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AlgebraZahlentheorie/22.tex
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\chapter{Kreisteilungskörper und die Konstruierbarkeit des regulären $n$-Ecks}
\label{chap:22}
Jetzt, ganz am Ende des Semesters, haben wir alle Vorbereitungen zusammen, um die
Frage nach der Konstruierbarkeit des regulären $n$-Ecks vollständig zu
beantworten. Der Beweis verwendet den Stoff des Semesters vollständig!
\section{Die Einheitswurzeln und die $φ$-Funktion}
Wir hatten gleich am Anfang die Frage nach der Konstruierbarkeit mit
Körpertheorie zusammengebracht. Der relevante Körper für das reguläre $n$-Eck
ist der Zerfällungskörper des Polynoms $x^n-1$.
\begin{definition}[Kreisteilungskörper, Einheitswurzeln, \mathlib{NumberTheory/Cyclotomic/Basic.html\#CyclotomicField}]\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
$ℚ$}\index{Kreisteilungskörper|textbf} bezeichnet. Die Schreibweise $L_n/ℚ$ ist
üblich.
\end{definition}
\begin{figure}
\centering
\begin{tikzpicture}[scale=1]
\def \n {8}
\def \radius {1.5}
\def \laenger {0.3}
\draw (-\radius-\laenger,0) -- ( \radius+\laenger,0);
\draw (0,-\radius-\laenger) -- (0, \radius+\laenger);
\draw[lightgray, dashed] (0,0) circle (\radius);
\foreach \s in {0,...,7} {
\coordinate (\s) at ({360/\n * (\s)}:\radius);
}
\foreach \s in {1,3,5,7} {
\fill[red] (\s) circle (.1);
}
\foreach \s in {0,...,7} {
\fill (\s) circle (.05);
}
\end{tikzpicture}
\quad
\begin{tikzpicture}[scale=1]
\def \n {6}
\def \radius {1.5}
\def \laenger {0.3}
\draw (-\radius-\laenger,0) -- ( \radius+\laenger,0);
\draw (0,-\radius-\laenger) -- (0, \radius+\laenger);
\draw[lightgray, dashed] (0,0) circle (\radius);
\foreach \s in {0,...,5}{
\coordinate (\s) at ({360/\n * (\s)}:\radius);
}
\foreach \s in {1,5}{
\fill[red] (\s) circle (.1);
}
\foreach \s in {0,...,5}{
\fill (\s) circle (.05);
}
\end{tikzpicture}
Die primitiven Einheitswurzeln sind rot markiert.
\caption{Achte und sechste Einheitswurzeln}
\label{fig:ehw}
\end{figure}
\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\index{Einheitswurzel|textbf} 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}\index{Einheitswurzel!primitiv|textbf}, 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}[Multiplikative Eigenschaften der Eulerschen $φ$-Funktion, \mathlib{Data/Nat/Totient.html\#Nat.totient_mul}]\label{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion}\index{Eulersche phi-Funktion@Eulersche $φ$-Funktion}
Die Eulersche $φ$-Funktion hat folgende Eigenschaften.
\begin{enumerate}
\item\label{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion_Aussage_1} Für alle
$n,m ∈ ℕ$ mit $\ggT(n,m) = 1$ gilt $φ(n·m) = φ(n)·φ(m)$.
\item\label{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion_Aussage_2} Für alle
Primzahlen $p ∈ ℕ$ und alle $α ∈ ℕ$ gilt $φ(p^α)=p^{α-1}·(p-1)$.
\item\label{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion_Aussage_3} Für alle
Tupel $(p_1, …, p_r) ∈ ℕ^r$ von paarweise verschiedenen Primzahlen und alle
Tupel $(α_1, …, α_r) ∈ ℕ^r$ gilt
\begin{equation*}
φ(p_1^{α_1} ⋯ p_r^{α_r}) = p_1^{α_1-1} ⋯ p_r^{α_r-1}·(p_1-1)⋯(p_r-1).
\end{equation*}
\end{enumerate}
\end{satz}
\begin{proof}
Wir beweisen zuerst \ref{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion_Aussage_1}:
Seien Zahlen $n,m ∈ ℕ$ mit $\ggT(n,m)=1$ gegeben. Dann gilt nach dem
Chinesischen Restsatz\index{Chinesischer Restsatz}, Satz~\vref{Satz_Chinesischer_Restsatz},
\begin{equation*}
\factor{ℤ}{(n·m)} ≅ \factor{ℤ}{(n)}⨯\factor{ℤ}{(m)}.
\end{equation*}
Ein Paar $(a,b) ∈ ℤ/(n) ⨯ ℤ/(m)$ ist genau dann eine Einheit, wenn $a ∈ ℤ/(n)$
und $b ∈ ℤ/(m)$ jeweils Einheiten sind. Also gilt
\begin{equation*}
\left|\left(\factor{ℤ}{(n· m)}\right)^*\right| = \left|\left(\factor{ℤ}{(n)}\right)^*\right|·\left|\left(\factor{ℤ}{(m)}\right)^*\right|.
\end{equation*}
Die Anzahl der Einheiten in der Gruppe $ℤ/(d)$ ist aber genau der Wert der
$φ$-Funktion an der Stelle $d$. Aussage
\ref{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion_Aussage_1} ist damit bewiesen.
Für Aussage~\ref{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion_Aussage_2}
beobachten wir, dass die Nicht-Einheiten in $ℤ/(p^α)$ exakt durch die
Vielfachen von $p$ repräsentiert sind, also durch die Elemente
$p, 2·p, 3·p, … , p^{α-1}·p = p^α$. Dies sind genau $p^{α-1}$ Elemente. Für
die Einheiten bleiben also
\begin{equation*}
p^α - p^{α-1} = p^{α-1}·(p-1)
\end{equation*}
Elemente übrig, fertig ist der Beweis von
\ref{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion_Aussage_2}.
Die letzte Aussage~\ref{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion_Aussage_3}
ist einfach eine Kombination von
\ref{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion_Aussage_1} und
\ref{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion_Aussage_2}.
\end{proof}
\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.
\begin{definition}[$n$-tes Kreisteilungspolynom, \mathlib{RingTheory/Polynomial/Cyclotomic/Basic.html\#Polynomial.cyclotomic}]
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|textbf}\index{*Phin@$Φ_n$ (Kreisteilungspolynom)|textbf}. Es
gilt $\deg Φ_n = φ(n)$.
\end{definition}
Der folgende Satz fasst die wesentlichen Eigenschaften von
Kreisteilungspolynomen zusammen.
\begin{satz}[Wesentliche Eigenschaften von Kreisteilungspolynomen, \mathlib{RingTheory/Polynomial/Cyclotomic/Basic.html\#Polynomial.prod_cyclotomic_eq_X_pow_sub_one}]\label{Satz_Wesentliche_Eigenschaften_Kreisteilungspolynom}\index{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).
\end{equation}
\end{satz}
\begin{proof}
Die Aussage über $Φ_1$ ist trivial. Wenn eine Zahl $n ∈ ℕ$ und eine beliebige
$n$.te Einheitswurzel $ξ$ gegeben sind, 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
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
Gleichung wohl übereinstimmen.
\end{proof}
\begin{beobachtung}
Mit Satz~\ref{Satz_Wesentliche_Eigenschaften_Kreisteilungspolynom} kann man
alle Kreisteilungspolynome rekursiv ausrechnen. Um ein gegebenes Polynom
$Φ_d$ zu bestimmen, genügt es nach
Satz~\ref{Satz_Wesentliche_Eigenschaften_Kreisteilungspolynom} nämlich, die
$Φ_e$ für alle Teiler $e$ von $d$ mit $e < d$ zu kennen; dann ist
\begin{equation*}
Φ_d(x) = \frac{x^d-1}{\prod_{e|d,\ e < d} Φ_e(x)}.
\end{equation*}
Für jede Primzahl $p$ gilt insbesondere $x^p-1 = Φ_1(x)·Φ_p(x)$, und somit
\begin{equation*}
Φ_p(x) = \frac{x^p-1}{x-1} = x^{p-1} + x^{p-2} + ⋯ + x + 1.
\end{equation*}
\end{beobachtung}
\begin{bsp}\label{bsp:2222}
Betrachte den Fall $d = 6$. Es gilt $x⁶-1 = Φ_1(x)·Φ_2(x)·Φ_3(x)·Φ_6(x)$.
Damit erhalten wir
\begin{equation*}
Φ_6(x) = \frac{x⁶-1}{(x-1)·(x+1)·(x²+x+1)} = x²-x+1
\end{equation*}
\end{bsp}
Das Beispiel~\ref{bsp:2222} zeigt insbesondere, dass das komplexe Polynom $Φ_6$
in Wirklichkeit ganzzahlige Koeffizienten hat! Der folgende Satz sagt, dass
dies kein Zufall ist. Der (Induktions-)Beweis ist nicht schlimm kompliziert,
aber ein wenig langwierig. Ich lasse ihn daher weg.
\begin{fakt}[\mathlib{RingTheory/Polynomial/Cyclotomic/Basic.html\#Polynomial.int_cyclotomic_spec}]
Die Kreisteilungspolynome sind ganzzahlig und normiert. Mit anderen Worten:
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
nicht beweisen.
\begin{fakt}[\mathlib{RingTheory/Polynomial/Cyclotomic/Roots.html\#Polynomial.cyclotomic.irreducible}]
Die Kreisteilungspolynome $Φ_n$ sind für alle $n ∈ ℕ$ irreduzibel. \qed
\end{fakt}
\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
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
Kreisteilungspolynom $Φ_n$. Also ist
\begin{equation*}
[L_n : ℚ ] = \deg Φ_n = φ(n).
\end{equation*}
Die Galoisgruppe ist jetzt kein Geheimnis mehr.
\begin{satz}[\mathlib{NumberTheory/Cyclotomic/Gal.html\#IsCyclotomicExtension.autEquivPow}]\label{satz:ktk}\index{Kreisteilungskörper}\index{Galoisgruppe!einer Körpererweiterung}\index{Einheitengruppe}
Es sei $n ∈ ℕ$ eine Zahl. Die Galoisgruppe von $L_n/ℚ$ ist isomorph zur
(multiplikativen) Gruppe der Einheiten in $ℤ/(n)$, also
\[
\Gal\left( \factor{L_n}{ℚ} \right) ≅ \left( \factor{ℤ}{(n)} \right)^*.
\]
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis, \video{23-1}]
Als Vorüberlegung wähle eine primitive $n$.te Einheitswurzel $ξ$. Dann kann
ich jede andere $n$.te Einheitswurzel $η$ in der Form $η = ξ^k$ schreiben,
wobei $k ∈ ℤ$ ist; dabei ist $k$ eindeutig modulo $n$, denn $ξ^k = ξ^{k+n}$.
Also erhalte ich eine Abbildung
\begin{equation*}
μ : \{ n.\text{te Einheitswurzeln} \} → \factor{ℤ}{(n)}.
\end{equation*}
Nach Beobachtung~\vref{beo:pe} ist eine Einheitswurzel $η$ genau dann
primitiv, wenn $μ(η)$ eine Einheit in $ℤ/(n)$ ist.
Jetzt zum Beweis. Jedes Element der Galoisgruppe $\Gal(L_n/ℚ)$ permutiert die
$n$.ten Einheitswurzeln, also die Nullstellen von $x^n - 1$. Ich erhalte
deshalb eine Abbildung
\begin{equation*}
α : \Gal\bigl(\factor{L_n}{ℚ}\bigr) → \factor{ℤ}{(n)}, \quad
σ ↦ μ\bigl(σ(ξ)\bigr).
\end{equation*}
Beachte: Das Minimalpolynom von $ξ$ ist das Kreisteilungspolynom $Φ_n$, also
permutiert jedes Element der Galoisgruppe auch die Nullstellen von $Φ_n$ ---
und das sind genau die \emph{primitiven} $n$.ten Einheitswurzeln. Als
Konsequenz liegt das Bild von $α$ in der Einheitengruppe, und wir erhalten
eine Abbildung
\begin{equation*}
β : \Gal\bigl(\factor{L_n}{ℚ}\bigr) → \left(\factor{ℤ}{(n)}\right)^*.
\end{equation*}
Das ist ein Gruppenmorphismus: Für $σ$, $τ ∈ \Gal(L_n/ℚ)$ ist
\begin{equation*}
(σ◦τ)(ξ) = σ\bigl(ξ^{α(τ)}\bigr) = σ(ξ)^{α(τ)} = ξ^{α(σ)·α(τ)}.
\end{equation*}
Wir wissen auch: Wegen $L_n = ℚ(ξ)$ ist jedes $σ ∈ \Gal(L_n/ℚ)$ durch das Bild
$σ(ξ)$ eindeutig festgelegt. Als Konsequenz ist der Gruppenmorphismus $β$
injektiv! Aber links und rechts stehen Gruppen mit jeweils genau $φ(n)$
vielen Elementen: Es ist $|\Gal(L_n/ℚ)| = [L_n : ℚ] = φ(n)$, und die Anzahl
der Einheiten in $ℤ/(n)$ ist per Definition ebenfalls $φ(n)$. Also ist $β$
bijektiv und damit ein Isomorphismus.
\end{proof}
\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
hingearbeitet haben: die vollständige Antwort auf die Frage nach der
Konstruierbarkeit des regulären $n$-Ecks. Im Gegensatz zu allen anderen Sätzen,
die immer nur zeigten, was man \emph{nicht} konstruieren kann, ist der folgende
Satz unser erstes \emph{positives} Resultat.
\begin{satz}[Positives Resultat zur Konstruierbarkeit]\label{Satz_von_Seite_197}\index{konstruierbare Punkte}
Es sei $\{0,1 \} ⊂ M ⊂ ℂ$ eine Menge und es sei $z ∈ ℂ$ eine komplexe Zahl.
Betrachte den Körper $K := ℚ(M∪\overline{M})$ und bezeichne mit $L$ den
Zerfällungskörper $L$ des Minimalpolynoms von $z$ über $K$. Wenn $[L : K]$
eine Zweierpotenz ist, dann ist die Zahl $z$ aus $M$ mit Zirkel und Lineal
konstruierbar.
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis, \video{23-2}]
Es sei also $[L:K] = 2^n$. Der Körper $L$ ist der Zerfällungskörper eines
Polynoms über dem Körper $K$ der Charakteristik Null, also ist $L/K$ Galoisch
und
\begin{equation*}
\bigl|\Gal(L/K)\bigr| = [L:K] = 2^n.
\end{equation*}
Die Galoisgruppe ist demnach eine $2$-Gruppe und nach Satz~\vref{satz:20-1-5}
auflösbar. Nach dem Satz über gute Auflösungsketten,
Satz~\vref{Satz_Aufloesungskette}, gibt es eine Auflösungskette
\begin{equation*}
\{e\} = N_0 ⊊ N_1 ⊊ ⋯ ⊊ N_ℓ = \Gal(L/K),
\end{equation*}
deren Quotienten zyklisch von Primzahlordnung sind; weil die Gruppenordnung
$2^n$ ist, gilt also $[N_i : N_{i-1}] = 2$ für alle Indizes. Der Hauptsatz
der Galoistheorie, Satz~\vref{Satz_Hauptsatz_Galoistheorie}, übersetzt das in
eine Kette von Körpererweiterungen: Mit $Z_i := \Fix(N_{ℓ-i})$ erhalten wir
\begin{equation*}
K = Z_0 ⊊ Z_1 ⊊ ⋯ ⊊ Z_ℓ = L, \quad\text{mit }
[Z_i : Z_{i-1}] = 2 \text{ für alle } i.
\end{equation*}
Nach Korollar~\vref{kor:ajQ} („Adjunktion von Quadratwurzeln“) entsteht $Z_i$
aus $Z_{i-1}$ jeweils durch Adjunktion einer Quadratwurzel. Aber: Der Körper
$K = ℚ(M ∪ \overline{M})$ liegt in $\Kons(M)$, die Menge $\Kons(M)$ ist ein
Körper, und Quadratwurzeln lassen sich bekanntlich mit Zirkel und Lineal
konstruieren. Induktiv folgt $Z_i ⊆ \Kons(M)$ für alle $i$, insbesondere ist
$z ∈ L ⊆ \Kons(M)$.
\end{proof}
\begin{bemerkung}\label{rem:svs197}
Satz~\ref{Satz_von_Seite_197} ist noch nicht optimal, denn es gilt in
Wirklichkeit mehr: wir werden in Bemerkung~\vref{bem:nedkp} sehen, dass die
Zahl $z$ \emph{genau dann} aus $M$ mit Zirkel und Lineal konstruierbar ist,
wenn $[L : K]$ eine Zweierpotenz ist.
\end{bemerkung}
\begin{satz}[Satz von Gauß]\label{Satz_von_Gauss}\index{Gauß, Satz von!über die Konstruierbarkeit des $n$-Ecks|textbf}\index{Konstruktion!n-Eck@des regelmäßigen $n$-Ecks}
Das reguläre $n$-Eck ist aus $\{0,1 \}$ genau dann mit Zirkel und Lineal
konstruierbar, wenn $n$ in folgender Form geschrieben werden kann,
\[
n = 2^α·p_1⋯p_r,
\]
wobei $α ∈ ℕ$ ist und die $p_{•}$ paarweise verschiedene Primzahlen der Form
$p_• = 2^{n_•}+1$ sind.
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis, \video{23-3}]
Das reguläre $n$-Eck ist genau dann aus $\{0,1\}$ konstruierbar, wenn die
primitive $n$.te Einheitswurzel $ξ = e^{2πi/n}$ in $\Kons(\{0,1\})$ liegt: Die
übrigen Eckpunkte sind Potenzen von $ξ$ und damit ebenfalls konstruierbar,
denn $\Kons(\{0,1\})$ ist ein Körper.
Beachte zuerst, dass $ℚ(ξ) = L_n$ der Zerfällungskörper des Minimalpolynoms
$Φ_n$ von $ξ$ ist, denn alle Nullstellen von $Φ_n$ sind Potenzen von $ξ$. Für
$M = \{0,1\}$ ist außerdem $ℚ(M ∪ \overline{M}) = ℚ$. Die
Sätze~\vref{Satz_von_Seite_69} und \vref{Satz_von_Seite_197} sagen deshalb
zusammen: Die Zahl $ξ$ ist genau dann konstruierbar, wenn
\begin{equation*}
[ℚ(ξ) : ℚ] = φ(n)
\end{equation*}
eine Zweierpotenz ist.
Schreibe jetzt $n = p_1^{α_1} ⋯ p_r^{α_r}$ als Produkt von paarweise
verschiedenen Primzahlen. Nach
Satz~\vref{Satz_Eigenschaften_Eulersche_Phi_Funktion} ist
\begin{equation*}
φ(n) = p_1^{α_1-1} ⋯ p_r^{α_r-1}·(p_1-1)⋯(p_r-1).
\end{equation*}
Diese Zahl ist genau dann eine Zweierpotenz, wenn Folgendes gilt.
\begin{enumerate}
\item Außer der $2$ darf jede Primzahl in $n$ höchstens mit dem
Exponenten $1$ auftreten: Für eine ungerade Primzahl $p_i$ mit
$α_i ≥ 2$ wäre der Faktor $p_i^{α_i-1} > 1$ nämlich ungerade.
\item Jede der ungeraden Primzahlen $p_i$ muss von der Gestalt
$p_i = 2^{n_i}+1$ sein, denn der Faktor $p_i - 1$ muss eine
Zweierpotenz sein.
\end{enumerate}
Das ist exakt die Bedingung aus dem Satz: Das reguläre $n$-Eck ist genau dann
konstruierbar, wenn $n = 2^α·p_1⋯p_r$ ist, mit paarweise verschiedenen
Primzahlen der Form $p_• = 2^{n_•}+1$.
\end{proof}
\begin{bemerkung}
Damit $2^μ+1$ eine Primzahl ist, muss $μ$ selbst eine Potenz von $2$ sein.
Denn hätte $μ=m·l$ einen ungeraden Teiler $l$, so hätte man
\begin{equation*}
2^μ+1 = (2^m+1)·\left(2^{m·(l-1)}-2^{m·(l-2)} ± ⋯ -2^m+1\right).
\end{equation*}
\end{bemerkung}
\begin{bemerkung}[Fermatsche Primzahlen, aus \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Fermat-Zahl}{Wikipedia}]
Primzahlen der Form $F_n := 2^{2^n}+1$ heißen \emph{Fermatsche
Primzahlen}\index{Fermatsche Primzahl|textbf}. Im August 1640 vermutete Fermat, dass
alle Zahlen dieser Form (die später nach ihm benannt wurden) Primzahlen seien.
Dies wurde jedoch 1732 von Leonhard Euler widerlegt, der zeigte, dass die
sechste Fermatzahl $F_5$ durch 641 teilbar ist. Man kennt außer den ersten
fünf (3, 5, 17, 257, 65537) derzeit keine weitere Fermat-Zahl, die eine
Primzahl ist, und vermutet, dass es außer diesen Zahlen auch keine weitere
gibt.
\end{bemerkung}
\section{Ich hab' noch einen Koffer in … Göttingen}
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{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 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
Klein\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Felix_Klein}{Felix
Christian Klein} (* 25.~April 1849 in Düsseldorf; † 22.~Juni 1925 in
Göttingen) war ein deutscher Mathematiker.} zurückgeht. Der Bau wurde
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
Handschuhe. Lächeln Sie, um alle Umstehenden von Ihren harmlosen Absichten
zu überzeugen.
\end{enumerate}
\end{aufgabe}
Wenn Sie im Schritt~\ref{il:f45} überzeugend aufgetreten sind, bringt Ihnen die
Bibliothekarin den Koffer. Dabei handelt es sich um eine über 100 Jahre alte
Holzkiste mit einem uralten Foliaten, in dem Johann Gustav Hermes auf über 200
großformatigen, fein beschriebenen Blättern das 65.537-Eck mit Zirkel und Lineal
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
Konstruktionsprojekt:
\begin{quotation}
Ein filigranes Geflecht von Punkten, Linien und Kreisen breitet sich über die
Seiten aus, verziert mit Anmerkungen und Erläuterungen in gut lesbarer
Kurrentschrift. Dazu kommt eine Flut von Tabellen, Rechnungen und
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
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
\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}
%%% Local Variables:
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "AlgebraZahlentheorie"
%%% End: