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\chapter{Teilbarkeit}
\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
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?
\end{problem}
Um solche Probleme anzugehen, untersuchen wir Polynomdivision und
Teilbarkeitsfragen in (Polynom-)Ringen. Hier kommt ein erster Hinweis, in
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 $g(x) ∈
K[x]$ 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),
\end{equation*}
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*}
Also hat $r$ auch $a$ als Nullstelle. Weil $f$ aber das Minimalpolynom ist,
und $\deg r < \deg f$, ist muss wohl $r\equiv 0$ gelten. Als Konsequenz
lernen wir: Jedes Polynom, das $a$ als Nullstelle hat, ist ein Vielfaches des
Minimalpolynoms. Umgekehrt gilt auch: wenn ein Polynom $g$ gegeben ist, das
$a$ als Nullstelle hat, dann finden wir das Minimalpolynom unter den Teilern
von $g$.
\end{beobachtung}
\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
statt Körpern.
\begin{definition}[Polynomring, \mathlib{Algebra/Polynomial/Basic.html\#Polynomial}]\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|textbf} Ebenso bezeichnen wir mit $R[x_1, …, x_n]$ den Ring
der Polynome mit Variablen $x_1, …, x_n$ und Koeffizienten aus $R$.
\end{definition}
\begin{bsp}
Betrachte den Ring $R = ℤ$. Dann ist $3·x²-5·x+17 ∈ ℤ[x]$ und $4x²+3xy+y⁷ ∈
ℤ[x,y]$.
\end{bsp}
\begin{beobachtung}
Es gelten einige offensichtliche Gleichheiten wie
\begin{align*}
R[x,y] &= R[y,x] \\
R[x,y] &= \bigl(R[x] \bigr)[y],
\end{align*}
die wir nicht formal beweisen werden.
\end{beobachtung}
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}[\mathlib{Algebra/Polynomial/Degree/Operations.html\#Polynomial.degree_mul}]\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 $q ∈ R[x]$:
\begin{equation*}
\deg (p·q) = (\deg p)+(\deg q).
\end{equation*}
Insbesondere ist $R[x]$ wieder ein Integritätsring.
\end{satz}
\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 $s_m≠ 0$, 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.
\end{align*}
Dann ist weiter
\begin{equation*}
p(x)·q(x) = r_0·s_0 + (r_1·s_0 + r_0·s_1)·x + \dots + r_ns_m·x^{n+m}.
\end{equation*}
Weil $R$ ein Integritätsring ist, ist $r_n·s_m ≠ 0$, und also ist
$\deg (p·q) =n+m$.
\end{proof}
\begin{kor}[\mathlib{Algebra/Polynomial/Degree/Units.html\#Polynomial.isUnit_iff}]
\index{Einheitengruppe}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*}
wobei wir die Ringelemente aus $R^* ⊆ R$ als konstante Polynome
auffassen.
\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
\[
\deg p ≤ \deg p + \deg q = \deg (p·q) = \deg 1 = 0.
\]
Also ist $\deg p = 0$ und somit ist $p$ konstant.
\end{proof}
\begin{bsp}
Es ist $ℤ[x_1, x_2]^* = ± 1$.
\end{bsp}
\begin{bsp}
Sei $K$ ein Körper. Dann ist $K[x_1, …, x_n]^* = K^* = K∖\{0\}$.
\end{bsp}
\section{Teilbarkeit in Ringen}
In der (Grund-)Schule haben wir den Begriff „Teiler“ kennengelernt. In
allgemeinen Ringen geht das nicht anders.
\begin{defn}[Teiler, \mathlib{Algebra/Divisibility/Basic.html\#dvd_def}]
Es sei $R$ ein kommutativer Ring und es sei $r$, $s ∈ R$. Man nennt $r$ einen
\emph{Teiler von $s$}\index{Teiler|textbf}, wenn es $q ∈ R$ gibt, sodass $r·q = s$
ist. Wir schreiben dann $r|s$.
\end{defn}
\begin{bsp}
Es gilt $2|16$ in $ℤ$. Es gilt $(x-1)|(x²-1)$ in $ℝ[x]$.
\end{bsp}
\begin{prop}[Offensichtliche Rechenregeln für Teiler]\label{Satz_Rechenregeln_Teiler}\index{Teiler}
Es sei $R$ ein kommutativer Ring und $r$, $s$, $t$, $s_1$, $s_2$, $u$ und $v$
seien Elemente. Dann gilt Folgendes.
\begin{itemize}
\item Es gilt $r|r$.
\item Aus $r|s$ und $s|t$ folgt $r|t$.
\item Aus $r|s_1$ und $r|s_2$ folgt $r|(s_1+s_2)$.
\item Aus $r|s_1$ und $r|(s_1+s_2)$ folgt $r|s_2$.
\item Aus $r|s$ und $u|v$ folgt $(r·u)|(s·v)$.
\end{itemize}
\end{prop}
\begin{proof}
Keine Lust. Folgt alles direkt aus der Definition.
\end{proof}
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“.
\begin{satzdef}[Zueinander assoziierte Elemente, \mathlib{Algebra/GroupWithZero/Associated.html\#dvd_dvd_iff_associated}]
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring und es seien $r$, $s$ zwei
Elemente von $R$. Dann sind folgende Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
\item\label{Satz_assoziiert_1} Es gilt gleichzeitig $r|s$ und $s|r$.
\item\label{Satz_assoziiert_2} Es existiert ein Element $ε ∈ R^*$, sodass
$ε·r=s$ ist.
\end{enumerate}
Sind die Bedingungen erfüllt, nennt man $r$ und $s$ \emph{zueinander
assoziiert}\index{assoziierte Ringelemente|textbf} 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
\begin{equation*}
u· r=s \quad\text{und}\quad v· s=r.
\end{equation*}
Falls $r=0$ gilt, folgt aus $r|s$, dass auch $s=0$ ist. Dann gilt $s=1·r$ mit
$1∈R^*$. Sei nun $r\neq0$. Dann ist
\begin{equation*}
v·(u· r) = v·s \:⇒\: (v· u-1)·r = 0.
\end{equation*}
Weil $R$ ein Integritätsring ist und $r\neq0$ gilt, folgt $v· u =1$.
Also sind $v$ und $u$ Einheiten in $R$. Mit $s=u·r$ ist damit
$s=ε·r$ für $ε:=u∈R^*$.
\end{proof}
Wie in $ℤ$ gibt es in beliebigen Integritätsringen echte und nicht-echte
Teiler.
\begin{definition}[Echte Teiler, irreduzible Elemente, \mathlib{Algebra/Group/Irreducible/Defs.html\#Irreducible}]
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring und $r$, $s ∈ R$ seien zwei
Elemente. Dann ist $r$ ein \emph{echter Teiler von $s$}\index{Teiler!echt|textbf}, wenn alle der folgenden Bedingungen gelten.
\begin{itemize}
\item Es gilt $r|s$.
\item Das Element $r$ ist keine Einheit im Ring $R$.
\item Die Elemente $r$ und $s$ sind nicht zueinander assoziiert.
\end{itemize}
Ein Element $r$ aus einem Integritätsring heißt
\emph{irreduzibel}\index{irreduzibles Ringelement|textbf}, wenn $r$ nicht Null ist,
keine Einheit ist und keine echten Teiler hat.
\end{definition}
\begin{notation}
Wenn $r$ ein echter Teiler von $s$ ist, schreibt man $r||s$.\index{*rs@$r \Vert s$ (echter Teiler)|textbf}
\end{notation}
\begin{bsp}[Irreduzible Elemente von $ℤ$]\label{bsp:iZ}
Die irreduziblen Elemente von $ℤ$ sind die Elemente der Form $± p$, wobei
$p$ eine Primzahl ist.
\end{bsp}
\begin{warnung}
Beispiel~\ref{bsp:iZ} ist ein bisschen gefährlich. Wir werden später für
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 (=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}%
Zu früh gefreut. Geht nicht. Ich behaupte, dass die folgende Menge von
komplexen Zahlen,
\[
R := \{ a+b·\sqrt{5}i ∈ ℂ \:|\: a,b ∈ ℤ\},
\]
einen Unterring des Körpers $ℂ$ bildet; dieser wird in der Literatur oft mit
$ℤ[\sqrt{-5}]$ bezeichnet. Ich behaupte auch, dass die Elemente
\[
3, \quad 2+\sqrt{5}i \quad\text{und}\quad 2-\sqrt{5}i
\]
irreduzibel und paarweise nicht zueinander assoziiert sind. Es gilt aber
schrecklicherweise
\[
3· 3 = 9 = (2+\sqrt{5}i)·(2-\sqrt{5}i).
\]
Das Element 9 aus $R$ hat also zwei sehr unterschiedliche Darstellungen als
Produkt von irreduziblen Elementen.
\end{warning}
\subsection{Existenz von Zerlegungen}
\sideremark{Vorlesung 5}Wir kümmern uns zuerst um die Frage, wann es überhaupt
eine Zerlegung in irreduzible Elemente gibt. Dazu sind folgende Definitionen
relevant.
\begin{defn}[Teilerkette für Elemente]\label{def:TK}%
Es sei $R$ ein kommutativer Ring. Eine \emph{Teilerkette}\index{Teilerkette|textbf}
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, \mathlib{RingTheory/UniqueFactorizationDomain/Defs.html\#WfDvdMonoid}]\label{def:TKSE}%
Es sei $R$ ein kommutativer Ring. Man sagt \emph{in $R$ gilt der
Teilerkettensatz für Elemente}\index{Teilerkettensatz!für Elemente|textbf}, 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}\label{rem:5-4-4}%
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 $|r_n| > |r_{n+1}|$.
\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.
\end{bsp}
\begin{warnung}
In der Hausaufgabe werden wir sehen: es gibt Integritätsringe, in denen der
Teilerkettensatz nicht gilt.
\end{warnung}
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
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; * 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“\index{noethersche Induktion} bekannt.
\begin{satz}[\mathlib{RingTheory/UniqueFactorizationDomain/Defs.html\#WfDvdMonoid.exists_factors}]\label{satz:tksgz}
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring, in dem der Teilerkettensatz für
Elemente gilt. Weiter sei $r ∈ R$ ein Element, welches weder 0 noch eine Einheit ist.
Dann kann man $r$ als Produkt von endlich vielen irreduziblen Elementen
$p_i ∈ R$ schreiben.
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis, \video{5-1}]
Wir führen einen Widerspruchsbeweis durch Noethersche Induktion und beginnen
mit einer Vorüberlegung: Wenn $M ⊆ R$ eine nicht-leere Teilmenge ist, dann
gibt es ein Element $m ∈ M$, das keine echten Teiler in $M$ hat. Andernfalls
könnte ich nämlich, beginnend mit einem beliebigen Element $m_0 ∈ M$, induktiv
eine Teilerkette $(m_n)_{n ∈ ℕ}$ konstruieren, in der $m_{n+1}$ stets ein
echter Teiler von $m_n$ ist und in $M$ liegt. Das widerspricht dem
Teilerkettensatz.
Betrachte jetzt die Menge
\begin{multline*}
M := \{ r ∈ R \::\: r ≠ 0 \text{ und } r ∉ R^* \text{ und } r \text{ ist nicht als} \\
\text{endliches Produkt von irreduziblen Elementen darstellbar} \}.
\end{multline*}
Wir müssen zeigen, dass $M$ leer ist. Wir argumentieren mit Widerspruch und
nehmen an, dass $M ≠ ∅$ ist. Nach der Vorüberlegung gibt es dann ein Element
$m ∈ M$, das keine echten Teiler in $M$ hat. Das Element $m$ ist nicht
irreduzibel, denn sonst wäre $m$ trivialerweise als Produkt mit einem einzigen
Faktor darstellbar. Weil $m$ weder Null noch eine Einheit ist, hat $m$ also
einen echten Teiler: Wir können $m = a·b$ schreiben, wobei $a$ ein echter
Teiler von $m$ ist.
Ich behaupte, dass auch $b$ ein echter Teiler von $m$ ist. Offenbar gilt
$b|m$. Wäre $b$ eine Einheit, dann wäre $a = b^{-1}·m$ zu $m$ assoziiert ---
im Widerspruch dazu, dass $a$ ein echter Teiler von $m$ ist. Wäre $b$ zu $m$
assoziiert, etwa $b = ε·m$ mit $ε ∈ R^*$, dann wäre $m = a·ε·m$, also $(1 -
a·ε)·m = 0$. Weil $m ≠ 0$ und $R$ nullteilerfrei ist, folgte $a·ε = 1$; dann
wäre $a$ eine Einheit --- wieder ein Widerspruch. Also ist $b$ weder Null
noch eine Einheit noch zu $m$ assoziiert, das heißt, $b$ ist ein echter Teiler
von $m$.
Nach Wahl von $m$ liegen die echten Teiler $a$ und $b$ nicht in der Menge $M$.
Beide Elemente sind weder Null noch Einheiten, also sind beide als endliche
Produkte von irreduziblen Elementen darstellbar. Dann ist aber auch $m = a·b$
als endliches Produkt von irreduziblen Elementen darstellbar --- im
Widerspruch zur Annahme $m ∈ M$. Also ist $M = ∅$ und der Satz ist bewiesen.
\end{proof}
\subsection{Eindeutigkeit von Zerlegungen}
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“.
\begin{defn}[Äquivalente Zerlegungen]
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring, es sei $r ∈ R$ ein Element und es
seien
\[
r = p_1 ⋯ p_n = q_1 ⋯ q_m
\]
zwei Darstellungen von $r$ als Produkt von irreduziblen Elementen. Die
Darstellungen heißen \emph{äquivalent}\index{äquivalente Darstellungen|textbf}, wenn
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}
\begin{bsp}
Betrachte $R = ℤ$. Dann sind $6 = 2·3 = (-3)·(-2)$ zwei äquivalente
Darstellungen der Zahl $6$.
\end{bsp}
Wir wollen natürlich ein Kriterium dafür finden, dass für alle Elemente eines
Ringes je zwei Darstellungen äquivalent sind. Die folgende Definition ist dabei
wichtig.
\begin{definition}[Primelemente eines Ringes, \mathlib{Algebra/Prime/Defs.html\#Prime}]
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring. Ein Element $p ∈ R$ heißt
\emph{prim}\index{Primelement|textbf}, wenn $p$ keine Einheit ist,
$p ≠ 0$ gilt und wenn für alle $a,b ∈ R$ mit $p|(a·b)$ schon folgt, dass
$p|a$ oder $p|b$ gilt.
\end{definition}
\begin{satz}[Regeln im Umgang mit Primelementen, \mathlib{Algebra/Prime/Defs.html\#Prime.irreducible}]\index{Primelement}
Es sei $R$ ein kommutativer Integritätsring und es sei $p ∈ R$. Dann gilt
Folgendes.
\begin{enumerate}
\item\label{Satz_Prim_1} $p$ ist prim $⇒$ $p$ ist irreduzibel.
\item\label{Satz_Prim_2} $p$ ist prim und $p \sim s$ $⇒$ $s$ ist prim.
\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 $p|a_i$.
\end{enumerate}
\end{satz}
\begin{proof}
Die meisten Punkte sind klar, es ist nur \ref{Satz_Prim_1} zu zeigen. Sei $p$
also prim. Aus $p = a· b$ folgt dann $p|a$ oder $p|b$, also $p \sim a$
oder $p \sim b$, das heißt $p$ ist irreduzibel.
\end{proof}
\begin{bsp}[Primzahlen]\label{satz:Zpirr}\index{Primzahl}
In $ℤ$ ist ein Element genau dann prim, wenn es irreduzibel ist. Also: die
Menge der Primelemente sind genau die Primzahlen. Der Beweis ist erstaunlich
kompliziert. Wir argumentieren mit Widerspruch und nehmen an, nicht jedes
irreduzible Element in $ℤ$ sei prim. Die irreduziblen Elemente in $ℤ$ sind
aber gerade $±$ Primzahl. Also nehmen wir an, dass es eine kleinste
(positive) Primzahl $p ∈ ℤ$ mit der Eigenschaft gibt, dass es zwei Zahlen
$a,b ∈ ℤ$ gibt mit $p|(a· b)$ und $p \nmid a$ und $p \nmid
b$. Division mit Rest liefert:
\begin{align*}
a &= q_1· p+a_1, & 1&≤a_1<p,\\
b &= q_2· p+b_1, & 1&≤b_1<p.
\end{align*}
Dann gilt $p \nmid a_1$ und $p \nmid b_1$, aber
\begin{equation*}
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 $p^\prime|b$.
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.
\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!
\end{bsp}
\begin{bsp}
In dem Ring $R = ℤ[\sqrt{-5}] ⊂ ℂ$ ist nicht jedes irreduzible
Element prim. Das Element $2+\sqrt{-5}$ ist irreduzibel, teilt $3· 3$,
aber nicht $3$. Also ist $2+\sqrt{-5}$ nicht prim. Wir werden später sehen,
dass dies exakt der Grund ist, warum die Zerlegung in irreduzible Elemente
nicht eindeutig ist
\end{bsp}
\begin{satz}[Zentraler Satz über die (eindeutige) Existenz von Zerlegungen, \mathlib{RingTheory/UniqueFactorizationDomain/Basic.html\#UniqueFactorizationMonoid.factors_unique}]\label{Satz_Zerlegung}\index{faktorieller Ring}
Sei $R$ ein kommutativer Integritätsring. Dann sind die folgenden Aussagen
äquivalent.
\begin{enumerate}
\item\label{Satz_Zerlegungen_1} Jedes Element $r∈ R$ mit $r≠ 0$ und
$r\not ∈ R^*$ hat eine Darstellung als Produkt von endlich vielen
irreduziblen Elementen von $R$ \emph{und} je zwei Darstellungen von $r$ sind
äquivalent.
\item\label{Satz_Zerlegungen_2} In $R$ gilt der Teilerkettensatz für Elemente
und jedes irreduzible Element von $R$ ist prim.
\end{enumerate}
\end{satz}
\begin{proof}
---
\begin{itemize}
\item Richtung \ref{Satz_Zerlegungen_1}$⇒$\ref{Satz_Zerlegungen_2},
\video{5-2}: Es gelte also die eindeutige Zerlegbarkeit,
Bedingung~\ref{Satz_Zerlegungen_1}. Zur Abkürzung nennen wir eine
Darstellung eines Elementes als Produkt von endlich vielen irreduziblen
Elementen kurz eine „Zerlegung“; Elemente, die eine Zerlegung besitzen, sind
stets weder Null noch Einheiten.
\schritt{Schritt 1: Der Teilerkettensatz gilt.} Wir beginnen mit einer
Beobachtung. Es seien $r = r_1 ⋯ r_n$ und $s = s_1 ⋯ s_m$ Elemente mit
Zerlegungen. Wenn $r|s$ gilt, dann ist $n ≤ m$; wenn $r$ sogar ein echter
Teiler von $s$ ist, dann ist $n < m$. Um das einzusehen, schreibe $s =
r·t$. Falls $t$ eine Einheit ist, dann ist $s = r_1 ⋯ r_{n-1}·(r_n·t)$ eine
Zerlegung von $s$ der Länge $n$; weil je zwei Zerlegungen von $s$ äquivalent
sind, ist dann $m = n$, und $r$ und $s$ sind assoziiert. Falls $t$ keine
Einheit ist, dann ist $t ≠ 0$ (sonst wäre $s=0$) und $t$ besitzt nach
Annahme eine Zerlegung $t = t_1 ⋯ t_k$ mit $k ≥ 1$. Dann ist $r_1 ⋯ r_n·t_1
⋯ t_k$ eine Zerlegung von $s$ der Länge $n+k$, also ist $m = n+k > n$.
Es sei jetzt $(r_n)_{n ∈ ℕ}$ eine Teilerkette. Nach
Bemerkung~\vref{rem:5-4-4} genügt es zu zeigen, dass es nur endlich viele
Indizes $n$ gibt, bei denen $r_{n+1}$ ein echter Teiler von $r_n$ ist.
Beachte zuerst: Wenn $r_{n+1}$ ein echter Teiler von $r_n$ ist, dann ist
$r_{n+1}$ weder Null noch eine Einheit\footnote{Einheiten sind per
Definition keine echten Teiler, und aus $0|r_n$ folgt $r_n = 0$, aber $0$
ist zu $0$ assoziiert.}, besitzt also eine Zerlegung. Beachte weiter: Sobald
ein Kettenglied weder Null noch eine Einheit ist, gilt dasselbe für alle
nachfolgenden Kettenglieder, bei denen ein echter Teiler vorliegt. Bei
jedem Index, an dem $r_{n+1}$ ein echter Teiler von $r_n$ ist und beide
Elemente Zerlegungen besitzen, wird die Länge der Zerlegung nach der
Beobachtung echt kleiner; bei allen anderen Indizes wächst sie nicht. Ab
dem ersten Kettenglied mit Zerlegung kann die Länge also nur endlich oft
echt fallen. Zusammen mit dem (höchstens einen) Index, an dem die Kette den
Wert Null verlässt, gibt es also nur endlich viele Indizes mit echten
Teilern, und der Teilerkettensatz ist gezeigt.
\schritt{Schritt 2: Jedes irreduzible Element ist prim.} Es sei $p ∈ R$
irreduzibel und es seien $a$, $b ∈ R$ mit $p|(a·b)$; wir müssen zeigen, dass
$p|a$ oder $p|b$ gilt. Falls $a·b = 0$ ist, dann ist $a=0$ oder $b=0$, weil
$R$ ein Integritätsring ist; die Behauptung gilt dann trivialerweise. Falls
$a$ eine Einheit ist, dann folgt aus $p|(a·b)$ sofort $p|b$, denn $b =
a^{-1}·(a·b)$; analog, falls $b$ eine Einheit ist. Es bleibt der Fall, dass
$a$ und $b$ beide weder Null noch Einheiten sind. Wähle Zerlegungen
\begin{equation*}
a = a_1 ⋯ a_m \quad\text{und}\quad b = b_1 ⋯ b_k
\end{equation*}
und schreibe $a·b = p·h$. Das Element $h$ ist nicht Null, denn sonst wäre
$a·b = 0$. Das Element $h$ ist auch keine Einheit: Sonst wäre $p·h$
irreduzibel und $a·b$ hätte zwei Zerlegungen der verschiedenen Längen $1$
und $m + k ≥ 2$, im Widerspruch zur Äquivalenz von Zerlegungen. Also
besitzt $h$ eine Zerlegung $h = h_1 ⋯ h_n$, und wir erhalten zwei
Zerlegungen desselben Elementes,
\begin{equation*}
p·h_1 ⋯ h_n = a_1 ⋯ a_m·b_1 ⋯ b_k.
\end{equation*}
Nach Annahme sind diese Zerlegungen äquivalent. Insbesondere gibt es auf
der rechten Seite einen Faktor, der zu $p$ assoziiert ist. Wenn dieser
Faktor eines der $a_i$ ist, dann gilt $p|a$; wenn er eines der $b_j$ ist,
dann gilt $p|b$.
\item Richtung \ref{Satz_Zerlegungen_2}$⇒$\ref{Satz_Zerlegungen_1},
\video{5-3}: Es gelte jetzt also der Teilerkettensatz, und jedes irreduzible
Element sei prim. Die Existenz von Darstellungen ist genau die Aussage von
Satz~\vref{satz:tksgz}. Es bleibt die Eindeutigkeit zu zeigen: Für jedes
Element $r$ und jedes Paar von Darstellungen
\begin{equation*}
r = p_1 ⋯ p_n = q_1 ⋯ q_m
\end{equation*}
als Produkt von irreduziblen Elementen müssen wir zeigen, dass die beiden
Darstellungen äquivalent sind. Ohne Einschränkung sei $n ≤ m$; wir beweisen
die Aussage per Induktion nach der Länge $n$ der kürzeren Darstellung.
\schritt{Induktionsstart, $n = 1$.} Es ist $r = p_1 = q_1 ⋯ q_m$,
insbesondere ist $r$ irreduzibel. Wäre $m ≥ 2$, dann wäre $q_1$ ein echter
Teiler von $r$: Es gilt $q_1|r$, das irreduzible Element $q_1$ ist keine
Einheit, und $q_1$ ist nicht zu $r$ assoziiert, denn sonst wäre das Produkt
$q_2 ⋯ q_m$ eine Einheit und damit auch das irreduzible Element $q_2$. Das
widerspricht der Irreduzibilität von $r$. Also ist $m = 1$, und die
Darstellungen $r = p_1 = q_1$ sind offensichtlich äquivalent.
\schritt{Induktionsschritt, $n ≥ 2$.} Betrachte das Element $p_1$. Es ist
irreduzibel, nach Annahme also prim. Wegen $p_1|(q_1 ⋯ q_m)$ gibt es nach
Satz~\vref{Satz_Prim_4} einen Index $j$ mit $p_1|q_j$; nach Umnummerierung
dürfen wir $j = 1$ annehmen. Das Element $q_1$ ist ebenfalls irreduzibel,
also prim, und Satz~\vref{Satz_Prim_3} liefert $p_1 \sim q_1$. Schreibe
also $p_1 = ε·q_1$ mit einer geeigneten Einheit $ε ∈ R^*$. Insgesamt
erhalten wir
\begin{equation*}
(ε·q_1)·p_2 ⋯ p_n = q_1·q_2 ⋯ q_m.
\end{equation*}
Weil $R$ ein Integritätsring und $q_1 ≠ 0$ ist, dürfen wir $q_1$ kürzen,
\begin{equation*}
(ε·p_2)·p_3 ⋯ p_n = q_2 ⋯ q_m.
\end{equation*}
Das Element $ε·p_2$ ist zu $p_2$ assoziiert und deshalb ebenfalls
irreduzibel. Wir haben hier also zwei Darstellungen desselben Elementes der
Längen $n-1$ und $m-1$ vor uns; nach Induktionsannahme sind diese
äquivalent. Zusammen mit $p_1 \sim q_1$ und $ε·p_2 \sim p_2$ folgt, dass
auch die ursprünglichen Darstellungen $p_1·p_2 ⋯ p_n$ und $q_1·q_2 ⋯ q_m$
äquivalent sind. \qedhere
\end{itemize}
\end{proof}
\begin{definition}[Faktorieller Ring, \mathlib{RingTheory/UniqueFactorizationDomain/Defs.html\#UniqueFactorizationMonoid}]
Ein kommutativer Integritätsring heißt \emph{faktoriell}\index{faktorieller Ring|textbf},
wenn er die Bedingungen von Satz~\ref{Satz_Zerlegung} erfüllt.
\end{definition}
\begin{rem}
In der Literatur findet man statt „faktoriell“ manchmal auch die Adjektive
\emph{ZPE}\index{ZPE|see{faktorieller Ring}} (= \textbf{Z}erlegung in \textbf{P}rimelemente ist
\textbf{E}indeutig) oder \emph{UFD}\index{UFD|see{faktorieller Ring}} (= \textbf{U}nique
\textbf{F}actorization \textbf{D}omain).
\end{rem}
\begin{bsp}
Der Ring $ℤ$ ist faktoriell, denn wir haben gezeigt, dass jedes irreduzible
Element prim ist.
\end{bsp}
\begin{bsp}
Körper sind trivialerweise faktoriell, denn $K ∖ \{0\} = K^*$.
\end{bsp}
Weitere Beispiele lassen sich mit dem folgenden Satz finden.
\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.}, \mathlib{RingTheory/Polynomial/UniqueFactorization.html\#Polynomial.uniqueFactorizationMonoid}]\label{Satz_Satz_von_Gauss}\index{Gauß, Satz von!über faktorielle Polynomringe|textbf}
Es sei $R$ ein faktorieller Ring. Dann ist auch der Polynomring
$R[x_1, …, x_n]$ faktoriell.
\end{satz}
\begin{bsp}
Die Ringe $ℤ[x_1, …, x_n]$ oder $ℚ[x_1, …, x_n]$ sind faktoriell.
\end{bsp}
Der Beweis des Satzes von Gauß verwendet folgendes Lemma.\sideremark{Vorlesung
6}
\begin{lem}[\mathlib{RingTheory/Polynomial/Basic.html\#Polynomial.prime_C_iff}]\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}
\begin{proof}[Beweis, \video{6-1}]
Zuerst beachte, dass $p$ in $R[x]$ weder Null noch eine Einheit ist: Aus $p·q
= 1$ mit $q ∈ R[x]$ folgt aus Gradgründen $q ∈ R$, aber $p$ ist keine Einheit
in $R$. Beachte weiter: Ein Polynom $g ∈ R[x]$ ist genau dann durch $p$
teilbar, wenn alle Koeffizienten von $g$ durch $p$ teilbar sind.
Wir argumentieren durch Kontraposition: Gegeben Polynome $g$, $h ∈ R[x]$ mit
$p \nmid g$ und $p \nmid h$, müssen wir zeigen, dass $p \nmid (g·h)$ ist.
Schreibe
\begin{equation*}
g(x) = \sum_{i=0}^{n} g_i·x^i \quad\text{und}\quad
h(x) = \sum_{j=0}^{m} h_j·x^j.
\end{equation*}
Nach der Vorüberlegung gibt es Indizes $i$ mit $p \nmid g_i$ und $j$ mit $p
\nmid h_j$; wähle $i$ und $j$ jeweils minimal. Betrachte jetzt den
Koeffizienten von $x^{i+j}$ im Produkt $g·h$, also
\begin{equation*}
\sum_{a+b = i+j} g_a·h_b.
\end{equation*}
Für jeden Summanden mit $(a,b) ≠ (i,j)$ gilt $a < i$ oder $b < j$; wegen der
Minimalität von $i$ und $j$ teilt $p$ dann $g_a$ beziehungsweise $h_b$, also
auch den Summanden $g_a·h_b$. Den verbleibenden Summanden $g_i·h_j$ teilt $p$
hingegen nicht: Weil $p$ prim in $R$ ist, würde aus $p|(g_i·h_j)$ nämlich
$p|g_i$ oder $p|h_j$ folgen. Insgesamt teilt $p$ den Koeffizienten von
$x^{i+j}$ von $g·h$ nicht. Also ist $g·h$ nicht durch $p$ teilbar, und das
war zu zeigen.
\end{proof}
\begin{proof}[Beweis von Satz~\ref{Satz_Satz_von_Gauss}, \video{6-2}]
Es genügt, den Fall einer Variablen zu behandeln, also zu zeigen, dass $R[x]$
faktoriell ist: Wegen $R[x_1, …, x_n] = \bigl(R[x_1, …, x_{n-1}]\bigr)[x_n]$
folgt der allgemeine Fall dann durch Induktion nach der Anzahl der Variablen.
Zur Abkürzung nennen wir eine Darstellung eines Elementes als Produkt von
endlich vielen irreduziblen Elementen wieder eine „Zerlegung“. Wir verwenden
im Folgenden mehrfach, dass die Einheiten von $R[x]$ genau die Einheiten von
$R$ sind: Aus $g·h = 1$ folgt aus Gradgründen, dass $g$ und $h$ konstant sind.
Insbesondere ist ein konstantes Polynom genau dann irreduzibel in $R[x]$, wenn
es irreduzibel in $R$ ist.
\schritt{Schritt 1: Existenz von Zerlegungen.} Diesen Punkt bespricht das
Erklärvideo nur kurz. Nach Satz~\vref{satz:tksgz} genügt es zu zeigen, dass
in $R[x]$ der Teilerkettensatz gilt. Es sei also $(r_n)_{n ∈ ℕ}$ eine
Teilerkette in $R[x]$. Falls alle $r_n$ Null sind, sind aufeinanderfolgende
Glieder assoziiert und es ist nichts zu zeigen; andernfalls sind ab einem
gewissen Index alle $r_n$ ungleich Null\footnote{Aus $0|r_n$ folgt $r_n=0$.
Einmal ungleich Null, immer ungleich Null.} und wir dürfen annehmen, dass alle
$r_n ≠ 0$ sind. Wegen $r_{n+1}|r_n$ ist die Folge der Grade $(\deg r_n)_{n∈ℕ}$
monoton fallend, also ab einem Index $N$ konstant. Für $n ≥ N$ ist dann $r_n
= c_n·r_{n+1}$ mit Konstanten $c_n ∈ R ∖ \{0\}$. Der Vergleich der
Leitkoeffizienten $a_n$ zeigt $a_n = c_n·a_{n+1}$; die Leitkoeffizienten
bilden also eine Teilerkette in $R$. Weil $R$ faktoriell ist, gilt in $R$ der
Teilerkettensatz, Satz~\vref{Satz_Zerlegung}. Also gibt es ein $N' ≥ N$,
sodass für alle $k ≥ N'$ die Elemente $a_{k+1}$ und $a_k$ assoziiert sind.
Dann ist $c_k$ jeweils eine Einheit, also sind auch $r_{k+1}$ und $r_k$
assoziiert, und der Teilerkettensatz in $R[x]$ ist gezeigt.
\schritt{Schritt 2: Ein minimales Gegenbeispiel.} Für die Eindeutigkeit
argumentieren wir mit Widerspruch und nehmen an, es gäbe ein Polynom $r ∈
R[x]$ mit zwei nicht-äquivalenten Zerlegungen,
\begin{equation*}
r = p_1 ⋯ p_k = q_1 ⋯ q_ℓ.
\end{equation*}
Ohne Einschränkung dürfen wir Folgendes annehmen.
\begin{enumerate}
\item\label{il:gauss1} Der Grad $\deg r$ ist minimal unter allen
Polynomen, die nicht-äquivalente Zerlegungen besitzen.
\item\label{il:gauss2} Die Faktoren sind nach absteigendem Grad
sortiert: $m := \deg p_1 ≥ \deg p_2 ≥ ⋯$ und
$n := \deg q_1 ≥ \deg q_2 ≥ ⋯$
\item\label{il:gauss3} Es ist $n ≥ m$; andernfalls vertausche die
beiden Zerlegungen.
\end{enumerate}
Außerdem gilt Folgendes.
\begin{enumerate}\setcounter{enumi}{3}
\item\label{il:gauss4} Es ist $\deg r > 0$. Wäre nämlich $r$ konstant,
dann bestünden aus Gradgründen beide Zerlegungen aus irreduziblen
Elementen von $R$, und weil $R$ faktoriell ist, wären die Zerlegungen
äquivalent. Zusammen mit \ref{il:gauss2} folgt insbesondere $m ≥ 1$,
denn wäre $\deg p_1 = 0$, dann wären alle $p_i$ konstant und damit
auch $r$.
\item\label{il:gauss5} Das Polynom $r$ ist nicht irreduzibel, denn sonst
hätten beide Zerlegungen die Länge Eins\footnote{Bei einer Zerlegung
$r = p_1·p_2⋯p_k$ der Länge $k ≥ 2$ wäre $p_1$ ein echter Teiler
des irreduziblen Elementes $r$.} und wären offensichtlich
äquivalent. Insbesondere ist $k ≥ 2$ und $ℓ ≥ 2$.
\item\label{il:gauss6} Das Element $p_1$ ist zu keinem der $q_i$
assoziiert. Andernfalls wäre nach Umnummerierung $p_1 = ε·q_1$ mit
einer Einheit $ε$, und Kürzen von $q_1$ lieferte zwei Zerlegungen
\begin{equation*}
(ε·p_2)·p_3 ⋯ p_k = q_2 ⋯ q_ℓ
\end{equation*}
desselben Polynoms vom Grad $\deg r - m < \deg r$. Diese wären nach
\ref{il:gauss1} beziehungsweise --- im konstanten Fall --- nach der
Faktorialität von $R$ äquivalent, und dann wären auch die
ursprünglichen Zerlegungen von $r$ äquivalent.
\end{enumerate}
\schritt{Schritt 3: Das Hilfspolynom $s$.} Es seien $a$ und $b ∈ R$ die
Leitkoeffizienten von $p_1$ beziehungsweise $q_1$. Betrachte das Hilfspolynom
\begin{equation*}
s := a·r - b·p_1·x^{n-m}·q_2 ⋯ q_ℓ ∈ R[x].
\end{equation*}
Einsetzen der beiden Zerlegungen von $r$ liefert die zwei Darstellungen
\begin{align}
\label{eq:gaussA} s & = \bigl(a·q_1 - b·p_1·x^{n-m}\bigr)·q_2 ⋯ q_ℓ \\
\label{eq:gaussB} s & = p_1·\bigl(a·p_2 ⋯ p_k - b·x^{n-m}·q_2 ⋯ q_ℓ\bigr).
\end{align}
In der Klammer von \eqref{eq:gaussA} heben sich die Leitterme weg: Beide
Summanden haben den Leitterm $a·b·x^n$. Also ist $\deg\bigl(a·q_1 -
b·p_1·x^{n-m}\bigr) < n$ und folglich
\begin{equation*}
\deg s < \deg r.
\end{equation*}
Ich behaupte, dass in jedem Fall $p_1 | (a·q_1)$ gilt. Wir unterscheiden zwei
Fälle.
\begin{itemize}
\item \emph{Fall 1: $s = 0$.} Weil $R[x]$ ein Integritätsring ist und die
Faktoren $q_2, …, q_ℓ$ nicht Null sind, verschwindet in \eqref{eq:gaussA}
die Klammer: Es ist $a·q_1 = b·p_1·x^{n-m}$, insbesondere gilt
$p_1|(a·q_1)$.
\item \emph{Fall 2: $s ≠ 0$.} Wegen \eqref{eq:gaussB} gilt $p_1|s$;
insbesondere ist $s$ keine Einheit, denn sonst wäre auch das irreduzible
Element $p_1$ eine Einheit. Wir verfeinern jetzt \eqref{eq:gaussA} und
\eqref{eq:gaussB} zu Zerlegungen von $s$, indem wir die auftretenden
Klammern jeweils in irreduzible Faktoren zerlegen oder --- falls eine
Klammer eine Einheit ist --- in den benachbarten Faktor hineinziehen. So
entsteht aus \eqref{eq:gaussA} eine Zerlegung von $s$, in der jeder Faktor
entweder zu einem der Elemente $q_2, …, q_ℓ$ assoziiert oder ein
irreduzibler Faktor der Klammer $\bigl(a·q_1 - b·p_1·x^{n-m}\bigr)$ ist;
aus \eqref{eq:gaussB} entsteht eine Zerlegung von $s$, in der ein Faktor
zu $p_1$ assoziiert ist. Wegen $\deg s < \deg r$ sind je zwei Zerlegungen
von $s$ äquivalent --- nach der Minimalitätsannahme~\ref{il:gauss1}
beziehungsweise, falls $\deg s = 0$ ist, nach der Faktorialität von $R$.
Also ist $p_1$ zu einem Faktor der ersten Zerlegung assoziiert. Nach
\ref{il:gauss6} ist $p_1$ zu keinem der $q_i$ assoziiert. Also ist $p_1$
zu einem irreduziblen Faktor von $\bigl(a·q_1 - b·p_1·x^{n-m}\bigr)$
assoziiert und teilt deshalb dieses Polynom. Wegen $p_1 |
\bigl(b·p_1·x^{n-m}\bigr)$ folgt auch hier $p_1|(a·q_1)$.
\end{itemize}
\schritt{Schritt 4: Abstieg und Widerspruch.} Wir wissen jetzt: Es gibt ein
Polynom $h ∈ R[x]$ mit
\begin{equation*}
p_1·h = a·q_1.
\end{equation*}
Ich behaupte, dass $a|h$ in $R[x]$ gilt. Falls $a$ eine Einheit ist, ist
nichts zu zeigen. Andernfalls sei $f ∈ R$ ein beliebiger irreduzibler Faktor
von $a$. Weil $R$ faktoriell ist, ist $f$ prim in $R$, und nach
Lemma~\vref{Lemma_Hilfslemma} ist $f$ auch prim in $R[x]$. Aus $f|(p_1·h)$
folgt also $f|p_1$ oder $f|h$. Der erste Fall ist unmöglich: Das irreduzible
Polynom $p_1$ hat keine echten Teiler, und die Konstante $f$ ist weder eine
Einheit noch wegen $\deg p_1 = m ≥ 1$ zu $p_1$ assoziiert. Also gilt $f|h$.
Wir können $f$ jetzt in der Gleichung $p_1·h = a·q_1$ auf beiden Seiten kürzen
und erhalten dieselbe Gleichung mit $a/f$ statt $a$ und $h/f$ statt $h$.
Indem wir so nacheinander alle irreduziblen Faktoren von $a$ abspalten, folgt
die Behauptung $a | h$.
Kürzen von $a$ liefert nun ein Polynom $h' ∈ R[x]$ mit
\begin{equation*}
p_1·h' = q_1.
\end{equation*}
Das Element $q_1$ ist irreduzibel und hat keine echten Teiler; weil $p_1$
keine Einheit ist, muss also $h'$ eine Einheit sein. Dann ist aber $p_1$ zu
$q_1$ assoziiert --- im Widerspruch zu \ref{il:gauss6}. Damit ist die Annahme
widerlegt und der Satz von Gauß bewiesen.
\end{proof}
\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.
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}%
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 $i$, sodass $p \sim
p_i$ ist).
\end{situation}
Ein „Repräsentantensystem von zueinander assoziierten Primelementen“ existiert
wegen des Auswahlaxioms natürlich immer, aber manchmal gibt es besonders
einleuchtende Wahlen.
\begin{bsp}
Es sei $R = ℤ$ und $(p_i)_{i ∈ ℕ}$ die Menge der \emph{positiven} Primzahlen.
\end{bsp}
\begin{bsp}
Es sei $K$ ein Körper, es sei $R = K[x]$ und es seien $(p_i)_{i ∈ I}$ die
Menge der \emph{normierten} irreduziblen Polynome.
\end{bsp}
\begin{satzdef}[Primfaktorzerlegung, \mathlib{RingTheory/UniqueFactorizationDomain/NormalizedFactors.html\#UniqueFactorizationMonoid.normalizedFactors}]\label{Satz_Primfaktorzerlegung}
In Situation~\ref{sit:5-5-1} besitzt jedes Element $r∈ R∖ \{0\}$ eine (bis auf
Reihenfolge) eindeutige Faktorisierung
\begin{equation*}
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 $0$. Diese Darstellung heißt \emph{normierte
Primfaktorzerlegung}\index{Primfaktorzerlegung!normiert|textbf} von $r$ zum
Repräsentantensystem $(p_i)_{i ∈ I}$.
\end{satzdef}
\begin{proof}
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 $ε_j ∈ R^*$, 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}
An einer normierten Primfaktorzerlegung kann man Teilbarkeitseigenschaften
sofort ablesen.
\begin{beobachtung}
In Situation~\ref{sit:5-5-1} seien
\[
r = ε_r·\prod (p_i)^{ν_i} \quad\text{und}\quad
s = ε_s·\prod (p_i)^{μ_i}
\]
zwei Elemente zusammen mit ihren normierten Darstellungen. Dann gilt
Folgendes.
\begin{itemize}
\item Es ist $r|s$ genau dann, wenn für alle $i∈I$ die Ungleichung $ν_i ≤ μ_i$
gilt.
\item Es ist $r || s$ genau dann, wenn für alle $i∈I$ die Ungleichung
$ν_i ≤ μ_i$ gilt, wenn ein $j∈I$ mit $ν_j < μ_j$ existiert und wenn
zusätzlich nicht alle $ν_i$ verschwinden (also $r$ keine Einheit ist).
\item Es ist $r \sim s$ genau dann, wenn für alle $i∈I$ gilt, dass $ν_i = μ_i$
ist.
\end{itemize}
\end{beobachtung}
\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“ kennengelernt. Auch diese Begriffe übertragen sich ohne
weiteres auf Ringe.
\begin{defn}[Größter gemeinsamer Teiler, \mathlib{Algebra/GCDMonoid/Basic.html\#GCDMonoid.gcd}]
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 von $r$ und $s$}\index{größter gemeinsamer Teiler|textbf}, wenn Folgendes gilt.
\begin{itemize}
\item Es ist $g|r$ und $g|s$.
\item Für alle $t ∈ R$ gilt: $t|r$ und $t|s$ impliziert $t|g$.
\end{itemize}
Man schreibt in dieser Situation oft $g = \ggT(r,s)$\index{ggT|see{größter gemeinsamer Teiler}}\index{*ggT@$\ggT$ (größter gemeinsamer Teiler)|textbf}.
\end{defn}
\begin{defn}[Kleinstes gemeinsames Vielfaches, \mathlib{Algebra/GCDMonoid/Basic.html\#GCDMonoid.lcm}]
Sei $R$ ein kommutativer Ring mit 1 und es seien $r,s∈ R$ zwei Elemente. Ein
Element $v ∈ R$ heißt \emph{kleinstes gemeinsames Vielfaches}\index{kleinstes gemeinsames Vielfaches|textbf} 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 $v|t$.
\end{itemize}
Man schreibt in dieser Situation oft $v = \kgV(r,s)$\index{kgV|see{kleinstes gemeinsames Vielfaches}}\index{*kgV@$\kgV$ (kleinstes gemeinsames Vielfaches)|textbf}.
\end{defn}
\begin{definition}[Teilerfremde Elemente, \mathlib{Algebra/Divisibility/Units.html\#IsRelPrime}]
Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit 1. Zwei Elemente $r,s ∈ R$ heißen
\emph{teilerfremd}\index{teilerfremd|textbf}, wenn der $1 = \ggT(r, s))$ ist.
\end{definition}
\begin{warnung}
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
$\kgV$.
\end{warnung}
\begin{warnung}
In den Übungen werden wir sehen, dass größte gemeinsame Teiler in beliebigen
Ringen im Allgemeinen nicht existieren!
\end{warnung}
In faktoriellen Ringen müssen wir uns über die Existenz von $\ggT$ und $\kgV$
keine Gedanken machen.
\begin{satz}[\mathlib{RingTheory/UniqueFactorizationDomain/GCDMonoid.html\#UniqueFactorizationMonoid.toGCDMonoid}]
\index{größter gemeinsamer Teiler}\index{kleinstes gemeinsames Vielfaches}Ist $R$ ein faktorieller Ring, dann existiert zu jedem Paar
$r,s ∈ R ∖ \{0\}$ ein größter gemeinsamer Teiler und ein kleinstes
gemeinsames Vielfaches.
\end{satz}
\begin{proof}
Wähle ein Repräsentantensystem $(p_i)_{i ∈ I}$ von zueinander assoziierten
Primelementen wie in Situation~\ref{sit:5-5-1}. Schreibe
\[
r = ε_r·\prod (p_i)^{ν_i} \quad\text{und}\quad s = ε_s·\prod (p_i)^{μ_i}.
\]
Dann ist
\begin{equation*}
\ggT(r,s) = \prod (p_i)^{\min(ν_i,μ_i)} \quad\text{und}\quad
\kgV(r,s) = \prod (p_i)^{\max(ν_i,μ_i)}. \qedhere
\end{equation*}
\end{proof}
\subsection{Der Euklidische Algorithmus}
Die Primfaktorzerlegung eines Elementes in einem faktoriellen Ring zu bestimmen,
ist fast immer sehr schwer. In manchen Ringen kann man aber das kgV bestimmen,
ohne die Primfaktorzerlegung explizit zu kennen.
\begin{bsp}[\mathlib{Algebra/EuclideanDomain/Defs.html\#EuclideanDomain.gcd}]\label{bsp:5-6-7}
Sei $K$ ein Körper. Dann kann man im Ring $K[x]$ den \emph{Euklidischen Algorithmus}\index{euklidischer Algorithmus|textbf} verwenden. Seien also
$f,g∈ K[x]$ gegeben. Dann betrachte die Kette von Gleichungen, die man durch
Division mit Rest\index{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}\\
r_1(x)&= q_3(x)·r_2(x)+r_3(x)&&\text{mit }\deg r_3 < \deg r_2 \\
r_2(x)&= q_4(x)·r_3(x)+r_4(x)&&\text{mit }\deg r_4 < \deg r_3 \\
r_3(x)&= q_5(x)·r_4(x)+r_5(x)&&\text{mit }\deg r_5 < \deg r_4 \\
r_4(x)&= q_6(x)·r_5(x)+r_6(x)&&\text{mit }\deg r_6 < \deg r_5 \\
&\qquad\vdots&&\qquad\vdots\nonumber\\
\intertext{denn da die Grade immer kleiner werden, muss die Division irgendwann aufgehen}
r_{n-2}(x) &= q_n(x)· r_{n-1}(x)+r_n(x)&&\text{mit } \deg r_{n} < \deg r_{n-1}\label{eq:Euklid_3}\\
r_{n-1}(x) &= q_{n+1}(x)· r_n(x)\label{eq:Euklid_4}
\end{align}
\end{bsp}
\begin{satz}
In Beispiel~\ref{bsp:5-6-7} ist $r_n = \ggT(f, g)$.
\end{satz}
\begin{proof}
Sei $t(x)∈ K[x]$ ein Teiler von $f(x)$ und $g(x)$. Dann folgt aus
\eqref{eq:Euklid_1}: $t|r_1$. Aus \eqref{eq:Euklid_2} folgt $t|r_2$ und so
weiter bis schließlich $t|r_n$. Umgekehrt folgt aus \eqref{eq:Euklid_4}
$r_n|r_{n-1}$. Aus \eqref{eq:Euklid_3} folgt $r_n|r_{n-2}$ und so weiter.
Schließlich folgt $r_n|g$ und $r_n|f$.
\end{proof}
Ein analoges Verfahren kennen Sie aus der Schule für $ℤ$. Für $R = ℤ[x]$
lässt sich so ein Verfahren aber beispielsweise nicht anwenden!
%%% Local Variables:
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "AlgebraZahlentheorie"
%%% End: