \ar[dl, hook] \ar[dr, hook] \ar[drr, hook] \\
|
||||
ℚ(a_3) \ar[drr, hook] & ℚ(a_2) \ar[dr, hook] & & ℚ(a_1) \ar[dl, hook]& ℚ\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 $ℚ\bigl(\sqrt3·i\bigr)$ 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 $ℚ\bigl(\sqrt3·i\bigr)$ 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
|
||||
|
144
17.tex
144
17.tex
@@ -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
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||||
Émile Picard} (* 24.~Juli 1856 in Paris; † 11.~Dezember 1941 ebenda) war ein
|
||||
französischer
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||||
Mathematiker.}-Lindelöf\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Ernst_Leonard_Lindelöf}{Ernst
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||||
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
|
||||
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
|
||||
\[
|
||||
γ : ℝ ⨯ ℝ² → ℝ², \quad (t, p) ↦ γ_p(t)
|
||||
\]
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||||
@@ -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.
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||||
\begin{defn}[Bahn und Fixpunkt]
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||||
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 $α : G⨯M → M$ 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"] \\
|
||||
@@ -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 $(ℤ,+)$. Die
|
||||
Untergruppen von $ℤ$ sind leicht zu bestimmen. Wenn nämlich $U ⊂ ℤ$ eine
|
||||
Untergruppe ist, dann ist für alle $n∈ℤ^+$ und für alle $u ∈ U$
|
||||
Untergruppe ist, dann ist für alle $n∈ℤ⁺$ 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 $ℤ/(n)$ 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,
|
||||
\[
|
||||
\Bigl\{ e^{\frac{2π i}{n}· a} \::\: 0≤ a< n\Bigr\} ⊂ ℂ,
|
||||
\]
|
||||
also die Nullstellen von $x^n-1 ∈ ℂ[n]$ 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: $g· h= h· g$}. 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
|
||||
$\overline{a} ∈ ℤ/(p) = 𝔽_p$, 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 $\overline{a}^{p-1} = 1 ∈ 𝔽^*_p$ oder
|
||||
äquivalent $a^p \equiv a \:\:(\operatorname{mod} p)$.
|
||||
die Restklasse von $a$ ein nicht-verschwindendes Element $\overline{a} ∈ ℤ/(p)
|
||||
= 𝔽_p$, 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
|
||||
$\overline{a}^{p-1} = 1 ∈ 𝔽^*_p$ 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
|
||||
$p|(a^{p-1}-1)$.
|
||||
|
91
18.tex
91
18.tex
@@ -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 $n ∈ ℕ$ 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
|
||||
$ℤ/(p)$ 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
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||||
folgende Definition beschreibt den Extremfall.
|
||||
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||||
\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 $G$.
|
||||
\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,
|
||||
\[
|
||||
M := \{ g· U \::\: g ∈ G\}.
|
||||
M := \{ g·U \::\: g ∈ G\}.
|
||||
\]
|
||||
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 $n ∈ ℕ$ 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
12
19.tex
@@ -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∈ℤ,\ 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 $ℤ$-Moduln''.
|
||||
Hausaufgabe: „Abelsche Gruppen sind dasselbe wie $ℤ$-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 $ℤ$-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 $ℤ$-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
|
||||
|
30
20.tex
30
20.tex
@@ -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: $N ∈ \{N_{ℓ}, …, N_0\}$.
|
||||
vor. Mit anderen Worten: Es ist $N ∈ \{N_{ℓ}, …, N_0\}$.
|
||||
|
||||
\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 $ℤ/(p)$ 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
22
21.tex
@@ -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}
|
||||
|
||||
|
91
22.tex
91
22.tex
@@ -17,7 +17,7 @@ ist der Zerfällungskörper des Polynoms $x^n-1$.
|
||||
|
||||
\begin{definition}[Kreisteilungskörper, Einheitswurzeln]\label{def:ktk}
|
||||
Es sei $n ∈ ℕ$ eine Zahl. Der Zerfällungskörper des Polynoms
|
||||
$f_n(x) := x^n-1 ∈ ℚ[x]$ wird als \emph{$n$-ter Kreisteilungskörper über
|
||||
$f_n(x) := x^n-1 ∈ ℚ[x]$ wird als \emph{$n$.ter Kreisteilungskörper über
|
||||
$ℚ$}\index{Kreisteilungskörper} bezeichnet. Die Schreibweise $L_n/ℚ$ 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
|
||||
$L_n ⊂ \overline{ℚ} ⊂ ℂ$. Die $n$-ten Einheitswurzeln bilden mit der
|
||||
Multiplikation als komplexe Zahlen eine zyklische Gruppe, die isomorph zu
|
||||
$ℤ/(n)$ 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 $L_n ⊂
|
||||
\overline{ℚ} ⊂ ℂ$. Die $n$.ten Einheitswurzeln bilden mit der Multiplikation
|
||||
als komplexe Zahlen eine zyklische Gruppe, die isomorph zu $ℤ/(n)$ 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
|
||||
$x^n-1 ∈ ℚ[x]$. 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.
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||||
Die $n$.ten Einheitswurzeln sind natürlich Nullstellen des Polynoms $x^n-1 ∈
|
||||
ℚ[x]$. 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 $n ∈ ℕ$ eine Zahl. Bezeichne die primitiven $n$-ten Einheitswurzeln
|
||||
Es sei $n ∈ ℕ$ 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) ∈ ℂ[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}
|
||||
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||||
@@ -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 $n ∈ ℕ$ 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 $n ∈ ℕ$ 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 $n ∈ ℕ$ ist $Φ_n(x) ∈ ℤ[x]$. \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
|
||||
$f_n(x) := x^n-1 ∈ ℚ[x]$ als $n$-ten Kreisteilungskörper über $ℚ$ genannt und
|
||||
$f_n(x) := x^n-1 ∈ ℚ[x]$ als $n$.ten Kreisteilungskörper über $ℚ$ genannt und
|
||||
mit $L_n/ℚ$ bezeichnet. Als Zerfällungskörper eines Polynoms ist $L_n/ℚ$
|
||||
natürlich Galoisch, wir müssen jetzt die Galoisgruppe bestimmen. Wähle dazu
|
||||
eine primitive $n$-te Einheitswurzel $ξ$ und beobachte, dass dann $L_n = ℚ(ξ)$
|
||||
ist. Das Minimalpolynom von $ξ$ kennen wir schon, es ist das $n$-te
|
||||
eine primitive $n$.te Einheitswurzel $ξ$ und beobachte, dass dann $L_n = ℚ(ξ)$
|
||||
ist. Das Minimalpolynom von $ξ$ kennen wir schon, es ist das $n$.te
|
||||
Kreisteilungspolynom $Φ_n$. Also ist
|
||||
\begin{equation*}
|
||||
[L_n : ℚ ] = \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
|
||||
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
30
23.tex
@@ -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 $n ∈ ℕ^{>0}$ 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 $g·(x^n-1) ∈ K[x]$. 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 $g·(x^n-1) ∈ K[x]$. 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}
|
||||
|
||||
|
70
24.tex
70
24.tex
@@ -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
|
||||
@@ -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 $p ∈ ℕ$ eine Primzahl. Die Frage, ob eine Zahl $a ∈ ℤ$ 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 $x² = b$ 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 $x² = b$ 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 $a ∈ ℤ$. 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) $ℤ/(p-1)$. Wir
|
||||
beobachten, dass die quadratischen Reste unter diesem Isomorphismus genau mit
|
||||
den geradzahligen Elementen von $ℤ/(p-1)$ identifiziert werden --- die Zahl
|
||||
$(p-1)$ ist gerade, sodass der Begriff ``geradzahligen Elementen von
|
||||
$ℤ/(p-1)$'' sinnvoll verwendet werden kann.
|
||||
$(p-1)$ ist gerade, sodass der Begriff „geradzahligen Elementen von
|
||||
$ℤ/(p-1)$“ 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) \\
|
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& = \left(\frac{7}{3}\right)·(-1)^{3·1} = -\left(\frac{1}{3}\right) = -1 && \text{quadratische Reziprozität und } 7 \equiv 1 \:\:(\operatorname{mod} 3)
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||||
& = \left(\frac{7}{3}\right)·(-1)^{3·1} = -\left(\frac{1}{3}\right) = -1 && \text{quadratische Reziprozität und } 7 \equiv 1 \:\:(\operatorname{mod} 3).
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\end{align*}
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Also ist die Antwort: ``nein!''
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Also ist die Antwort: „Nein!“
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\end{bsp}
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@@ -212,27 +212,27 @@ abgeschrieben. Wenn Sie den Beweis nicht mögen, finden Sie in den
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hervorragenden Skripten des Bayreuther Kollegen
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\href{http://www.mathe2.uni-bayreuth.de/stoll/}{Michael Stoll} einen
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\href{http://www.mathe2.uni-bayreuth.de/stoll/teaching/EinfZAS-WS2014/Skript-EinfZAS-pub-screen.pdf}{anderen
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Beweis}. Annette Huber bevorzugt in ihrem Skript einen
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Beweis}. Annette Huber bevorzugt in ihrem Skript einen
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\href{http://home.mathematik.uni-freiburg.de/arithgeom/lehre/ws17/azt/algebra17.pdf}{Beweis
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mithilfe der Galoisgruppe von Kreisteilungskörpern}.
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mithilfe der Galoisgruppe von Kreisteilungskörpern}.
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\bigskip
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Es sei $F$ der endliche Körper mit $q^{p-1}$ Elementen. Der Primkörper von $F$
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is $𝔽_q$, insbesondere hat $F$ die Charakteristik $q$. Nach
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ist $𝔽_q$, insbesondere hat $F$ die Charakteristik $q$. Nach
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Satz~\vref{Satz_Endliche_Mult_Gruppe_also_Zyklisch_S164} ist die multiplikative
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Gruppe $F^*$ ist zyklisch, mit $q^{p-1}-1$ vielen Elementen. Nach dem kleinen
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Satz von Fermat, Satz~\vref{satz:kleinerFermat} und
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Bemerkung~\ref{bem:kleinerFermat} ist die Zahl $q^{p-1}-1$ ist ein Vielfaches
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von $p$, und deshalb gibt es nach Satz~\vref{Satz_von_Cauchy} (``Satz von
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Cauchy'') ein Element $ξ ∈ F^*$ der Ordnung $p$. Wir beobachten schon einmal,
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dass sich das Körperelement $\sum_{i=1}^p ξⁱ ∈ F$ bei Multiplikation mit
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$ξ ∈ F^*$ nicht ändert. Also ist $\sum_{i=1}ⁱ ξ^p = 0 ∈ F$, oder anders gesagt,
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von $p$, und deshalb gibt es nach Satz~\vref{Satz_von_Cauchy} („Satz von
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Cauchy“) ein Element $ξ ∈ F^*$ der Ordnung $p$. Wir beobachten schon einmal,
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dass sich das Körperelement $\sum_{i=1}^p ξⁱ ∈ F$ bei Multiplikation mit $ξ ∈
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F^*$ nicht ändert. Also ist $\sum_{i=1}ⁱ ξ^p = 0 ∈ F$, oder anders gesagt,
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\begin{equation}\label{eq:g4.1}
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\sum_{i=1}^{p-1} ξⁱ = -1 ∈ F.
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\end{equation}
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Als Nächstes betrachten wir die folgende ``Gaußsche'' Summe im Körper $F$:
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Als Nächstes betrachten wir die folgende „Gaußsche“ Summe im Körper $F$:
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\[
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G := \sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i}{p}\right)·ξⁱ ∈ F.
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\]
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@@ -243,7 +243,7 @@ Als Nächstes betrachten wir die folgende ``Gaußsche'' Summe im Körper $F$:
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\[
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||||
\sum_{i=1}^{p-1} ξⁱ = \sum_{i=1}^{p-1} ξ^{i·n}
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\quad\text{und}\quad \sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i}{p}\right)·ξⁱ =
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\sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i·n}{p}\right)·ξ^{i·n}
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\sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i·n}{p}\right)·ξ^{i·n}.
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\]
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\end{behauptung}
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\begin{proof}[Beweis der Behauptung~\ref{beh:0}]
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@@ -268,7 +268,7 @@ Als Nächstes betrachten wir die folgende ``Gaußsche'' Summe im Körper $F$:
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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 $q$!} \\
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||||
& = \sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{i}{p}\right)·ξ^{i·q} && \text{$q$ ist ungerade} \\
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||||
& = \left(\frac{q}{p}\right)·\sum_{i=1}^{p-1} \left(\frac{iq}{p}\right)·ξ^{i·q} && \text{Lemma~\ref{lem:lsim}} \\
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||||
& = \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}.}
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\end{align*}
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||||
Damit ist die Behauptung bewiesen. \qedhere~\mbox{(Behauptung~\ref{beh:1})}
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\end{proof}
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@@ -290,7 +290,7 @@ Als Nächstes betrachten wir die folgende ``Gaußsche'' Summe im Körper $F$:
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& = \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} \\
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||||
& = \left(\frac{p-1}{p}\right)·(p-1) - \sum_{j=1}^{p-2} \left(\frac{j}{p}\right) && \text{Gleichung~\eqref{eq:g4.1}} \\
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||||
& = \left(\frac{p-1}{p}\right)·p && \text{Gleichung~\eqref{eq:g4.2}} \\
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||||
& = (-1)^{\frac{p-1}{2}}·p && \text{Euler-Kriterium, Lemma~\ref{lem:EK}}
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& = (-1)^{\frac{p-1}{2}}·p && \text{Euler-Kriterium, Lemma~\ref{lem:EK}.}
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\end{align*}
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Damit ist die Behauptung bewiesen. \qedhere~\mbox{(Behauptung~\ref{beh:2})}
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\end{proof}
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@@ -302,7 +302,7 @@ auszudrücken, und die so entstandenen Formeln zu vergleichen.
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\left( \frac{q}{p} \right)·G & = G^q && \text{Behauptung~\ref{beh:1}} \\
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& = G·(G²)^{\frac{q-1}{2}} && \text{Die Zahl $q$ ist ungerade.}\\
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& = G·(-1)^{\frac{q-1}{2}·\frac{p-1}{2}}·p^{\frac{q-1}{2}} && \text{Behauptung~\ref{beh:2}} \\
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||||
& = 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}.}
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||||
\end{align*}
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Weil wir in Behauptung~\ref{beh:2} gesehen haben, dass $G ≠ 0$ ist, dürfen wir
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kürzen und erhalten die gewünschte Gleichung. \qed
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@@ -13,6 +13,7 @@
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\input{gfx/paperVersion-working}
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\usepackage{makeidx}
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\usepackage{tikz-cd}
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\usepackage{ulem}
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\makeindex
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\author{Stefan Kebekus}
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@@ -183,5 +184,5 @@ Dieser Text ist unter der Lizenz
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\bibliographystyle{alpha}
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File diff suppressed because it is too large
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