Compare commits

..

22 Commits

Author SHA1 Message Date
Stefan Kebekus
2f177b5ea4 Make bib a submodule 2023-10-06 14:42:16 +02:00
Stefan Kebekus
0c17ec8a33 Kleine Korrekturen… 2023-09-15 15:36:45 +02:00
Stefan Kebekus
eafc1433ff Fix problem explained by Daniel Rath 2023-09-15 15:28:34 +02:00
Stefan Kebekus
37dd6d7e9e Triviale Verbesserungen 2023-06-28 09:20:41 +02:00
Stefan Kebekus
bede275cb2 Fehler verbessert 2023-06-27 14:37:04 +02:00
Stefan Kebekus
c62127fe6e Fix minor bug 2023-06-20 14:41:39 +02:00
Stefan Kebekus
cae7c64324 Fixing minor typos 2023-06-13 15:34:20 +02:00
8240460304 Definition Krulldimension: Maximum -> Supremum, und Länge einer Primidealkette erklärt 2023-06-12 14:56:17 +02:00
ebe2f30d8d „12.tex“ löschen 2023-06-12 14:52:35 +02:00
b32012fe9f Definition 11.1.6 geändert 2023-06-07 13:05:41 +02:00
Stefan Kebekus
ff8a3e3e1b Fixing minor issues 2023-05-15 11:18:19 +02:00
Stefan Kebekus
b3daaa8e54 Cleanup in Section 10 2023-05-09 13:06:15 +02:00
Stefan Kebekus
e1e46d94b6 Clean up Section 8 2023-05-09 11:18:19 +02:00
Stefan Kebekus
9211031e5b Clean up Section 8 2023-05-09 11:13:56 +02:00
Stefan Kebekus
0f94c73d2d Disambiguation 2023-05-08 10:47:46 +02:00
Stefan Kebekus
3b41eaee88 Simplify script 2023-05-04 13:29:54 +02:00
Stefan Kebekus
d65e9b551b Spellchecking in Sect. 7 2023-05-04 13:29:05 +02:00
Stefan Kebekus
5d719482bf Update 2023-05-02 14:34:07 +02:00
Stefan Kebekus
71e3ca6bf1 Update 2023-04-26 10:49:44 +02:00
Stefan Kebekus
df37bd8d46 Minor updates 2023-04-26 10:49:00 +02:00
Stefan Kebekus
f17a607d39 Update 2023-04-21 15:55:01 +02:00
Stefan Kebekus
c61194213b Fix error in label 2023-04-21 15:53:53 +02:00
26 changed files with 1323 additions and 18313 deletions

18
.gitignore vendored
View File

@@ -1 +1,19 @@
public
KommutativeAlgebra.aux
KommutativeAlgebra.bbl
KommutativeAlgebra.blg
KommutativeAlgebra.brf
KommutativeAlgebra.fdb_latexmk
KommutativeAlgebra.fls
KommutativeAlgebra.idx
KommutativeAlgebra.ilg
KommutativeAlgebra.ind
KommutativeAlgebra.loa
KommutativeAlgebra.lof
KommutativeAlgebra.log
KommutativeAlgebra.lot
KommutativeAlgebra.out
KommutativeAlgebra.pdf
KommutativeAlgebra.synctex(busy)
KommutativeAlgebra.synctex.gz
KommutativeAlgebra.toc

3
.gitmodules vendored Normal file
View File

@@ -0,0 +1,3 @@
[submodule "bibliography"]
path = bibliography
url = git@git.cplx.vm.uni-freiburg.de:kebekus/bibliography.git

View File

@@ -43,3 +43,138 @@ Ganzheitsgleichung
Erzeugendensystem
Gröbnerbasen
Syzygie
Substitutionsmorphismus
Transzendenzbasen
Transzendenzbasis
Transzendenzgrad
körpertheoretische
körpertheoretischen
tautologischerweise
Verschwindungsmenge
Koeffizientenkörper
Zariski-Topologie
Zariski-abgeschlossenen
Zariski-offenen
Zariski-offene
Hausdorffsch
Verschwindungsideal
Radikalideal
Radikalideals
Primideal
Maximalitätsannahme
Radikalideale
Rabinowitsch
Primidealen
Reduzible
Primideale
prim
Quotientenring
Quotientenkörper
nullteilerfrei
Bloomington
Homomorphiesatz
repräsentierbaren
reduzible
Rückzugsabbildung
Algebramorphismus
Algebrahomomorphismen
Varietätenmorphismus
funktoriell
Substitutionsabbildung
Grothendieck
Saint-Lizier
Saint-Girons
Ariège
Gradabschätzungen
Monomiale
monomialen
Monom
Monome
Monomen
monomial
monomiale
Quotientenringes
Monomordnungen
vier-elementiges
Monomordnung
Initialterm
graduiert-rückwärtslexikografischen
rückwärtslexikografische
Rückwärtslexika
Eindeutigkeitsaussage
Gröbnerbasis
Gröbner
Gossensaß
Gröbner-Dualität
Heisuke
Hironaka
Yuu
Kuga-gun
Iwakuni
Yamaguchi
Teleskopsumme
graduiert-rückwärtslexikografische
Tangentialkegel
Tangentialkegels
Vielfachheit
Vielfachheiten
Glattheit
repräsentierbar
Quotientenkörpers
def
Repräsentantenniveau
Moduln
Surjektivität
Quotientenmodul
Lokalisierungsfunktors
Lokalisierungskonstruktion
Inklusionsabbildung
Primideals
Nakayama
Lokalisierungsabbildung
uniformisierende
uniformisierenden
adische
Tangentialgerade
uniformisierender
Cohen-Seidenberg
Krull-Dimension
Inklusionszeichen
Krull
Krullsche
Inklusionsmorphismus
Isomorphiesatz
Faktorielle
faktorieller
faktoriell
Zariski-dichte
Zariski-Abschluss
Ganzheitsgleichungen
Krullschen
Funktiongraf
Konik
Eindeutigkeitsbeweis
Bahnenraum
Antipodenpunkten
Antipodenpunkte
Normparabel
kompaktifiziert
Asymptotenrichtungen
Normhyperbel
Perge
Apollonius
Pergaeus
Koniken
Apollonios
Projektivitäten
Projektivität
Dehomogenisierung
dehomogenisierten
.te
Bézout
Nemours
Avon
Barth-Sextik
Jaffe
Ruberman
Labs

View File

@@ -1,2 +1,3 @@
Kebekus
syzygy
sextic

View File

@@ -3,3 +3,42 @@
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QWikipedia schreibt: Rationale Parametrisierung des Kreises Pythagoreische Tripel finden sich bereits auf babylonischen Tontafeln, die in die Zeit der Hammurabi-Dynastie datiert werden (1829 bis 1530 v. Chr.).\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QWikipedia schreibt: Zahlreiche teils romantische, teils dramatische, aber auch tragische Episoden dieser Geschichte haben [den Großen Satz von Fermat] weit über den Kreis der Mathematiker hinaus populär gemacht.\\E$"}
{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QDer Beweis von Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q verwendet die \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, die sie aus der Vorlesung „Lineare Algebra“ kennen (sollten).\\E$"}
{"rule":"KOMMA_ZWISCHEN_HAUPT_UND_NEBENSATZ","sentence":"^\\Q\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist algebraisch über \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sind algebraisch abhängig über \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"PLURAL_APOSTROPH","sentence":"^\\QIn diesem Fall sehen wir auch ohne Verwendung von Zorn's Lemma, dass wir \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q zu einer maximal großen algebraisch unabhängigen Teilmenge \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q vergrößern können.\\E$"}
{"rule":"KOMMA_ZWISCHEN_HAUPT_UND_NEBENSATZ_2","sentence":"^\\QDann definiere den Transzendenzgrad von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q über \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q als \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q falls \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q eine endlich Transzendenzbasis mit \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Elementen besitzt \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sonst.\\E$"}
{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QIn der Vorlesung „Lineare Algebra I“ beweist man den Basisergänzungssatz.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDer folgende Satz unterscheidet sich von der Vorabversion, die wir auf Seite satz:shn formuliert hatten, durch die Diskussion des algebraischen Abschlusses.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\Q\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, geboren als Ascher Zaritsky, (* 24. April 1899, in Kobryn, Weißrussland; † 4. Juli 1986 in Brookline, Massachusetts, USA) war ein US-amerikanischer Mathematiker, der wichtige Beiträge zur Grundlegung der algebraischen Geometrie leistete.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\Q\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q (* als Georg oder Juri Rabinowitsch 25. März 1886 in Odessa; † 10. Oktober 1968 in Ann Arbor) war ein russisch-US-amerikanischer Mathematiker und theoretischer Physiker.\\E$"}
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qlightgray Algebra Geometrie Radikalideale algebraische Mengen maximale Ideale Punkte Primideale irreduzible Mengen Radikalideale sind Durchschnitte von Primidealen Zerlegung von algebraischen Mengen in irreduzible Komponenten Noether-Eigenschaft des Polynomrings Existenz von Zerlegungen\\E$"}
{"rule":"IDEN_IDEEN","sentence":"^\\QBeeinflusst durch politische Ideen des Mai 1968 in Frankreich, zog er sich bereits um 1970 weitgehend aus seiner zentralen Position im mathematischen Leben von Paris zurück.\\E$"}
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\QLiegt mein Element im Ideal?.\\E$"}
{"rule":"WHITESPACE_RULE","sentence":"^\\QSituation \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Polynome \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, sodass \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gelten Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, …, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Schwache Division mit Rest Statt eines abstrakten Existenzsatzes finden Sie in Algorithmus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q eine konkrete Vorschrift zur Berechnung der Polynome \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"DE_CASE","sentence":"^\\QSituation \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Polynome \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, sodass \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q gelten Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, …, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q Schwache Division mit Rest Statt eines abstrakten Existenzsatzes finden Sie in Algorithmus \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q eine konkrete Vorschrift zur Berechnung der Polynome \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QDie Implikation “\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q” ist der wesentliche Punkt des Beweises.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QDie Implikation „\\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q“ ist der wesentliche Punkt des Beweises.\\E$"}
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\QWorum geht es?.\\E$"}
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qeigentlich notwendig ist.\\E$"}
{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QIn der Vorlesung „Lineare Algebra“ haben Sie exakte Sequenzen kennengelernt, aber vielleicht nicht gemocht.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QVerstehe, wie sich der Modul \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q aus den kleineren Moduln \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q zusammensetzt.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QEs ist \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"KOMMA_ZWISCHEN_HAUPT_UND_NEBENSATZ_2","sentence":"^\\QGegeben eine rationale Funktion \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q, setze \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q falls \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q bei \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q eine Nullstelle von Ordnung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q hat \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q falls \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q bei \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q eine Polstelle von Ordnung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q hat \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sonst\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDie Krullsche Dimension von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q ist das Maximum aller Längen von Ketten von Primidealen, \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QGoing up.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDer Satz, der als „Going up“ bekannt ist, impliziert dann sehr schnell, dass die Dimensionen von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q übereinstimmen.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QBeweis des Satzes „Going up“.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDer Beweis des Satzes „Going up“ ist nicht kompliziert, aber ein wenig mühsam.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDer Beweis des Satzes „Going up“ ist nicht kompliziert, aber ein mühsam.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QZurück zum eigentlichen Ziel: mithilfe des Satzes „Going up“ können wir jetzt sehr schnell den Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q über die Invarianz der Dimension unter ganzen Ringerweiterungen beweisen.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QGoing down.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QVorlesung 15Die Umkehrung von Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q („Going up“) ist im Allgemeinen falsch, aber mit Zusatzannahmen richtig.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QAnwendungen des Satzes „Going down“ kommen in den Übungen.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QObwohl der Beweis nicht kompliziert ist, möchte ich den Satz „Going down“ in dieser Vorlesung nicht vertiefen und auch nicht beweisen.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QZum einen ist der Satz „Going down“ natürlich nur dann interessant, wenn wir in relevante Situationen die Normalität tatsächlich entscheiden können.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDer Beweis ist recht algebraisch, aber mit unseren Methoden („Going Up/Down + Noether Normalisierung“) jetzt ohne weiteres möglich.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QDie Schnittmultiplizität sollte eine idealerweise eine Funktion \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Qebene alg.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QKurven in \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Qebene alg.\\E$"}
{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QIn der Vorlesung „Lineare Algebra“ hatten Sie den Satz des Apollonius von Perge kennengelernt, der die Koniken klassifiziert.\\E$"}
{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QIn der Vorlesung „Lineare Algebra“ hatten Sie den Satz des Apollonios von Perge kennengelernt, der die Koniken klassifiziert.\\E$"}
{"rule":"DE_AGREEMENT","sentence":"^\\QDann gilt für jeden Vektor \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q und jedes Skalar \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q die Gleichung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qlightgray Algebra Geometrie homogene Radikalideale algebraische Mengen homogene Primideale irreduzible Mengen homogene Radikalideale sind Durchschnitte von homogenen Primidealen Zerlegung von algebraischen Mengen in irreduzible Komponenten Wörterbuch: algebraische Teilmengen des projektiven Raums\\E$"}

16
03.tex
View File

@@ -192,14 +192,14 @@ auch für Matrizen über Ringen gilt.
b^{n-1}$ erzeugen daher $A[b]$ als $A$-Modul.
\end{proof}
\begin{proof}[Beweis von Satz~\ref{satz:3-2-9}, Folgerung \ref{il:3-2-9-2} $$ \ref{il:3-2-9-1}]
\begin{proof}[Beweis von Satz~\ref{satz:3-2-9}, Folgerung \ref{il:3-2-9-2} $$ \ref{il:3-2-9-3}]
Setze $M := A[b]$, fertig.
\end{proof}
\begin{proof}[Beweis von Satz~\ref{satz:3-2-9}, Folgerung \ref{il:3-2-9-3} $$ \ref{il:3-2-9-1}]
Wähle ein endliches Erzeugendensystem $m_1, …, m_n$ des Ringes $M$ als
$A$-Modul. Wir können also jedes Element von $M$ als $A$-Linear\-kombination
der $m_$ schreiben. Machen wir das.
Wähle ein endliches Erzeugendensystem $m_1, …, m_n$ des Ringes $M$ als
$A$-Modul. Wir können also jedes Element von $M$ als $A$-Linear\-kombination
der $m_$ schreiben. Machen wir das.
\begin{align*}
1_M & = a_1·m_1 + ⋯ + a_n·m_n \\
b·m_1 &= a_{11}·m_1 + ⋯ + a_{1n}·m_n \\
@@ -284,13 +284,13 @@ knapp wiedergegeben.
\[
א_1 ⊂ A[b_1, …, b_n].
\]
Weiter ist $c$ ganz über $A[b_1, …, b_n]$. Also ist $A[b_1, …, b_n, c]$ nach
Korollar~\ref{kor:3-3-4} ein endlich erzeugter $A[b_1, …, b_n]$-Modul. Wir
wählen ein endliches Erzeugendensystem
von $A[b_1, …, b_n]$ als $A$-Modul. Weiter ist $c$ ganz über $A[b_1, …, b_n]$.
Also ist $A[b_1, …, b_n, c]$ nach Korollar~\ref{kor:3-3-4} ein endlich
erzeugter $A[b_1, …, b_n]$-Modul. Wir wählen ein endliches Erzeugendensystem
\[
א_2 ⊂ A[b_1, …, b_n, c].
\]
Dann ist aber
von $A[b_1, …, b_n, c]$ als $A[b_1, …, b_n]$-Modul. Dann ist aber
\[
א_1·א_2 := \{ a_1·a_2 \::\: a_1 ∈ א_1, a_2 ∈ א_2 \} ⊂ A[b_1, …, b_n, c]
\]

138
04.tex
View File

@@ -16,23 +16,22 @@ als einem Element.
\begin{defn}[Algebraische Unabhängigkeit]
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung, und es seien $b_1, …, b_n ∈ L$. Nenne
die Elemente $b_1,…, b_n$ \emph{algebraisch unabhängige
Elemente}\index{algebraisch!Unabhängigkeit}, falls der
Substitutionsmorphismus
Elemente}\index{algebraisch!Unabhängigkeit}, falls der Substitutionsmorphismus
\[
K[X_1, …, X_n] \rightarrow L, \quad f(x_1, …, x_n) ↦ f(b_1, …, b_n)
\]
injektiv ist. Ansonsten nenne die Elemente $b_1,…, b_n$ \emph{algebraisch!
Abhängigkeit}. Die Polynome im Kern des Substitutionsmorphismus werden als
Abhängigkeit}. Die Polynome im Kern des Substitutionsmorphismus werden als
\emph{algebraische Relationen}\index{algebraisch!Relationen} der Elemente
$b_1,…, b_n$ bezeichnet.
\end{defn}
\begin{bemerkung}
Genau wie beim Begriff der ``linearen Unabhängigkeit'' ist die Definition der
algebraischen Unabhängigkeit mindestens unglücklich. Statt zu sagen ``die
Elemente $b_1,…, b_n$ sind algebraisch unabhängig'' wäre es besser und
richtiger, zu sagen: ``die Menge $\{b_1,…, b_n\}$ ist algebraisch
unabhängig''. Aber solche Traditionen lassen sich nur schwer korrigieren~…
Genau wie beim Begriff der linearen Unabhängigkeit ist die Definition der
algebraischen Unabhängigkeit mindestens unglücklich. Statt zu sagen die
Elemente $b_1,…, b_n$ sind algebraisch unabhängig wäre es besser und
richtiger, zu sagen: die Menge $\{b_1,…, b_n\}$ ist algebraisch unabhängig“.
Aber solche Traditionen lassen sich nur schwer korrigieren~…
\end{bemerkung}
\begin{bemerkung}
@@ -44,7 +43,7 @@ als einem Element.
\end{bemerkung}
\begin{bemerkung}
Gelegentlich wird der Begriff ``algebraisch unabhängig'' statt für
Gelegentlich wird der Begriff algebraisch unabhängig statt für
Körpererweiterungen auch allgemeiner für Inklusionen $A ⊆ B$ in
Integritätsringen verwendet. Das kann man machen. Wir beobachten, dass der
Substitutionsmorphismus $A[X_1,…,X_n] \rightarrow B$ genau dann injektiv ist,
@@ -62,11 +61,11 @@ als einem Element.
\section{Transzendenzbasen}
Algebraische Unabhängigkeit ist ein bisschen wie lineare Unabhängigkeit. Und
genau wie man eine Vektorraumbasis definiert als ``linear unabhängige Menge, die
maximal ist bezüglich der Inklusion'', definieren wir jetzt die
Transzendenzbasis einer Körpererweiterung.
genau wie man eine Vektorraumbasis definiert als linear unabhängige Menge, die
maximal ist bezüglich der Inklusion, definieren wir jetzt die Transzendenzbasis
einer Körpererweiterung.
\begin{defn}[Transzendenzbasis]\label{def:4-2-1}
\begin{defn}[Transzendenzbasis]\label{def:4-2-1}%
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung. Eine
\emph{Transzendenzbasis}\index{Transzendenzbasis} von $L$ über $K$ ist eine
algebraisch unabhängige Teilmenge von $L$, die maximal bezüglich der Inklusion
@@ -74,22 +73,22 @@ Transzendenzbasis einer Körpererweiterung.
\end{defn}
\begin{bemerkung}
In Definition~\ref{def:4-2-1} bedeutet ``maximal bezüglich der Inklusion'' mit
anderen Worten: Jede größere Menge $L ⊇ M' ⊋ M$ ist
algebraisch abhängig über $K$.
In Definition~\ref{def:4-2-1} bedeutet maximal bezüglich der Inklusion mit
anderen Worten: Jede größere Menge $L ⊇ M' ⊋ M$ ist algebraisch abhängig über
$K$.
\end{bemerkung}
\begin{bsp}[Rationale Funktionen]
Es sei $K$ ein Körper und es sei $L := K(X_1, …, X_n)$ der Körper der
rationalen Funktionen in $n$ Variablen. Dann bilden die Elemente
$X_1, …, X_n ∈ L$ eine Transzendenzbasis von $L$ über $K$.
rationalen Funktionen in $n$ Variablen. Dann bilden die Elemente $X_1, …, X_n
∈ L$ eine Transzendenzbasis von $L$ über $K$.
\end{bsp}
\begin{lem}[Charakterisierung von Transzendenzbasen]\label{lem:4-2-4}
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei
$M := \{ b_1, …, b_n\} ⊆ L$ eine Menge, die algebraisch unabhängig
über $K$ ist. Die Menge $M$ ist genau dann eine Transzendenzbasis von $L$
über $K$, wenn die Körpererweiterung $L/K(M)$ algebraisch ist.
\begin{lem}[Charakterisierung von Transzendenzbasen]\label{lem:4-2-4}%
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $M := \{ b_1, …, b_n\} ⊆ L$
eine Menge, die algebraisch unabhängig über $K$ ist. Die Menge $M$ ist genau
dann eine Transzendenzbasis von $L$ über $K$, wenn die Körpererweiterung
$L/K(M)$ algebraisch ist.
\end{lem}
\begin{proof}
Gegeben ein Element $b ∈ L$, dann stellen wir erst einmal folgende
@@ -100,8 +99,8 @@ Transzendenzbasis einer Körpererweiterung.
& \iff \lbrace b_1,…, b_n, b \rbrace \text{ sind algebraisch abhängig über } K.
\end{align*}
Wir erkennen: die Menge algebraisch unabhängige Menge $M$ ist genau dann
maximal bezüglich der Inklusion, wenn jedes Element $b ∈ L$ algebraisch
über $K(M)$ ist.
maximal bezüglich der Inklusion, wenn jedes Element $b ∈ L$ algebraisch über
$K(M)$ ist.
\end{proof}
\begin{bemerkung}
@@ -109,22 +108,21 @@ Transzendenzbasis einer Körpererweiterung.
funktioniert natürlich ebenso für unendliche Menge $M$. Aber ich bin zu faul.
\end{bemerkung}
In der Vorlesung ``Lineare Algebra I'' beweist man den Basisergänzungssatz. Das
In der Vorlesung Lineare Algebra I beweist man den Basisergänzungssatz. Das
geht auch hier.
\begin{satz}[Basisergänzung]
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung. Wenn $Γ ⊆ L$ ein
Erzeugendensystem ist und wenn $S ⊂ Γ$ algebraisch unabhängig über $K$
ist, dann lässt sich $S$ zu einer Transzendenzbasis $B$ mit $S ⊆ B ⊆ Γ$
ergänzen.
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung. Wenn $Γ ⊆ L$ ein Erzeugendensystem ist
und wenn $S ⊂ Γ$ algebraisch unabhängig über $K$ ist, dann lässt sich $S$ zu
einer Transzendenzbasis $B$ mit $S ⊆ B ⊆ Γ$ ergänzen.
\end{satz}
\begin{proof}
Wir beweisen den Satz nur im Fall, wo $Γ$ endlich ist, also etwa
$Γ = \{γ_1, …, γ_n\}$. In diesem Fall sehen wir auch ohne Verwendung von
Zorn's Lemma, dass wir $S$ zu einer maximal großen algebraisch unabhängigen
Teilmenge $B ⊆ Γ$ vergrößern können. Die Annahme ``maximal groß'' impliziert,
dass jedes $γ_{}$ algebraisch über $K(B)$ ist. Also ist $L = K(γ_1, …, γ_n)$
algebraisch über $K(B)$, und die Charakterisierung von Transzendenzbasen aus
Wir beweisen den Satz nur im Fall, wo $Γ$ endlich ist, also etwa $Γ = \{γ_1,
…, γ_n\}$. In diesem Fall sehen wir auch ohne Verwendung von Zorn's Lemma,
dass wir $S$ zu einer maximal großen algebraisch unabhängigen Teilmenge $B ⊆
Γ$ vergrößern können. Die Annahme maximal groß impliziert, dass jedes $γ_$
algebraisch über $K(B)$ ist. Also ist $L = K(γ_1, …, γ_n)$ algebraisch über
$K(B)$, und die Charakterisierung von Transzendenzbasen aus
Lemma~\ref{lem:4-2-4} zeigt, dass $B$ eine Transzendenzbasis ist.
\end{proof}
@@ -137,8 +135,8 @@ Basisaustauschlemma und betrachten wieder nur den endlichen Fall.
\begin{prop}[Basisaustauschlemma]
Es sei $L/K$ eine Körpererweiterung und es sei $Γ = \{γ_1, …, γ_n\}$ eine
endliche Transzendenzbasis von $L$ über $K$. Weiter sei
$\{ c_1, …, c_m \} L$ algebraisch unabhängig über $K$. Dann ist $m ≤ n$.
endliche Transzendenzbasis von $L$ über $K$. Weiter sei $\{ c_1, …, c_m \}
L$ algebraisch unabhängig über $K$. Dann ist $m ≤ n$.
\end{prop}
\begin{proof}
\video{4-1}
@@ -174,7 +172,7 @@ Basisaustauschlemma und betrachten wieder nur den endlichen Fall.
\end{bsp}
\begin{bsp}[Rationale Funktionen]
Es sei $K$ ein Körper. Dann ist $\trdeg K(X_1,…,X_n)/K = n$.
Sei $K$ ein Körper. Dann ist $\trdeg K(X_1,…,X_n)/K = n$.
\end{bsp}
\begin{bsp}[Komplexe und rationale Zahlen]
@@ -202,43 +200,43 @@ Körpererweiterungen.
\section{Rein transzendente Erweiterungen}
In der amerikanischen Unabhängigkeitserklärung stellte Thomas Jefferson
bekanntermaßen fest: ``all men are created equal''. Das kann man für
transzendente Körpererweiterungen wirklich nicht so sagen. Wie das folgende
Beispiel zeigt, gibt es ``rein transzendente'' Erweiterungen und es gibt
bekanntermaßen fest: \foreignlanguage{english}{All men are created equal.}“ Das
kann man für transzendente Körpererweiterungen wirklich nicht so sagen. Wie das
folgende Beispiel zeigt, gibt es rein transzendente Erweiterungen und es gibt
solche, bei denen man noch einen algebraischen Anteil abspalten kann.
\begin{itemize}
\item Die Körpererweiterung $(x)/$ hat Transzendenzgrad 1. Die Menge
$\{x\}$ bildet eine Transzendenzbasis. Jedes Element von $(x)$ ist
tranzendent über $$, wenn es nicht schon zufällig selbst in $$ liegt.
\item Die Körpererweiterung $(x)/$ hat Transzendenzgrad 1. Die Menge $\{x\}$
bildet eine Transzendenzbasis. Jedes Element von $(x)$ ist transzendent über
$$, wenn es nicht schon zufällig selbst in $$ liegt.
\item Die Körpererweiterung $(\sqrt{2}, π)/$ hat ebenfalls Tranzendenzgrad
1. Die Menge $\{π\}$ bildet eine Transzendenzbasis. Dennoch gibt es in
$(\sqrt{2})$ auch algebraische Elemente, nämlich zum Beispiel $\sqrt{2}$.
\item Die Körpererweiterung $(\sqrt{2}, π)/$ hat ebenfalls Transzendenzgrad 1.
Die Menge $\{π\}$ bildet eine Transzendenzbasis. Dennoch gibt es in
$(\sqrt{2}, π)$ auch algebraische Elemente, nämlich zum Beispiel $\sqrt{2}$.
Interessanterweise zerlegt sich die Erweiterung
\[
(\sqrt{2}, π)(π).
\]
Wir wissen schon, dass es einen $$-Isomorphismus zwischen den Körpern
$(π)$ und $(x)$ gibt; insbesondere ist jedes Element von $(x)$
transzendent über $$, wenn es nicht schon zufällig selbst in $$ liegt.
Im Gegensatz dazu ist die Erweiterung $(\sqrt{2}, π)/(π)$ algebraisch.
Wir wissen schon, dass es einen $$-Isomorphismus zwischen den Körpern $(π)$
und $(x)$ gibt; insbesondere ist jedes Element von $(x)$ transzendent über
$$, wenn es nicht schon zufällig selbst in $$ liegt. Im Gegensatz dazu ist
die Erweiterung $(\sqrt{2}, π)/(π)$ algebraisch.
\end{itemize}
\begin{defn}[Rein transzendente Erweiterung]
Eine Körpererweiterung $L/K$ heißt \emph{rein transzendent}\index{rein
transzendente Erweiterung}, wenn es eine Transzendenzbasis $B$ von $L$ über
$K$ gibt, sodass $L = K(B)$ ist.
$K$ gibt, sodass $L = K(B)$ ist.
\end{defn}
\begin{bemerkung}[Rein transzendente Erweiterungen]
Wenn $L/K$ rein transzendent ist mit endlicher Transzendenzbasis
$B = \{b_1, …, b_n\}$, dann gibt es einen $K$-Isomorphismus
$L ≅ K(x_1, …, x_n)$. Insbesondere ist jedes Element von $L$ tranzendent
über $K$, wenn es nicht schon zufällig selbst in $K$ liegt.
Wenn $L/K$ rein transzendent ist mit endlicher Transzendenzbasis $B = \{b_1,
…, b_n\}$, dann gibt es einen $K$-Isomorphismus $L ≅ K(x_1, …, x_n)$.
Insbesondere ist jedes Element von $L$ transzendent über $K$, wenn es nicht
schon zufällig selbst in $K$ liegt.
\end{bemerkung}
\begin{bemerkung}[Zerlegung in rein transzendent und algebraisch]\label{bem:4-4-3}
\begin{bemerkung}[Zerlegung in rein transzendent und algebraisch]\label{bem:4-4-3}%
Wenn $L/K$ transzendent, aber nicht rein transzendent ist, dann kann ich mir
eine Transzendenzbasis $B$ nehmen und die folgende Kette von
Körpererweiterungen betrachten,
@@ -250,23 +248,23 @@ solche, bei denen man noch einen algebraischen Anteil abspalten kann.
\begin{warnung}
Die Zerlegung aus Bemerkung~\ref{bem:4-4-3} ist \emph{nicht
kanonisch}\footnote{Wenn Sie am Horizont eine Art ``Galois-Theorie für
transzendente Erweiterungen'' sehen, dann haben Sie in der Vorlesung
``Algebra'' gut aufgepasst. Sie liegen richtig.}, sondern hängt von der
Wahl der Transzendenzbasis ab! Vergleichen Sie dies mit der Zerlegung
$K ⊆ K_{sep} ⊆ L$, die wir für algebraische Körpererweiterungen in der
Vorlesung ``Algebra'' kennengelernt haben. Diese ist eindeutig.
kanonisch}\footnote{Wenn Sie am Horizont eine Art Galois-Theorie für
transzendente Erweiterungen sehen, dann haben Sie in der Vorlesung
Algebra gut aufgepasst. Sie liegen richtig.}, sondern hängt von der Wahl
der Transzendenzbasis ab! Vergleichen Sie dies mit der Zerlegung $K ⊆
K_{sep} ⊆ L$, die wir für algebraische Körpererweiterungen in der Vorlesung
Algebra kennengelernt haben. Diese ist eindeutig.
\end{warnung}
Im Allgemeinen ist es schwer zu entscheiden, ob eine gegebene Körpererweiterung
rein transzendent ist. Der berühmte
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Satz_von_L\%C3\%BCroth}{Satz von
Lüroth}\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Jacob_L\%C3\%BCroth}{Jacob
Lüroth} (* 18. Februar 1844 in Mannheim; † 14. September 1910 in München)
war ein deutscher Mathematiker, der sich mit Geometrie beschäftigte.}, den ich
ohne Beweis zitiere, hängt eng mit der Frage nach der rationalen
Parametrisierbarkeit gewisser Hyperebenen zusammen, allerdings werden wir den
Zusammenhang (wenn überhaupt) erst sehr viel später verstehen.
Lüroth}\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Jacob_L\%C3\%BCroth}{Jacob
Lüroth} (* 18. Februar 1844 in Mannheim; † 14. September 1910 in München) war
ein deutscher Mathematiker, der sich mit Geometrie beschäftigte.}, den ich ohne
Beweis zitiere, hängt eng mit der Frage nach der rationalen Parametrisierbarkeit
gewisser Hyperebenen zusammen, allerdings werden wir den Zusammenhang (wenn
überhaupt) erst sehr viel später verstehen.
\begin{satz}[Satz von Lüroth]
Betrachte eine Kette von Körpererweiterungen,

121
05.tex
View File

@@ -3,10 +3,9 @@
\chapter{Der Nullstellensatz und die Korrespondenzen $V$ und $I$}
In diesem Kapitel soll der Hilbertsche Nullstellensatz in seiner ``starken''
Form bewiesen werden; als Konsequenz daraus erhalten wir die ersten
Korrespondenzen zwischen geometrischen Räumen und gewissen algebraischen
Objekten.
In diesem Kapitel soll der Hilbertsche Nullstellensatz in seiner starken“ Form
bewiesen werden; als Konsequenz daraus erhalten wir die ersten Korrespondenzen
zwischen geometrischen Räumen und gewissen algebraischen Objekten.
\section{Die körpertheoretische Version des Nullstellensatzes}
@@ -17,7 +16,7 @@ dass gewisse Körpererweiterungen algebraisch sind. Bleiben Sie dabei und legen
Sie nicht auf! Die geometrische Bedeutung des Satzes wird sofort im nächsten
Abschnitten klar werden.
\begin{satz}[Körpertheoretische Version des Hilbertschen Nullstellensatzes]\label{satz:kthn}
\begin{satz}[Körpertheoretische Version des Hilbertschen Nullstellensatzes]\label{satz:kthn}%
Es sei $E/K$ eine Körpererweiterung, die als Ringerweiterung von endlichem Typ
ist. Dann ist $E/K$ algebraisch.
\end{satz}
@@ -41,7 +40,7 @@ auch noch ein starker Nullstellensatz. Der folgende Satz unterscheidet sich von
der Vorabversion, die wir auf Seite~\vpageref{satz:shn} formuliert hatten, durch
die Diskussion des algebraischen Abschlusses.
\begin{satz}[Schwacher Hilbertscher Nullstellensatz]\label{satz:weak_Nullstelle}
\begin{satz}[Schwacher Hilbertscher Nullstellensatz]\label{satz:weak_Nullstelle}%
Es sei $k$ ein Körper und es seien Polynome $f_1, …, f_n ∈ k[x_1, …, x_m]$
gegeben. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
@@ -103,12 +102,11 @@ die Diskussion des algebraischen Abschlusses.
\[
(f_1, …, f_m) ⊆ m ⊊ k[x_1, …, x_n].
\]
Aus der Vorlesung ``Algebra'' wissen wir, dass der Quotient
$E := k[x_1, …, x_n]/m$ ein Körper ist. Außerdem ist $E$ als $A$-Algebra
durch die Restklassen $[x_1], …, [x_n] ∈ E$ erzeugt. Nach der
körpertheoretischen Version des Hilbertschen Nullstellensatzes,
Satz~\vref{satz:kthn} ist die Körpererweiterung $E/K$ also algebraisch, und es
gibt eine Einbettung
Aus der Vorlesung Algebra wissen wir, dass der Quotient $E := k[x_1, …,
x_n]/m$ ein Körper ist. Außerdem ist $E$ als $A$-Algebra durch die
Restklassen $[x_1], …, [x_n] ∈ E$ erzeugt. Nach der körpertheoretischen
Version des Hilbertschen Nullstellensatzes, Satz~\vref{satz:kthn} ist die
Körpererweiterung $E/K$ also algebraisch, und es gibt eine Einbettung
\[
φ: E ↪ \overline{k}.
\]
@@ -143,36 +141,36 @@ zugrunde liegende Körper algebraisch abgeschlossen ist!
\item Es gilt genau dann $V(f_1, …, f_m) ≠ ∅$, wenn $1 \notin (f_1, …, f_m)$
ist.
\item Für jedes maximale Ideal $m ⊊ k[x_1, …, x_n]$ gibt es Elemente
$a_1, …, a_n ∈ k$, sodass die folgende Gleichheit gilt,
\item Für jedes maximale Ideal $m ⊊ k[x_1, …, x_n]$ gibt es Elemente $a_1, …,
a_n ∈ k$, sodass die folgende Gleichheit gilt,
\[
m = (x_1-a_1, …, x_n-a_n).
\]
\item Es gibt eine Bijektion zwischen den maximalen Idealen von
$k[x_1, …, x_n]$ und den Punkten in $k^n$.
\item Es gibt eine Bijektion zwischen den maximalen Idealen von $k[x_1, …,
x_n]$ und den Punkten in $k^n$.
\end{enumerate}
\end{kor}
\begin{proof}
\video{5-1}
\end{proof}
\begin{bemerkung}[Lösungsmengen von Gleichungssystemen]\label{bem:and}
\begin{bemerkung}[Lösungsmengen von Gleichungssystemen]\label{bem:and}%
Weil man polynomiale Gleichungssysteme sowieso immer erst einmal über dem
algebraischen Abschluss eines Körpers zu studiert, verwenden manche Autoren
folgende Konvention, die ein wenig von unserer Notation für algebraische
Mengen, Notation~\vref{not:2-1-3} abweicht. Gegeben ein Körper $k$ mit
algebraischem Abschluss $\overline{K}$ und gegeben Polynome
$f_1, …, f_n ∈ k[x_1, …, x_m]$, dann bezeichnen manche Autoren die Menge der
Lösungen des polynomiale Gleichungssysteme \emph{über dem algebraischem
Abschluss} mit
algebraischem Abschluss $\overline{K}$ und gegeben Polynome $f_1, …, f_n ∈
k[x_1, …, x_m]$, dann bezeichnen manche Autoren die Menge der Lösungen des
polynomiale Gleichungssysteme \emph{über dem algebraischem Abschluss} mit
\[
X := V(f_1, …, f_n) := \left\{ \vec{a}\overline{k}^m \::\: f_1(\vec{a}) =
= f_n(\vec{a}) = 0 \right\}
\]
und nenne dies die \emph{Verschwindungsmenge von $f_1, …, f_m$} oder die
\emph{Lösungsmenge des Gleichungssystems $f_1(x) == f_m(x) = 0$}. Die
Menge der Lösungen in $k^n$ wird dann mit $X(k) := X ∩ k^n$ bezeichnet und als
und nenne dies die \emph{Verschwindungsmenge von $f_1, …,
f_m$}\index{Verschwindungsmenge} oder die \emph{Lösungsmenge des
Gleichungssystems $f_1(x) == f_m(x) = 0$}\index{Lösungsmenge}. Die Menge
der Lösungen in $k^n$ wird dann mit $X(k) := X ∩ k^n$ bezeichnet und als
\emph{Menge der $k$-rationalen Punkte von $X$}\index{rationale Punkte}
bezeichnet. In diesem Zusammenhang nennt man $k$ auch den
\emph{Koeffizientenkörper}\index{Koeffizientenkörper} oder den
@@ -187,8 +185,8 @@ formulieren.
\begin{satz}[Fermat's großer Satz]
Es sei $n ∈ $ eine ungerade Zahl, $n ≥ 3$. Dann hat die Lösungsmenge $X$ des
Gleichungssystems $x^n+y^n - 1[x,y]$ nur zwei rationale Punkte, also
$\# X() = 2$. \qed
Gleichungssystems $x^n+y^n - 1[x,y]$ nur zwei rationale Punkte, also $\#
X() = 2$. \qed
\end{satz}
@@ -202,7 +200,7 @@ Gleichungssystems
gar nicht so sehr auf die einzelnen Gleichungen ankommt, sondern vielmehr auf
das von den einzelnen Gleichungen erzeugte Ideal, $(f_1, …, f_n)$.
\begin{defn}[Verschwindungsmenge eines Ideals]\label{def:5-3-1}
\begin{defn}[Verschwindungsmenge eines Ideals]\label{def:5-3-1}%
Es sei $k$ ein Körper und es sei $I ⊆ k[x_1, …, x_m]$ ein Ideal. Dann heißt
\[
V(I) := \left\{ \vec{a} ∈ k^m \::\: f(\vec{a}) = 0 \text{ für alle } f ∈ I
@@ -214,9 +212,9 @@ das von den einzelnen Gleichungen erzeugte Ideal, $(f_1, …, f_n)$.
Die Mengen $V(I)$ sind nicht beliebig. Ich erinnere dazu an den Hilbert'schen
Basissatz: Der Polynomring $k[x_1, …, x_m]$ aus Definition~\ref{def:5-3-1} ist
Noethersch und jedes Ideal ist daher endlich erzeugt. Das bedeutet: gegeben ein
Ideal $I$, dann wir finden eine Menge von endlich vielen Elementen
$f_1, …, f_m ∈ k[x_1, …, x_m]$, sodass $I = (f_1, …, f_m)$ ist. Überlegen Sie
sich jetzt \emph{sofort}, dass dann die Gleichheit
Ideal $I$, dann wir finden eine Menge von endlich vielen Elementen $f_1, …, f_m
∈ k[x_1, …, x_m]$, sodass $I = (f_1, …, f_m)$ ist. Überlegen Sie sich jetzt
\emph{sofort}, dass dann die Gleichheit
\[
V(I) = V(f_1, …, f_m)
\]
@@ -232,7 +230,7 @@ Definition~\vref{def:2-1-1}. Wir erhalten also eine Abbildung
die uns noch viel Freude bereiten wird. Der folgende Satz fasst die ersten
Eigenschaften der Abbildung $V$ zusammen.
\begin{satz}[Einfache Eigenschaften von $V$]\label{satz:5-3-2}
\begin{satz}[Einfache Eigenschaften von $V$]\label{satz:5-3-2}%
Es sei $k$ ein Körper und $R := k[x_1, …, x_n]$. Dann gelten die folgenden
Aussagen.
\begin{enumerate}
@@ -263,10 +261,10 @@ abgeschlossene Mengen eines topologischen Raumes. Egal wie schrecklich der
Körper $k$ ist, erhalten wir also eine Topologie auf $k^m$, deren
abgeschlossenen Menge genau die algebraischen Mengen sind. Diese Topologie wird
Zariski\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Oscar_Zariski}{Oscar
Zariski}, geboren als Ascher Zaritsky, (* 24. April 1899, in Kobryn,
Weißrussland; † 4. Juli 1986 in Brookline, Massachusetts, USA) war ein
US-amerikanischer Mathematiker, der wichtige Beiträge zur Grundlegung der
algebraischen Geometrie leistete.}-Topologie genannt.
Zariski}, geboren als Ascher Zaritsky, (* 24. April 1899, in Kobryn,
Weißrussland; † 4. Juli 1986 in Brookline, Massachusetts, USA) war ein
US-amerikanischer Mathematiker, der wichtige Beiträge zur Grundlegung der
algebraischen Geometrie leistete.}-Topologie genannt.
\begin{defn}[Zariski-Topologie]
Es sei $k$ ein Körper. Die Topologie
@@ -275,21 +273,21 @@ Zariski\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Oscar_Zariski}{Oscar
\mathcal{P}(k^m)
\]
wird als \emph{Zariski-Topologie}\index{Zariski-Topologie} bezeichnet. Der
topologische Raum $(k^m, τ)$ wird mit dem Symbol $𝔸^m_k$ notiert. Wenn
$X ⊂ k^m$ eine algebraische Teilmenge ist, bezeichnen wir die auf $X$
induzierte Topologie ebenfalls als Zariski-Topologie.
topologische Raum $(k^m, τ)$ wird mit dem Symbol $𝔸^m_k$ notiert. Wenn $X ⊂
k^m$ eine algebraische Teilmenge ist, bezeichnen wir die auf $X$ induzierte
Topologie ebenfalls als Zariski-Topologie.
\end{defn}
\begin{notation}
Im Fall $k = $ oder $$ haben wir also mindestens zwei interessante
Topologien: die klassische Euklidische Topologie, die Sie aus der Vorlesung
``Analysis'' kennen und die Zariski-Topologie. Um Verwechselungen zu
vermeiden, sprechen wir meist ausführlich von \emph{Zariski-abgeschlossenen}
und \emph{Zariski-offenen} oder \emph{Euklidisch-abgeschlossenen} und
Analysis kennen und die Zariski-Topologie. Um Verwechselungen zu vermeiden,
sprechen wir meist ausführlich von \emph{Zariski-abgeschlossenen} und
\emph{Zariski-offenen} oder \emph{Euklidisch-abgeschlossenen} und
\emph{Euklidisch-offenen} Mengen.
\end{notation}
\begin{bemerkung}[Interessante Eigenschaften der Zariski-Topologie]\label{bem:5-3-5}
\begin{bemerkung}[Interessante Eigenschaften der Zariski-Topologie]\label{bem:5-3-5}%
Die Zariski-Topologie hat einige sehr ungewohnte Eigenschaften.
\begin{itemize}
\item Wenn der Körper $k$ unendlich viele Elemente enthält, dann liegt jede
@@ -346,8 +344,8 @@ Eigenschaften dieser Abbildung zusammen.
\begin{enumerate}
\item Aus $A ⊆ B$ folgt $I(A) ⊇ I(B)$.
\item\label{il:5-4-2-2} Es ist $A ⊆ V\bigl(I(A)\bigr)$. Gleichheit gilt genau dann, wenn
$A$ eine algebraische Menge ist.
\item\label{il:5-4-2-2} Es ist $A ⊆ V\bigl(I(A)\bigr)$. Gleichheit gilt genau
dann, wenn $A$ eine algebraische Menge ist.
\item Es ist $I(A B) = I(A) ∩ I(B)$.
\end{enumerate}
@@ -364,10 +362,11 @@ Eigenschaften dieser Abbildung zusammen.
\[
V\bigl(I(A)\bigr) = \overline{A}^Z,
\]
wobei $\overline{}^Z$ für ``topologischer Abschluss in der
Zariski-Topologie'' steht.
wobei $\overline{}^Z$ für topologischer Abschluss in der Zariski-Topologie“
steht.
\end{aufgabe}
\section{Der starke Nullstellensatz}
\sideremark{Vorlesung 6}Gegeben einen Körper $k$ und eine Zahl $n$, dann hatten
@@ -380,12 +379,12 @@ die uns beide sehr viel Freude machen. Es schaut ein wenig so aus, als wären
die Abbildungen $V$ und $I$ zueinander inverse Bijektionen. Das ist aus
mindestens zwei Gründen nicht der Fall.
\begin{beobachtung}\label{beo:5-6-1}
Die Bilder der Abbildung $V$ sind algebraische Mengen, während die Abbildung
$I$ beliebige Mengen als Input nimmt.
\begin{beobachtung}\label{beo:5-6-1} Die Bilder der Abbildung $V$ sind
algebraische Mengen, während die Abbildung $I$ beliebige Mengen als Input
nimmt.
\end{beobachtung}
\begin{beobachtung}\label{beo:5-6-2}
\begin{beobachtung}\label{beo:5-6-2}%
Die Abbildung $I$ ist nicht injektiv. Nehme zum Beispiel $k = $ und
betrachte das Ideal $I = (x)[x]$. Dann ist $= ()(x) = I$, aber
$V() = V(I)$ ist jeweils einfach der Nullpunkt in $$. Beobachten Sie, dass
@@ -399,7 +398,7 @@ aus Beobachtung~\ref{beo:5-6-1} ist interessanter. Ist alle Hoffnung auf
Bijektivität verloren? Wahrscheinlich nicht. Schauen Sie sich die Definition
der Abbildung $I$ noch einmal an und beobachten Sie, dass das Ideal $()$
niemals Output von $I$ ist! Offenbar liefert die Abbildung $I$ also Output nur
solche Ideal, die ``nicht Potenz eines größeren Ideals'' sind. Die folgende
solche Ideal, die nicht Potenz eines größeren Ideals sind. Die folgende
Definition macht diese Aussage präzise.
\begin{satzdef}
@@ -424,7 +423,7 @@ Definition macht diese Aussage präzise.
\begin{bemerkung}
Es sei $R$ ein Ring und es sei $J ⊆ R$ ein Ideal. Aus der Definition des
Radikalideals ergibt sich schnell: $\rad \rad J = \rad J$. Mehrfaches
``Wurzelziehen'' bringt also nichts; das hätten Ihnen ihr Zahnarzt auch sagen
Wurzelziehen bringt also nichts; das hätten Ihnen ihr Zahnarzt auch sagen
können. Die Idee, Radikale bei der Wurzel zu ziehen, war 1972 Gegenstand des
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Radikalenerlass}{Radikalenerlasses}.
\end{bemerkung}
@@ -432,7 +431,7 @@ Definition macht diese Aussage präzise.
\begin{bsp}[Primideale sind radikal]
Es sei $R$ ein Ring und es sei $J ⊆ R$ ein Primideal. Dann ist $J$ ein
Radikalideal. Falls nämlich $f ∈ R$ ein Element wäre, sodass $f² ∈ J$ ist,
dann gilt nach Definition von ``Primideal'', dass auch $f ∈ J$ sein muss.
dann gilt nach Definition von Primideal, dass auch $f ∈ J$ sein muss.
Induktiv beweise man nun, dass für jede natürliche Zahl $n$ und jedes Element
$f ∈ R$ aus $f^n ∈ J$ immer sofort $f ∈ J$ folgt.
\end{bsp}
@@ -452,9 +451,9 @@ Erhalten wir jetzt also eine Bijektion, wenn wir zusätzlich noch die Abbildung
$V$ aus Radikalideale einschränken? Falls $k$ algebraisch abgeschlossenen, gibt
der starke Hilbertsche Nullstellensatz eine positive Antwort.
\begin{satz}[Starker Hilbertscher Nullstellensatz]\label{satz:5-6-8}
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei
$J ⊆ k[x_1, …, x_n]$ ein Ideal. Dann ist
\begin{satz}[Starker Hilbertscher Nullstellensatz]\label{satz:5-6-8}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $J ⊆ k[x_1, …,
x_n]$ ein Ideal. Dann ist
\[
I\bigl(V(J) \bigr) = \rad J.
\]
@@ -464,11 +463,11 @@ der starke Hilbertsche Nullstellensatz eine positive Antwort.
\begin{proof}
\video{6-2} zeigt den Beweis mithilfe des genialen
\href{https://en.wikipedia.org/wiki/Rabinowitsch_trick}{Tricks von
Rabinowitsch}\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/George_Rainich}{George
Yuri Rainich} (* als Georg oder Juri Rabinowitsch 25. März 1886 in Odessa;
10. Oktober 1968 in Ann Arbor) war ein russisch-US-amerikanischer
Mathematiker und theoretischer Physiker. Er veröffentlichte vor seiner Zeit
in den USA unter dem Namen Rabinowitsch.}.
Rabinowitsch}\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/George_Rainich}{George
Yuri Rainich} (* als Georg oder Juri Rabinowitsch 25. März 1886 in Odessa;
10. Oktober 1968 in Ann Arbor) war ein russisch-US-amerikanischer
Mathematiker und theoretischer Physiker. Er veröffentlichte vor seiner Zeit
in den USA unter dem Namen Rabinowitsch.}.
\end{proof}
Ich fasse das Ergebnis dieses Kapitels noch einmal zusammen: Angenommen, es sei

84
06.tex
View File

@@ -15,8 +15,8 @@ vollständige Entsprechung zwischen den Objekten der geometrisch-anschaulichen
und den Objekten der algebraisch-abstrakten Seite dieser Äquivalenz. Ebenso hat
jeder Satz der kommutativen Algebra eine entsprechende Formulierung als Satz der
Geometrie. Ich möchte in dieser Vorlesung aber nicht die theoretische Seite
dieser Äquivalenz betonen, sondern Zug umd Zug ein ganz konkretes ``Wörterbuch
Algebra $\leftrightarrow$ Geometrie'' entwickeln.
dieser Äquivalenz betonen, sondern Zug um Zug ein ganz konkretes Wörterbuch
Algebra $\leftrightarrow$ Geometrie entwickeln.
\begin{bsp}
Korollar~\ref{cor:5-2-6} liefert den ersten Eintrag. Das Korollar zeigt
@@ -32,40 +32,39 @@ Algebra $\leftrightarrow$ Geometrie'' entwickeln.
\section{Reduzible und irreduzible Mengen}
Den zweiten Eintrag in unserem Wörterbuch hatte ich in Beispiel~\ref{bsp:2-1-8}
vorbereitet. Das Achsenkreuz im $𝔸²_k$ besteht aus mehr als einer
``Komponente'' (nämlich der $x$-Achse und der $y$-Achse) weil das zugehörende
Ideal $(x·y)k[x,y]$ kein Primideal ist. Das mathematisch korrekte Wort für
``besteht aus mehr als einer Komponente'' heißt ``reduzibel''.
vorbereitet. Das Achsenkreuz im $𝔸²_k$ besteht aus mehr als einer „Komponente“
(nämlich der $x$-Achse und der $y$-Achse) weil das zugehörende Ideal $(x·y)
k[x,y]$ kein Primideal ist. Das mathematisch korrekte Wort für „besteht aus
mehr als einer Komponente heißt reduzibel.
\begin{defn}[Reduzible und irreduzible Mengen]
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $n ∈ $ eine Zahl
und es sei $A ⊂ 𝔸^n_k$ eine algebraische Menge. Wenn es eine Darstellung
$A = A_1 A_2$ von $A$ als Vereinigung von zwei echten\footnote{Erinnerung:
Eine Teilmenge $B ⊆ A$ heißt ``echt'', wenn $B ≠ ∅$ und $B ≠ A$ ist.}
algebraischen Teilmengen gibt, dann nenne $A$
\emph{reduzibel}\index{reduzibel}. Ansonsten nenne $A$
\emph{irreduzibel}\index{irreduzibel}.
und es sei $A ⊂ 𝔸^n_k$ eine algebraische Menge. Wenn es eine Darstellung $A
= A_1 A_2$ von $A$ als Vereinigung von zwei echten\footnote{Erinnerung: Eine
Teilmenge $B ⊆ A$ heißt echt, wenn $B ≠ ∅$ und $B ≠ A$ ist.} algebraischen
Teilmengen gibt, dann nenne $A$ \emph{reduzibel}\index{reduzibel}. Ansonsten
nenne $A$ \emph{irreduzibel}\index{irreduzibel}.
\end{defn}
\begin{bsp}
Das Achsenkreuz im $𝔸²_k$ ist reduzibel, weil es die echte Vereinigung der
algebraischen Teilmengen ``$x$-Achse'' und ``$y$-Achse'' ist.
algebraischen Teilmengen $x$-Achse und $y$-Achse ist.
\end{bsp}
Ich hoffe, Sie stimmen mir zu, dass der Begriff ``reduzibel'' sehr anschaulich
Ich hoffe, Sie stimmen mir zu, dass der Begriff reduzibel sehr anschaulich
ist. Ich hatte oben schon angedeutet: Die algebraische Entsprechung von
``irreduzibler algebraischer Menge'' ist ``Primideal''.
irreduzibler algebraischer Menge ist Primideal.
\begin{satz}[Irreduzible Mengen und Primideale]\label{satz:6-1-3}
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $n ∈ $ eine Zahl
und es sei $A ⊂ 𝔸^n_k$ eine algebraische Menge. Dann gilt: Die algebraische
Menge $A$ ist genau dann irreduzibel, wenn $I(X) ⊂ k[x_1, …, x_n]$ ein
Menge $A$ ist genau dann irreduzibel, wenn $I(A) ⊂ k[x_1, …, x_n]$ ein
Primideal ist.
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis der Implikation ``irreduzibel $$ Primideal'']
\begin{proof}[Beweis der Implikation irreduzibel $$ Primideal]
\video{6-3}
\end{proof}
\begin{proof}[Beweis der Implikation ``Primideal $$ irreduzibel'']
\begin{proof}[Beweis der Implikation Primideal $$ irreduzibel]
\video{6-4}.
\end{proof}
@@ -89,11 +88,12 @@ Menge zu beweisen.
\end{bsp}
\begin{bemerkung}
Bei Mengen, die ich zeichnen oder mir zumindest vorstellen kann, ist die Frage
nach der Irreduzibilität meist sofort ``durch Draufschauen'' zu beantworten.
Bei Mengen, die nicht so leicht vorzustellen sind (zum Beispiel Mengen von
hoher Dimension) schaut man dumm. Tatsächlich ist es auch für den Algebraiker
sehr schwer, zu entscheiden, ob ein gegebenes Ideal jetzt prim ist oder nicht.
Wenn ich eine Menge zeichnen (oder mir zumindest vorstellen) kann, dann kann
ich die Frage nach der Irreduzibilität meist sofort durch Draufschauen
beantworten. Bei Mengen, die nicht so leicht vorzustellen sind (zum Beispiel
Mengen von hoher Dimension) schaut man dumm. Tatsächlich ist es auch für den
Algebraiker sehr schwer, zu entscheiden, ob ein gegebenes Ideal jetzt prim ist
oder nicht.
\end{bemerkung}
@@ -111,8 +111,8 @@ Wenn ich kurz einmal glaube, dass jede algebraische Menge auf eindeutige Weise
als echte Vereinigung von irreduziblen Mengen schreiben lässt, dann muss dem auf
der algebraischen Seite eine Aussage gegenüberstehen, die sagt, dass jedes
Radikalideal eindeutig durch Primideale dargestellt werden kann --wobei wir uns
jetzt erst noch überlegen müssen, was ``darstellen'' in diesem Kontext
eigentlich bedeuten soll.
jetzt erst noch überlegen müssen, was darstellen in diesem Kontext eigentlich
bedeuten soll.
\begin{beobachtung}\label{beo:6-2-1}
Gegeben eine algebraische Menge $X$, die ich als Vereinigung von endliche
@@ -136,9 +136,9 @@ eigentlich bedeuten soll.
\end{beobachtung}
Ich fasse den Inhalt von Beobachtung~\ref{beo:6-2-1} noch einmal informell
zusammen: Die geometrische Aussage ``$X$ kann als Vereinigung von irreduziblen
Mengen geschrieben werden'' ist also gleichbedeutend mit der algebraischen
Aussage ``$I$ ist Durchschnitt von Primidealen''. Die folgende Proposition
zusammen: Die geometrische Aussage $X$ kann als Vereinigung von irreduziblen
Mengen geschrieben werden ist also gleichbedeutend mit der algebraischen
Aussage $I$ ist Durchschnitt von Primidealen. Die folgende Proposition
formuliert den Sachverhalt noch einmal präzise und fügt unserem Wörterbuch eine
besonders interessante Zeile hinzu.
@@ -185,10 +185,9 @@ Der Beweis von Satz~\ref{satz:6-2-3} kommt gleich. Zuerst benötige ich noch
einige Vorüberlegungen.
\begin{lem}[Existenz minimaler Mengen]
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $n ∈ $ eine Zahl
und es sei
In der Situation von Satz~\ref{satz:6-2-3} sei
\[
X\mathcal{P}(𝔸^n_k)
M\mathcal{P}(𝔸^n_k)
\]
eine nicht-leere Menge von algebraischen Mengen des $𝔸^n_k$. Dann besitzt $X$
ein Element, das minimales bezüglich Inklusion minimal ist.
@@ -196,29 +195,30 @@ einige Vorüberlegungen.
\begin{proof}
Nach dem \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Lemma_von_Zorn}{Lemma von
Zorn}\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Max_August_Zorn}{Max
August Zorn} (* 6. Juni 1906 in Krefeld; † 9. März 1993 in Bloomington,
August Zorn} (* 6.~Juni 1906 in Krefeld; † 9.~März 1993 in Bloomington,
Indiana, USA) war ein US-amerikanischer Professor der Mathematik deutscher
Abstammung.} genügt es zu zeigen, dass jede absteigende Kette
\[
X_1X_2 ⊇ ⋯
M_1M_2 ⊇ ⋯
\]
von algebraischen Mengen stationär wird. Mit anderen Worten:
von algebraischen Mengen $M_i ∈ M$ stationär wird. Mit anderen Worten:
\[
∃ m ∈ : X_m = X_{m+1} = X_{m+2} =
∃ m ∈ : M_m = M_{m+1} = M_{m+2} =
\]
gilt. Wir betrachten die zugehörige Kette von Idealen $I(X_1) ⊆ I(X_2) ⊆ ⋯$.
Weil der Ring $k[x_1, …, x_n]$ Noethersch ist, wird diese Kette stationär.
Mit anderen Worten:
gilt. Wir betrachten die zugehörige Kette von Idealen $I(M_1) ⊆ I(M_2) ⊆ ⋯$.
Weil der Ring $k[x_1, …, x_n]$ Noethersch ist, wird diese Kette stationär. Mit
anderen Worten:
\[
∃ m ∈ : I(X_m) = I(X_{m+1}) = I(X_{m+2}) = ⋯.
∃ m ∈ : I(M_m) = I(M_{m+1}) = I(M_{m+2}) = ⋯.
\]
Weil die Abbildungen $I$ und $V$ bijektiv sind, folgt die Behauptung.
\end{proof}
\begin{lem}
Sei $X=X_1 X_r$ irgendeine Darstellung von $X$ als Vereinigung von
endlich vielen irreduziblen algebraischen Mengen. Sei $p ⊇ I(X)$ irgendein
Primideal. Dann gibt es einen Index $i$, sodass $p ⊇ I(X_i)$ ist.
In der Situation von Satz~\ref{satz:6-2-3} sei $X=X_1 X_r$ irgendeine
Darstellung von $X$ als Vereinigung von endlich vielen irreduziblen
algebraischen Mengen. Sei $p ⊇ I(X)$ irgendein Primideal. Dann gibt es einen
Index $i$, sodass $p ⊇ I(X_i)$ ist.
\end{lem}
\begin{proof}
Wir führen einen Widerspruchsbeweis und nehmen an, dass es für jeden Index $i$

162
07.tex
View File

@@ -10,21 +10,21 @@ Im nächsten Kapitel werden wir ernsthaft anfangen, zu rechnen. Vorher möchte
ich in aller Kürze noch ein weiteres algebraisches Objekt einführen und dessen
geometrische Bedeutung klären. Um zu erklären, worum es überhaupt geht,
betrachte man ein Radikalideal $J ⊂ [x_1, …, x_n]$ mit zugehörender
algebraischer Menge $X := V(J)𝔸^n_{}$. Dann kann man den Restklassenring
algebraischer Menge $X := V(J)𝔸^n_$. Dann kann man den Restklassenring
$[x_1, …, x_n] / J$ wie folgt interpretieren:
\begin{itemize}
\item Zuerst kann ich den Polynomring $[x_1, …, x_n]$ als Unterring des Rings
$\cC(𝔸^n_{})$ der komplexwertigen stetigen Funktionen auffassen.
$\cC(𝔸^n_)$ der komplexwertigen stetigen Funktionen auffassen.
\item Analog betrachte ich den Ring $\cC(X)$ der auf $X$ stetigen
komplexwertigen Funktionen.
\item Als Nächstes betrachte ich die Einschränkungsabbildung
$\cC(𝔸^n_{}) \cC(X)$ und erhalte eine Folge von Ringmorphismen
\item Als Nächstes betrachte ich die Einschränkungsabbildung $\cC(𝔸^n_)
\cC(X)$ und erhalte eine Folge von Ringmorphismen
\[
\begin{tikzcd}[column sep=2.2cm]
[x_1, …, x_n] \ar[r, hook] & \cC(𝔸^n_{}) \ar[r, "\text{Einschränkung}"] & \cC(X).
[x_1, …, x_n] \ar[r, hook] & \cC(𝔸^n_) \ar[r, "\text{Einschränkung}"] & \cC(X).
\end{tikzcd}
\]
Die verkettete Abbildung bezeichne ich mit $φ : [x_1, …, x_n]\cC(X)$.
@@ -36,7 +36,7 @@ Nach dem Homomorphiesatz ist der Quotientenring
\]
also der Unterring der durch Polynome repräsentierbaren komplexwertigen stetigen
Funktionen auf $X$. Mit dieser Identifikation entsprechen die Funktionen
$φ(x_1), …, φ(x_n)$ den Koordinationenfunktionen auf $X$. Dies motiviert die
$φ(x_1), …, φ(x_n)$ den Koordinatenfunktionen auf $X$. Dies motiviert die
folgende Definition.
\begin{defn}[Affiner Koordinatenring]\label{def:7-0-1}
@@ -74,16 +74,16 @@ Koordinatenring nullteilerfrei ist.
Irreduzibilität ist nicht die einzige Eigenschaft einer algebraischen Menge, die
man am affinen Koordinatenring ablesen kann. Um Ihnen die geometrische
Bedeutung des Koordinatenringes genau zu erklären, muss ich aber erst einmal
sagen, was ein ``Morphismus von algebraischen Mengen'' eigentlich sein soll.
Die Sache ist eigentlich sehr einfach.
sagen, was ein Morphismus von algebraischen Mengen eigentlich sein soll. Die
Sache ist eigentlich sehr einfach.
\begin{defn}[Morphismus von algebraischen Mengen]
Es sei $k$ ein Körper, es seien $n$ und $m$ Zahlen und es seien algebraische
Mengen $X ⊂ 𝔸^n_k$ und $Y ⊂ 𝔸^m_k$ gegeben; wir bezeichnen die Koordinaten auf
dem $𝔸^n_k$ mit $x_1, …, x_n$. Eine Abbildung $f : X \rightarrow Y$ heißt
\emph{polynomiale Abbildung}\index{polynomiale Abbildung} oder
Mengen $X ⊂ 𝔸^n_k$ und $Y ⊂ 𝔸^m_k$ gegeben; wir bezeichnen die Koordinaten
auf dem $𝔸^n_k$ mit $x_1, …, x_n$. Eine Abbildung $f : X \rightarrow Y$
heißt \emph{polynomiale Abbildung}\index{polynomiale Abbildung} oder
\emph{Morphismus von algebraischen Mengen}\index{Morphismus von algebraischen
Mengen}, wenn es Polynome $f_1, …, f_m ∈ k[x_1, …, x_n]$ gibt, sodass für
Mengen}, wenn es Polynome $f_1, …, f_m ∈ k[x_1, …, x_n]$ gibt, sodass für
jeden Punkt $\vec{x} ∈ X$ die Gleichung
\[
f(\vec{x}) =
@@ -96,13 +96,12 @@ Die Sache ist eigentlich sehr einfach.
gilt.
\end{defn}
\begin{bsp}\label{bsp:7-1-2}
Es sei $k$ ein Körper. Die polynomiale Abbildung
\begin{bsp}\label{bsp:7-1-2} Es sei $k$ ein Körper. Die polynomiale Abbildung
\[
f : 𝔸¹_k → 𝔸³_k, \quad t ↦ (t,t²,t³)
\]
liefert einen Morphismus von $𝔸_$ in die algebraische Menge
$V \bigl(y-x²,z-\bigr) ⊆ 𝔸³_k$.
liefert einen Morphismus von $𝔸_$ in die algebraische Menge $V
\bigl(y-x²,z-\bigr) ⊆ 𝔸³_k$.
\end{bsp}
\begin{bsp}\label{bsp:7-1-3}
@@ -110,13 +109,14 @@ Die Sache ist eigentlich sehr einfach.
\[
f : 𝔸¹_ → 𝔸²_, \quad t ↦ (t²,t³)
\]
liefert einen surjektiven Morphismus von $𝔸¹_$ in die algebraische Menge
$V \bigl(-\bigr) ⊆ 𝔸²_$. Die Bildmenge $V \bigl(-\bigr)$ heißt
``Neilsche Parabel''. Zeichnen Sie ein reelles Bild dieser Menge. Finden Sie
heraus, welche Eigenschaft die Neilsche Parabel zu einer ganz besonderen Kurve
macht. Besorgen Sie sich die ungekürzte Originalausgabe des Romans ``Moby
Dick'' und finden Sie die Stelle, an der die Neilsche Parabel eine Rolle
spielt. Tipp: ein Stück Seife spielt auch eine Rolle.
liefert einen surjektiven Morphismus von $𝔸¹_$ in die algebraische Menge $V
\bigl(-\bigr) ⊆ 𝔸²_$. Traditionell bezeichnet man die Bildmenge $V
\bigl(-\bigr)$ als „Neilsche Parabel. Zeichnen Sie ein reelles Bild
dieser Menge. Finden Sie heraus, welche Eigenschaft die Neilsche Parabel zu
einer ganz besonderen Kurve macht. Besorgen Sie sich die ungekürzte
Originalausgabe des Romans „Moby Dick und finden Sie die Stelle, an der die
Neilsche Parabel eine Rolle spielt. Tipp: ein Stück Seife spielt auch eine
Rolle.
\end{bsp}
\begin{bsp}\label{bsp:7-1-4}
@@ -131,8 +131,8 @@ Die Sache ist eigentlich sehr einfach.
\begin{defn}[Isomorphismen]
Es sei $k$ ein Körper und es seien $n$ und $m$ Zahlen gegeben. Zwei
algebraische Mengen $X ⊂ 𝔸^n_k$ und $Y ⊂ 𝔸^m_k$ heißen
\emph{isomorph}\index{isomorphe algebraische Mengen}, wenn es Morphismen
$f:V → W$ und $g:W → V$ gibt, sodass $g◦f = \Id_X$ und $f◦g = \Id_Y$ ist. In
\emph{isomorph}\index{isomorphe algebraische Mengen}, wenn es Morphismen $f:V
→ W$ und $g:W → V$ gibt, sodass $g◦f = \Id_X$ und $f◦g = \Id_Y$ ist. In
diesem Fall nennt man die Morphismen $g$ und $f$
\emph{Isomorphismen}\index{Isomorphismen von algebraischen Mengen}.
\end{defn}
@@ -157,10 +157,10 @@ Die Sache ist eigentlich sehr einfach.
Was haben Koordinatenringe mit Morphismen zu tun? Um den Zusammenhang präzise
zu klären, lege ich erst einmal die Notation für die kommende Diskussion fest.
\begin{situation}\label{sit:7-2-1}
\begin{situation}\label{sit:7-2-1}%
Es sei $k$ ein Körper, es seien $n$ und $m$ Zahlen und es seien algebraische
Mengen $X ⊂ 𝔸^n_k$ und $Y ⊂ 𝔸^m_k$ gegeben; wir bezeichnen die Koordinaten auf
dem $𝔸^n_k$ mit $x_1, …, x_n$ und die Koordinaten auf dem $𝔸^m_k$ mit
Mengen $X ⊂ 𝔸^n_k$ und $Y ⊂ 𝔸^m_k$ gegeben; wir bezeichnen die Koordinaten
auf dem $𝔸^n_k$ mit $x_1, …, x_n$ und die Koordinaten auf dem $𝔸^m_k$ mit
$y_1, …, y_m$. Die affinen Koordinatenringe sind dann
\[
k[X] = \factor{k[x_1, …, x_n]}{I(X)} %
@@ -174,8 +174,8 @@ zu klären, lege ich erst einmal die Notation für die kommende Diskussion fest.
\label{sec:7-2-1}
In Situation~\ref{sit:7-2-1} sei ein Morphismus $f : X → Y$ von algebraischen
Mengen gegeben. Nach Definition gibt es also Polynome
$f_1, …, f_m ∈ k[x_1, …, x_n]$, sodass jeden Punkt $\vec{x} ∈ X$ die Gleichung
Mengen gegeben. Nach Definition gibt es also Polynome $f_1, …, f_m ∈ k[x_1, …,
x_n]$, sodass jeden Punkt $\vec{x} ∈ X$ die Gleichung
\[
f(\vec{x}) =
\begin{pmatrix}
@@ -184,7 +184,7 @@ $f_1, …, f_m ∈ k[x_1, …, x_n]$, sodass jeden Punkt $\vec{x} ∈ X$ die Gle
f_m(\vec{x})
\end{pmatrix}
\]
gilt. Wir definieren damit die folgende ``Rückzugsabbildung''
gilt. Wir definieren damit die folgende Rückzugsabbildung
\[
\begin{matrix}
φ^* & : & k[y_1, …, y_m] && k[x_1, …, x_n] \\
@@ -223,7 +223,7 @@ exakt das Bild der Restklasse $[y_i] ∈ k[Y]$ unter der Abbildung $f^*$ ist,
\begin{equation}\label{eq:7-2-2-1}
f^* \Bigl( [y_i] \Bigr) = [f_i].
\end{equation}
Als Nächstes definieren wir eine ``Rückzugsabbildung'',
Als Nächstes definieren wir eine Rückzugsabbildung,
\[
\begin{matrix}
φ^* & : & k[y_1, …, y_m] && k[x_1, …, x_n] \\
@@ -258,9 +258,9 @@ polynomiale Abbildung betrachten,
\end{pmatrix}.
\]
Sei jetzt nämlich ein Punkt $\vec{x} ∈ X$ gegeben. Ich behaupte, dass
$φ(\vec{x}) ∈ Y$ liegt. Äquivalent: ich behaupte, dass jedes
$g\bigl( φ(\vec{x}) \bigr) = 0$ ist für jedes $g ∈ I(Y)$. Sei also ein solches
$g$ gegeben. Dann ist nach Konstruktion der Abbildung $φ$
$φ(\vec{x}) ∈ Y$ liegt. Äquivalent: ich behaupte, dass jedes $g\bigl(
φ(\vec{x}) \bigr) = 0$ ist für jedes $g ∈ I(Y)$. Sei also ein solches $g$
gegeben. Dann ist nach Konstruktion der Abbildung $φ$
\[
g\bigl( φ(\vec{x}) \bigr) = \bigl( φ^*(g) \bigr)(\vec{x}),
\]
@@ -278,7 +278,7 @@ Abschnitten~\ref{sec:7-2-1} und \ref{sec:7-2-2} sind zueinander invers. Ich
lasse Ihnen den detaillierten Beweis als Hausaufgabe und halte das Ergebnis
fest.
\begin{satz}[Koordinatenringe und Morphismen]\label{satz:7-3-3}
\begin{satz}[Koordinatenringe und Morphismen]\label{satz:7-3-3}%
In Situation~\ref{sit:7-2-1} liefern die Konstruktionen aus den
Abschnitten~\ref{sec:7-2-1} und \ref{sec:7-2-2} zueinander inverse Bijektionen
\[
@@ -287,49 +287,47 @@ fest.
\]
\end{satz}
Inbesondere ist klar, dass jede algebraische Eigenschaft der Ringmorphismen
Insbesondere ist klar, dass jede algebraische Eigenschaft der Ringmorphismen
einer geometrischen Eigenschaft des Varietätenmorphismus entsprechen muss. Ich
diskutiere hier nur das allererste Beispiel.
\begin{prop}[Injektive Abbildungen zwischen Koordinatenringen]\label{prop:7-3-4}
In Situation~\ref{sit:7-2-1} sei $k$ algebraisch abgeschlossen und die
algebraischen Mengen $X$ und $Y$ seien irreduzibel. Weiter es sei
$f : X → Y$ ein Morphismus von algebraischen Mengen. Dann sind folgende
Aussagen äquivalent.
algebraischen Mengen $X$ und $Y$ seien irreduzibel. Weiter es sei $f : X → Y$
ein Morphismus von algebraischen Mengen. Dann sind folgende Aussagen
äquivalent.
\begin{enumerate}
\item Die Abbildung $f^* : k[Y] → k[X]$ ist injektiv.
\item Die Bildmenge $f(X) ⊂ Y$ ist dicht bezüglich der
Zariski-Topologie. Mit anderen Worten: jede algebraische Teilmenge
$Y' ⊆ Y$, die $f(X)$ enthält, ist gleich $Y$.
\item Die Bildmenge $f(X) ⊂ Y$ ist dicht bezüglich der Zariski-Topologie. Mit
anderen Worten: jede algebraische Teilmenge $Y' ⊆ Y$, die $f(X)$ enthält,
ist gleich $Y$.
\end{enumerate}
\end{prop}
\begin{proof}
Angenommen, die Abbildung $f^* : k[Y] → k[X]$ ist nicht injektiv. Dann gibt
es eine Element $g ∈ k[Y] \{0\}$, sodass $0 = f^*(g) = g◦ f$
ist. Dann ist aber die Bildmenge $f(X)$ in der algebraischen Teilmenge
$\{g=0\} ⊊ Y$ enthalten.
es eine Element $g ∈ k[Y] \{0\}$, sodass $0 = f^*(g) = g◦ f$ ist. Dann ist
aber die Bildmenge $f(X)$ in der algebraischen Teilmenge $\{g=0\} ⊊ Y$
enthalten.
Angenommen, die Bildmenge $f(X)$ sei in einer echten algebraischen Teilmenge
$Y' ⊊ Y$ enthalten. Sei $g ∈ k[Y]$ eine nicht-triviale Funktion,
die auf $Y'$ verschwindet. Dann ist $0 = g◦ f = f^*(g)$, also ist $f^*$
nicht injektiv.
$Y' ⊊ Y$ enthalten. Sei $g ∈ k[Y]$ eine nicht-triviale Funktion, die auf $Y'$
verschwindet. Dann ist $0 = g◦f = f^*(g)$, also ist $f^*$ nicht injektiv.
\end{proof}
\begin{prop}[Surjektive Abbildungen zwischen Koordinatenringen]\label{prop:7-3-5}
\begin{prop}[Surjektive Abbildungen zwischen Koordinatenringen]\label{prop:7-3-5}%
In Situation~\ref{sit:7-2-1} sei $k$ algebraisch abgeschlossen. Weiter es sei
$f : X → Y$ ein Morphismus von algebraischen Mengen. Falls die Abbildung
$f^* : k[Y] → k[X]$ surjektiv ist, dann ist die Abbildung $f$ injektiv.
$f : X → Y$ ein Morphismus von algebraischen Mengen. Falls die Abbildung $f^*
: k[Y] → k[X]$ surjektiv ist, dann ist die Abbildung $f$ injektiv.
\end{prop}
\begin{proof}
Hausaufgabe!
\end{proof}
\begin{frage}
Wo habe ich im Beweis von Proposition~\ref{prop:7-3-4} die Annahme ``$k$
algebraisch abgeschlossen'' verwendet. Ist der Satz vielleicht auch ohne
diese Annahme richtig?
Wo habe ich im Beweis von Proposition~\ref{prop:7-3-4} die Annahme $k$
algebraisch abgeschlossen verwendet. Ist der Satz vielleicht auch ohne diese
Annahme richtig?
\end{frage}
Es gilt sogar mehr: Die Konstruktionen aus den Abschnitten~\ref{sec:7-2-1} und
@@ -341,14 +339,14 @@ gegeben ist,
X \ar[r, "f"] & Y \ar[r, "g"] & Z,
\end{tikzcd}
\]
dann ist $g^*f^* = (g◦ f)^*$. Anders herum: wenn eine Kette von Morphismen
von $k$-Algebren gegeben ist,
dann ist $g^*f^* = (g◦f)^*$. Anders herum: wenn eine Kette von Morphismen von
$k$-Algebren gegeben ist,
\[
\begin{tikzcd}
k[Z] \ar[r, "g^*"] & k[Y] \ar[r, "f^*"] & k[X],
\end{tikzcd}
\]
mit zugehörenden Abbildungen und $f : X → Z$ und $g: Y → Z$, dann ist $g◦f$ die
mit zugehörenden Abbildungen und $f: X → Z$ und $g: Y → Z$, dann ist $g◦f$ die
zu $f^*◦g^*$ gehörende Abbildung. Insbesondere sehen wir: zwei algebraischen
Mengen $X$ und $Y$ sind genau dann isomorph, wenn die affinen Koordinatenringe
$k[X]$ und $k[Y]$ isomorphe $k$-Algebren sind. Der affine Koordinatenring legt
@@ -371,8 +369,8 @@ Eigenschaften haben.\CounterStep
\begin{definition}[Nilpotente Elemente]
Es sei $R$ ein Ring und es sei $f ∈ R$. Man nennt $f$
\emph{nilpotent}\index{nilpotent}, wenn es ein Element $n ∈ $ gibt, so
dass $f^n = 0$ ist.
\emph{nilpotent}\index{nilpotent}, wenn es ein Element $n ∈ $ gibt, sodass
$f^n = 0$ ist.
\end{definition}
\begin{notation}[Reduzierte Ringe]
@@ -380,7 +378,7 @@ Eigenschaften haben.\CounterStep
werden auch als \emph{reduzierte Ringe}\index{reduzierter Ring} bezeichnet.
\end{notation}
\begin{beobachtung}\label{beob:7-3-9}
\begin{beobachtung}\label{beob:7-3-9}%
Es sei $k$ ein Körper und es sei $R$ eine endliche erzeugte $k$-Algebra ohne
nilpotente Elemente. Dann ist $R$ isomorph zum affinen Koordinatenring einer
Varietät. Wenn nämlich $e_1, …, e_n ∈ R$ Erzeuger sind, dann betrachte die
@@ -402,35 +400,35 @@ reduzierten Ringen.
\subsubsection{Diskussion}
In der Geometrie unterscheidet man klassischerweise zwischen ``extrinsischen''
und ``intrinsischen'' Eigenschaften. Wenn ich zum Beispiel ``Flächen im Raum''
In der Geometrie unterscheidet man klassischerweise zwischen extrinsischen“ und
intrinsischen Eigenschaften. Wenn ich zum Beispiel Flächen im Raum
diskutiere, dann sind extrinsische Eigenschaften solche, die davon abhängen, wie
die Fläche in den Raum eingebettet ist (``Enthält die Fläche Geraden?''). Im
die Fläche in den Raum eingebettet ist (Enthält die Fläche Geraden?). Im
Gegensatz dazu hängen intrinsische Eigenschaften der Fläche nicht von der Wahl
einer speziellen Einbettung in den Raum ab (``Was ist die Krümmung? Wie sieht
die Symmetriegruppe aus?'').
einer speziellen Einbettung in den Raum ab (Was ist die Krümmung? Wie sieht
die Symmetriegruppe aus?).
Wenn zwei algebraische Mengen isomorph sind, sagt uns die Anschauung ``Die
Wenn zwei algebraische Mengen isomorph sind, sagt uns die Anschauung Die
Varietäten sind gleich, nur auf unterschiedliche Art in affine Räume
eingebettet''. Der Diskussion aus dem letzten Abschnitt legt nahe, dass das
eingebettet. Der Diskussion aus dem letzten Abschnitt legt nahe, dass das
richtige algebraische Objekt, welches die intrinsische Geometrie von Varietäten
beschreibt, der affine Koordinatenring ist. Dieser Standpunkt wurde von
insbesondere von Alexander
Grothendieck\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Alexander_Grothendieck}{Alexander
Grothendieck} (* 28. März 1928 in Berlin; † 13. November 2014 in
Saint-Lizier in der Nähe von Saint-Girons, Département Ariège) war ein
deutsch-stämmiger französischer Mathematiker. Er war Begründer einer eigenen
Schule der algebraischen Geometrie, deren Entwicklung er in den 1960er Jahren
maßgeblich beeinflusste. 1966 wurde ihm die als höchste Auszeichnung in der
Mathematik anerkannte Fields-Medaille verliehen. Beeinflusst durch politische
Ideen des Mai 1968 in Frankreich, zog er sich bereits um 1970 weitgehend aus
seiner zentralen Position im mathematischen Leben von Paris zurück. 1991
verschwand er völlig aus der Öffentlichkeit; sein letzter Aufenthaltsort in
den Pyrenäen war nur wenigen Freunden bekannt.} vertreten und hat sich als
eine sehr einflussreich und weit führend herausgestellt. Hier ließe sich noch
sehr viel sagen und es ließen sich
Grothendieck} (* 28. März 1928 in Berlin; † 13. November 2014 in Saint-Lizier
in der Nähe von Saint-Girons, Département Ariège) war ein deutsch-stämmiger
französischer Mathematiker. Er war Begründer einer eigenen Schule der
algebraischen Geometrie, deren Entwicklung er in den 1960er Jahren maßgeblich
beeinflusste. 1966 wurde ihm die als höchste Auszeichnung in der Mathematik
anerkannte Fields-Medaille verliehen. Beeinflusst durch politische Ideen des
Mai 1968 in Frankreich, zog er sich bereits um 1970 weitgehend aus seiner
zentralen Position im mathematischen Leben von Paris zurück. 1991 verschwand er
völlig aus der Öffentlichkeit; sein letzter Aufenthaltsort in den Pyrenäen war
nur wenigen Freunden bekannt.} vertreten und hat sich als eine sehr
einflussreich und weit führend herausgestellt. Hier ließe sich noch sehr viel
sagen und es ließen sich
\href{https://www.ams.org/notices/200409/fea-grothendieck-part1.pdf}{viele
Geschichten} erzählen, aber vielleicht ist jetzt noch nicht der richtige
Geschichten} erzählen, aber vielleicht ist jetzt noch nicht der richtige
Zeitpunkt dafür …

306
08.tex
View File

@@ -47,29 +47,29 @@ verwendet.
Gradabschätzungen für potenzielle Polynome $g_i$ gibt es. Sie wurden meines
Wissens nach zuerst 1926 von Grete
Hermann\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Grete_Hermann}{Grete
Hermann} oder Grete Henry oder Grete Henry-Hermann (* 2. März 1901 in
Bremen; † 15. April 1984 in Bremen) war eine deutsche Mathematikerin,
Physikerin, Philosophin und Pädagogin, die mit Physikern wie Werner Heisenberg
und anderen Wissenschaftlern ihrer Zeit in Diskussion über die Entwicklung vor
allem der modernen Quantenphysik stand.} bewiesen, die in Freiburg studierte,
Hermann} oder Grete Henry oder Grete Henry-Hermann (* 2.~März 1901 in Bremen; †
15.~April 1984 in Bremen) war eine deutsche Mathematikerin, Physikerin,
Philosophin und Pädagogin, die mit Physikern wie Werner Heisenberg und anderen
Wissenschaftlern ihrer Zeit in Diskussion über die Entwicklung vor allem der
modernen Quantenphysik stand.} bewiesen, die in Freiburg studierte,
\cite{MR1512302}. Inzwischen wurden die Abschätzung zwar dramatisch verbessert,
\cite{MR944576}, liefern aber nach wie vor kein praktisch brauchbares Verfahren.
In dieser Vorlesung soll daher eine andere Methode vorgestellt werden, die sich
gut für die Implementierung auf Computern eignet. Dazu ändere ich
gut für die Implementierung auf Computern eignet. Dazu ändere ich die
Frage~\ref{frage:8-0-1} etwas ab.
\begin{frage}\label{frage:8-1-3}
In der Situation aus Frage~\ref{frage:8-0-1}, kann ich für jedes Polynom
$f ∈ k[x_1, …, x_n]$ einen ``kanonischen Repräsentanten'' der Restklasse
\begin{frage}\label{frage:8-1-3}%
In der Situation aus Frage~\ref{frage:8-0-1}, kann ich für jedes Polynom $f ∈
k[x_1, …, x_n]$ einen kanonischen Repräsentanten der Restklasse
\[
[f]\factor{k[x_1, …, x_n]}{I}
\]
finden, der idealerweise in der Praxis auch noch gut berechenbar ist?
\end{frage}
Falls ich Frage~\ref{frage:8-1-3} positiv beantworten kann, kann ich das Ideal
Membership Problem lösen. Gegeben ein Polynom $f$, dann berechne ich einfach
die kanonischen Repräsentanten für die Restklassen $[f]$ und $[0]$ und
Falls ich die Frage~\ref{frage:8-1-3} positiv beantworten kann, kann ich das
Ideal Membership Problem lösen. Gegeben ein Polynom $f$, dann berechne ich
einfach die kanonischen Repräsentanten für die Restklassen $[f]$ und $[0]$ und
vergleiche diese. Dann gilt offenbar: Das Polynom $f$ ist genau dann in $I$,
wenn die kanonischen Repräsentanten gleich sind. So einfach ist das.
@@ -77,8 +77,8 @@ wenn die kanonischen Repräsentanten gleich sind. So einfach ist das.
\section{Monomiale Ideale}
Um nicht sofort ins kalte Wasser zu springen, beantworten wir
Frage~\ref{frage:8-1-3} zuerst im einfachen Fall von ``monomialen Idealen''.
Was das sein soll, erkläre ich jetzt.
Frage~\ref{frage:8-1-3} zuerst im einfachen Fall von monomialen Idealen“. Was
das sein soll, erkläre ich jetzt.
\begin{definition}[Monome, Terme]
Es sei $k$ ein Körper. Ein \emph{Monom}\index{Monom!im Polynomring} ist ein
@@ -103,17 +103,17 @@ Was das sein soll, erkläre ich jetzt.
\begin{notation}[Multi-Index-Schreibweise]
Beim Umgang mit Monomen verwenden wir oft Multi-Index-Schreibweise: Statt
$x_1^{α_1}·x_2^{α_2}⋯ x_n^{α_m}$ schreibe ich kurz $x^A$. Dabei soll
$A =(α_1, …, α_m)$ und $x = (x_1, …, x_n)$ sein. Manchmal schreibe ich
$x_1^{α_1}·x_2^{α_2}⋯ x_n^{α_m}$ schreibe ich kurz $x^A$. Dabei soll $A
=(α_1, …, α_m)$ und $x = (x_1, …, x_n)$ sein. Manchmal schreibe ich
vielleicht auch $\vec{A}$ und $\vec{x}$.
\end{notation}
\begin{beobachtung}
Es sei $k$ ein Körper und es seien $A =(α_1, …, α_m)$ und
$B =(β_1, …, β_m) ^m$, mit zugehörigen Monomen $x^A$ und
$x^B ∈ k[x_1, …, x_n]$. Dann gilt Folgendes.
Es sei $k$ ein Körper und es seien $A =(α_1, …, α_m)$ und $B =(β_1, …, β_m)
^m$, mit zugehörigen Monomen $x^A$ und $x^B ∈ k[x_1, …, x_n]$. Dann gilt
Folgendes.
\begin{enumerate}
\item Es ist $x^A · x^B = x^{A+B}$
\item Es ist $x^A · x^B = x^{A+B}$.
\item Das Monom $x^A$ teilt $x^B$ genau dann, wenn für alle Indizes $i$ die
Ungleichung $a_i ≤ b_i$ gilt.
@@ -125,15 +125,15 @@ Was das sein soll, erkläre ich jetzt.
\end{beobachtung}
\begin{definition}[Monimiales Ideal]
Es sei $k$ ein Körper. Ein Ideal $J ⊂ k[x_1, …, x_n]$ heißt
Wieder sei $k$ ein Körper. Ein Ideal $J ⊂ k[x_1, …, x_n]$ heißt
\emph{monomial}\index{monomiales Ideal}, wenn es Monome $M_1, …, M_a$ gibt,
sodass die Gleichheit $J = (M_1, …, M_a)$ gilt.
\end{definition}
Für monomiale Ideale mit gegebenem Satz von Erzeugern löst das folgende Lemma
die Aufgabe ``finde einen möglichst kanonischen Repräsentanten'' vollständig.
die Aufgabe finde einen möglichst kanonischen Repräsentanten vollständig.
\begin{lem}[Division mit Rest für monomiale Ideale]\label{lem:8-1-6}
\begin{lem}[Division mit Rest für monomiale Ideale]\label{lem:8-1-6}%
In Situation~\ref{sit:8-1-1} seien die $f_1, …, f_m$ Monome. Dann gibt es zu
jedem Polynom $f ∈ k[x_1, …, x_n]$ genau ein $h ∈ k[x_1, …, x_n]$, sodass
Folgendes gilt.
@@ -141,8 +141,8 @@ die Aufgabe ``finde einen möglichst kanonischen Repräsentanten'' vollständig.
\item\label{il:8-1-6-1} Die Restklassen der Polynome $f$ und $h$ im
Quotientenring $\factor{k[x_1, …, x_n]}{I}$ sind gleich.
\item\label{il:8-1-6-2} Kein Term von $h$ wird von einem der Monome
$f_$ geteilt.
\item\label{il:8-1-6-2} Kein Term von $h$ wird von einem der Monome $f_$
geteilt.
\end{enumerate}
\end{lem}
\begin{proof}
@@ -159,16 +159,16 @@ die Aufgabe ``finde einen möglichst kanonischen Repräsentanten'' vollständig.
gilt. Die Polynome $g_i$ sind aber kein bisschen eindeutig, denn selbst für
das Nullpolynom gibt es immer die Darstellungen
\[
0 = 0 · f_1 + 0 · f_2 = f_2·f_1 - f_1·f_2.
0 = 0·f_1 + 0·f_2 = f_2·f_1 - f_1·f_2.
\]
Überlegen Sie sich, dass die $g_i$ eindeutig festgelegt sind, wenn man
zusätzlich verlangt, dass für jeden Index $j$ kein Term von $g_j·f_j$ ein
Vielfaches von einem der Monome $f_1, …, f_{j-1}$ ist.
\end{bemerkung}
\begin{bemerkung}\label{bem:8-2-9}
\begin{bemerkung}\label{bem:8-2-9}%
Aussage~\ref{il:8-1-6-2} kann man auch anders schreiben. Überlegen Sie sich,
dass für jeden Term $t ∈ k[x_1, …, x_n]$ die folgenden Aussage äquivalent
dass für jeden Term $t ∈ k[x_1, …, x_n]$ die folgenden Aussagen äquivalent
sind.
\begin{enumerate}
\item Der Term $t$ ist Vielfaches eines der Monome $f_$.
@@ -193,13 +193,13 @@ die Aufgabe ``finde einen möglichst kanonischen Repräsentanten'' vollständig.
Unser nächstes Ziel wird sein, Lemma~\ref{lem:8-1-6} auf den Fall von beliebigen
Idealen zu verallgemeinern. Die Grundidee ist einfach: von jedem der $f_i$
wählen wir einen Term aus (dieser wird später ``Leitterm'' genannt werden).
wählen wir einen Term aus (dieser wird später Leitterm genannt werden).
Gegeben einen Index $i$, dann addieren ein geeignetes Vielfaches von $f_i$ zu
$f$ und entfernen so alle Terme, die von dem Leitterm geteilt werden. Ich werde
dieses Vorgehen demnächst präzisieren; zuerst möchte ich einfach nur einige
Beispiele diskutieren.
\begin{bsp}[Elimination von $$]\label{bsp:8-2-2}
\begin{bsp}[Elimination von $$]\label{bsp:8-2-2}%
Es sei $k$ ein Körper und es sei
\[
f_1 :=+ xy = x(x+y) ∈ k[x,y].
@@ -207,16 +207,16 @@ Beispiele diskutieren.
Ich wähle den Term $$ von $f_1$. Rechnen Sie an Beispielen nach, dass ich
dann jedes Polynom $f ∈ k[x,y]$ in der Form $f = g_1·f_1 + h$ schreiben kann,
wobei kein Term des Polynoms $h$ ein Vielfaches von $$ ist\footnote{Das
Polynom $h$ ist also von der Form $h(x,y) = h_0(y) + h_1(y)·x$.}. Der
Polynom $h$ ist also von der Form $h(x,y) = h_0(y) + h_1(y)·x$.}. Der
Algebraiker schreibt
\[
h = f - g_1·f_1
\]
und erklärt seiner Familie stolz, er habe ``aus $f$ alle Terme eliminiert, die
Vielfache von $$ sind''.
und erklärt seiner Familie stolz, er habe aus $f$ alle Terme eliminiert, die
Vielfache von $$ sind.
\end{bsp}
\begin{bsp}[Elimination von $$]\label{bsp:8-2-3}
\begin{bsp}[Elimination von $$]\label{bsp:8-2-3}%
Es sei $k$ ein Körper und es sei
\[
f_2 =+ xy=y(y+x)
@@ -227,20 +227,20 @@ Beispiele diskutieren.
eliminieren, die Vielfache von $$ sind.
\end{bsp}
\begin{beobachtung}\label{beo:8-3-4}
\begin{beobachtung}\label{beo:8-3-4}%
Man könnte sich jetzt fragen, ob es möglich ist, durch Kombination der
Beispiele~\ref{bsp:8-2-2} und \ref{bsp:8-2-3} aus gegebenen Polynomen
gleichzeitig alle Terme mit $$ und alle Termine mit $$ zu eliminieren.
Mit anderen Worten: kann ich jedes Polynom $f$ in der Form
gleichzeitig alle Terme mit $$ und alle Termine mit $$ zu eliminieren. Mit
anderen Worten: kann ich jedes Polynom $f$ in der Form
\[
f = g_1·f_1 + g_2·f_2 + h
\]
schreiben, sodass $h$ keine Terme mit $$ und gleichzeitig auch keine Terme
mit $$ enthält? Die Antwort ist ``nein'', denn ansonsten wäre
mit $$ enthält? Die Antwort ist nein, denn ansonsten wäre
\[
\bigl\{ [1],[x],[y],[xy] \bigr\}\factor{k[x, y]}{(f_1, f_2)}
\]
ein vierelementiges Erzeugendensystem von $\factor{k[x, y]}{(f_1, f_2)}$ als
ein vier-elementiges Erzeugendensystem von $\factor{k[x, y]}{(f_1, f_2)}$ als
$k$-Vektorraum. Es ist aber $(f_1, f_2)(x+y)$. Also gibt es eine
Surjektion
\begin{equation}\label{eq:8-2-4-1}
@@ -257,15 +257,14 @@ Beispiele diskutieren.
\subsection{Monomordnungen}
Was ist der Grund, dass ich in Beobachtung~\ref{beo:8-3-4} nicht beide Leitterme
eliminieren konnte? Antwort: Die Leitterme waren schlecht gewählt. Man sollte
die Terme ($$, $$) nicht wahllos festlegen, sondern muss sie gemäß einer
``Monomordnung'' wählen.
Monomordnung wählen.
\begin{defn}[Monomordnung]
Es sei $k$ ein Körper. Eine \emph{Monomordnung}\index{Monomordnung} auf
$k[x_1, …, x_n]$ ist eine Wohlordnung ``$$'' auf der Menge der Monome, sodass
$k[x_1, …, x_n]$ ist eine Wohlordnung $$ auf der Menge der Monome, sodass
für alle Monome $x^A, x^B$ und $x^C ∈ k[x_1, …, x_n]$ die folgenden
Eigenschaften gelten.
\begin{enumerate}
@@ -285,8 +284,8 @@ die Terme ($x²$, $y²$) nicht wahllos festlegen, sondern muss sie gemäß einer
\begin{erinnerung}
Eine
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Ordnungsrelation#Totalordnung}{Totalordnung}
ist eine Relation ``$$'' auf $M$, die reflexiv, antisymmetrisch, transitiv
und total ist.
ist eine Relation $$ auf $M$, die reflexiv, antisymmetrisch, transitiv und
total ist.
\end{erinnerung}
\begin{defn}[Leitterm]
@@ -316,30 +315,30 @@ gewählt waren.
\begin{bsp}[Lexikografische Ordnung]
Bei der \emph{lexikografischen Monomordnung}\index{lexikografische
Monomordnung} auf dem Polynomring $k[x_1, …, x_n]$ gilt
$x_1^{α_1} ⋯ x_n^{α_n} > x_1^{β_1} ⋯ x_n^{β_n}$ genau dann, wenn ein Index $i$
existiert, sodass $α_i > β_i$ gilt und gleichzeitig für alle Indizes $j < i$
die Gleichheit $α_j = β_j$ gilt. Kurz gesagt: Der erste Index $i$, bei dem
sich die Exponenten $α_i$ und $β_i$ unterscheiden, entscheidet. Rechnen Sie
nach, dass dies tatsächlich eine Monomordnung ist! Die quadratischen Polynome
in $k[x_1, x_2, x_3]$ werden durch die lexikografischen Monomordnung wie folgt
sortiert
Monomordnung} auf dem Polynomring $k[x_1, …, x_n]$ gilt $x_1^{α_1} ⋯ x_n^{α_n}
> x_1^{β_1} ⋯ x_n^{β_n}$ genau dann, wenn ein Index $i$ existiert, sodass $α_i
> β_i$ gilt und gleichzeitig für alle Indizes $j < i$ die Gleichheit $α_j =
β_j$ gilt. Kurz gesagt: Der erste Index $i$, bei dem sich die Exponenten
$α_i$ und $β_i$ unterscheiden, entscheidet. Rechnen Sie nach, dass dies
tatsächlich eine Monomordnung ist! Die quadratischen Polynome in $k[x_1, x_2,
x_3]$ werden durch die lexikografischen Monomordnung wie folgt sortiert
\[
_1 > x_1 x_2 > x_1 x_3 > x²_2 > x_2x_3 > x²_3.
\]
Vielleicht haben Ihnen ihre Großeltern schon einmal erzählt, dass es früher
statt Wikipedia dicke Bücher gab, die auf Wohnzimmerregalen verstaubten und
für das Haus eine erhebliche Brandlast darstellten. In diesen ``Lexika''
waren die Stichworte in ähnlicher Weise sortiert.
für das Haus eine erhebliche Brandlast darstellten. In diesen Lexika“ waren
die Stichworte in ähnlicher Weise sortiert.
\end{bsp}
\begin{bsp}[Graduiert-lexikografische Ordnung]
Bei der \emph{graduiert-lexikografischen
Monomordnung}\index{graduiert.-lexikografische Monomordnung} auf dem
Polynomring $k[x_1, …, x_n]$ gilt
$x_1^{α_1} ⋯ x_n^{α_n} > x_1^{β_1} x_n^{β_n}$ genau dann, wenn eine der folgenden Bedingungen gilt:
Monomordnung}\index{graduiert-lexikografische Monomordnung} auf dem
Polynomring $k[x_1, …, x_n]$ gilt $x_1^{α_1} ⋯ x_n^{α_n} > x_1^{β_1}
x_n^{β_n}$ genau dann, wenn eine der folgenden Bedingungen gilt:
\begin{enumerate}
\item Es ist $\sum α_i > \sum β_i$.
\item Es ist $\sum α_i = \sum β_i$ und $x_1^{α_1} ⋯ x_n^{α_n}$ ist bezüglich
der lexikografischen Monomordnung größer als $x_1^{β_1} ⋯ x_n^{β_n}$.
\end{enumerate}
@@ -347,17 +346,16 @@ gewählt waren.
der Monome, dann die lexikografische Ordnung.
\end{bsp}
\begin{bsp}[Graduiert-rückwärtslexikografische Ordnung]\label{bsp:8-3-12}
Bei der \emph{graduiert-rückwärtslexikografischen
Monomordnung}\index{graduiert-rückwärtslexikografische Monomordnung} auf dem
Polynomring $k[x_1, …, x_n]$ gilt
$x_1^{α_1} ⋯ x_n^{α_n} > x_1^{β_1} x_n^{β_n}$ genau dann, wenn eine der
beiden folgenden Bedingungen gilt.
\begin{bsp}[Graduiert-rückwärtslexikografische Ordnung]\label{bsp:8-3-12}%
Bei der \emph{graduiert-rückwärts\-lexiko\-grafischen
Monomordnung}\index{graduiert-rückwärtslexikografische Monomordnung} auf dem
Polynomring $k[x_1, …, x_n]$ gilt $x_1^{α_1} ⋯ x_n^{α_n} > x_1^{β_1}
x_n^{β_n}$ genau dann, wenn eine der beiden folgenden Bedingungen gilt.
\begin{itemize}
\item Es ist $\sum α_i > \sum β_i$.
\item Es ist $\sum α_i = \sum β_i$ und der letzte
nicht-verschwindende Eintrag von
\item Es ist $\sum α_i = \sum β_i$ und der letzte nicht-verschwindende Eintrag
von
\[
(α_1-β_1, …, α_n-β_n)^n
\]
@@ -379,21 +377,20 @@ gewählt waren.
Es sei $\vec{w} = (w_1, …, w_n)^n$ ein Vektor $$-linear-unabhängiger
reeller Zahlen; wähle zum Beispiel $w_i := \log(p_i)$, wobei die $p_i$
unterschiedlichen Primzahlen sind. Bei der
\emph{Gewichtsordnung}\index{Gewichtsordnung} auf dem Polynomring
$k[x_1, …, x_n]$ gilt $x_1^{α_1} ⋯ x_n^{α_n} > x_1^{β_1} ⋯ x_n^{β_n}$ genau
dann, wenn
\emph{Gewichtsordnung}\index{Gewichtsordnung} auf dem Polynomring $k[x_1, …,
x_n]$ gilt $x_1^{α_1} ⋯ x_n^{α_n} > x_1^{β_1} ⋯ x_n^{β_n}$ genau dann, wenn
\[
\sum_{i=1}^n w_α_i ≤ \sum_{i=1}^n w_i·β_i
\]
ist. Die Unabhängigkeit über $$ garantiert, dass die Gleichheit
$\sum w_i α_i = \sum w_i β_i$ nur dann eintritt, wenn für alle Indizes $i$ die
Gleichung $α_i = β_i$ gilt.
ist. Die Unabhängigkeit über $$ garantiert, dass die Gleichheit $\sum w_i
α_i = \sum w_i β_i$ nur dann eintritt, wenn für alle Indizes $i$ die Gleichung
$α_i = β_i$ gilt.
\end{bsp}
\begin{bemerkung}
Weitere Beispiele für coole Monomordnungen gibt es
\href{http://hilbert.math.uni-mannheim.de/~seiler/CA17/CASkript17.pdf}{im
Internet}. Es ist aber eine gute Übung, sich selber ein paar interessante
Internet}. Es ist aber eine gute Übung, sich selber ein paar interessante
Beispiele für Monomordnungen zu überlegen.
\end{bemerkung}
@@ -402,12 +399,12 @@ gewählt waren.
Ich hatte angekündigt, das wir Lemma~\ref{lem:8-1-6} auf den Fall von beliebigen
Idealen verallgemeinern werden. Damit war der folgende Satz gemeint. Im
Unterschied zur klassischen ``Polynomdivision mit Rest'' wird in diesem Satz
Unterschied zur klassischen Polynomdivision mit Rest wird in diesem Satz
gleichzeitig durch mehrere Polynome geteilt! Sie finden einen ähnlichen Beweis
und sehr viele Beispiele im Buch \cite[Kapitel~2.3]{MR3330490}, das Sie aus dem
Universitätsnetz kostenlos herunterladen können.
\begin{satz}[Schwache Division mit Rest]\label{satz:8-4-6}
\begin{satz}[Schwache Division mit Rest]\label{satz:8-4-6}%
In Situation~\ref{sit:8-1-1} sei eine Monomordnung $$ auf $k[x_1, …, x_n]$
gewählt. Dann gibt es für jedes $f ∈ k[x_1, …, x_n]$ Polynome $g_1, …, g_m$
und $h ∈ k[x_1, …, x_n]$, sodass
@@ -462,7 +459,7 @@ Universitätsnetz kostenlos herunterladen können.
\begin{bemerkung}
Im Satz~\ref{satz:8-4-6} sind die Polynome $g_1, …, g_m$ und $h$ kein bisschen
eindeutig. Falls es Sie interessiert: Es gibt einen ``Starken Divisionssatz''
eindeutig. Falls es Sie interessiert: Es gibt einen Starken Divisionssatz
mit Existenz- und Eindeutigkeitsaussage, bei dem \ref{il:8-4-6-2} durch die
folgende Forderung ersetzt ist.
\begin{enumerate}
@@ -472,30 +469,26 @@ Universitätsnetz kostenlos herunterladen können.
Wir werden diesen stärkeren Divisionssatz im Folgenden aber nicht benötigen.
\end{bemerkung}
\begin{defn}[Divisionsrest]\label{def:8-4-6}
In der Situation von Satz~\ref{satz:8-4-6} nennen wir jedes Element
$h ∈ k[x_1, …, x_n]$, für dass es $g_• ∈ k[x_1, …, x_n]$ gibt, die den
Bedingungen \eqref{eq:8-4-6-1}, \ref{il:8-4-6-2} und \ref{il:8-4-6-3} genügen,
einen \emph{Rest von $f$ dividiert durch $f_1, …, f_m$}.
\begin{defn}[Divisionsrest]\label{def:8-4-6}%
In der Situation von Satz~\ref{satz:8-4-6} nennen wir jedes Element $h ∈
k[x_1, …, x_n]$, für dass es $g_• ∈ k[x_1, …, x_n]$ gibt, die den Bedingungen
\eqref{eq:8-4-6-1}, \ref{il:8-4-6-2} und \ref{il:8-4-6-3} genügen, einen
\emph{Rest von $f$ dividiert durch $f_1, …, f_m$}.
\end{defn}
\href{https://sage.cplx.vm.uni-freiburg.de/share/ba8562a5ddff2655831b5d3bca006fbb06de626f/Divisionsreste.ipynb?viewer=share}{Hier}
zeige ich Ihnen, wie man Divisionsreste bequem mit dem Programm ``Sage'' am
Computer ausrechnet.
\section{Gröbner-Basen}
\section{Gröbnerbasen}
\sideremark{Vorlesung 10}Ich erinnere noch einmal daran, warum wir den
Divisionssatz überhaupt betrachtet haben. In Situation~\ref{sit:8-1-1} wollen
wir für gegebene Polynome $f ∈ k[x_1, …, x_n]$ entscheiden, ob $f$ im Ideal $I$
liegt. Dazu versuchten wir, eindeutig bestimmte Repräsentanten für die
Restklasse von $[f] ∈ k[x_1, …, x_n]/I$ zu finden --- wenn das funktioniert,
dann brauche ich nur die eindeutig bestimmte Repräsentanten von $[f]$ und $[0]$
zu vergleichen. Die Grundidee ist, als Repräsentanten den Rest von $f$ bei der
Restklasse von $[f] ∈ k[x_1, …, x_n]/I$ zu finden. Wenn das funktioniert, dann
brauche ich nur die eindeutig bestimmte Repräsentanten von $[f]$ und $[0]$ zu
vergleichen. Die Grundidee ist, als Repräsentanten den Rest von $f$ bei der
Division durch $f_1, …, f_m$ zu nehmen. Funktioniert diese Idee? Nein!
\begin{bsp}\label{bsp:8-4-2}
\begin{bsp}\label{bsp:8-4-2}%
Divisionsreste sind nicht eindeutig. Es kommt aber noch schlimmer: Wir
betrachten einen Körper $k$ und die lexikografische Ordnung auf $k[x_1, x_2]$
und die Polynome $f_1 :=_1 x_2 -_2$ und $f_2 :=_1$. Dann ist
@@ -510,14 +503,13 @@ Division durch $f_1, …, f_m$ zu nehmen. Funktioniert diese Idee? Nein!
\end{bsp}
Was geht in Beispiel~\ref{bsp:8-4-2} schief? Der Grund für das Versagen der
Idee ist, dass die Leitterme $\ini f_1$ und $\ini f_2$ nicht das Ideal
$\bigl( \ini f \::\: f ∈ M \bigr)$ erzeugen. Das motiviert die folgende
Definition.
Idee ist, dass die Leitterme $\ini f_1$ und $\ini f_2$ nicht das Ideal $\bigl(
\ini f \::\: f ∈ M \bigr)$ erzeugen. Das motiviert die folgende Definition.
\begin{defn}[Gröbnerbasis]\label{def:8-5-3}
\begin{defn}[Gröbnerbasis]\label{def:8-5-3}%
In Situation~\ref{sit:8-1-1} nennt man $f_1, …,f_m$ eine \emph{Gröbnerbasis
oder Standardbasis von $M$}\index{Gröbnerbasis}\index{Standardbasis}, wenn
für jedes Element $f ∈ M$ die folgende Inklusion gilt,
oder Standardbasis von $M$}\index{Gröbnerbasis}\index{Standardbasis}, wenn für
jedes Element $f ∈ M$ die folgende Inklusion gilt,
\[
\ini f ∈ \bigl(\ini f_1, …, \ini f_m \bigr).
\]
@@ -549,19 +541,19 @@ Definition.
Gröbnerbasen wurden 1965 von Bruno
Buchberger\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Bruno_Buchberger}{Bruno
Buchberger} (* 22. Oktober 1942 in Innsbruck) ist ein österreichischer
Mathematiker.} eingeführt, der sie nach seinem Doktorvater Wolfgang
Buchberger} (* 22.~Oktober 1942 in Innsbruck) ist ein österreichischer
Mathematiker.} eingeführt, der sie nach seinem Doktorvater Wolfgang
Gröbner\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Wolfgang_Gr\%C3\%B6bner}{Wolfgang
Gröbner} (2. Februar 1899 in Gossensaß 20. August 1980) war ein
österreichischer Mathematiker und Freidenker, der vor allem auf dem Gebiet der
kommutativen Algebra und algebraischen Geometrie arbeitete. Sein Name ist
bekannt durch die Gröbnerbasis und die Gröbner-Dualität.} benannte. Ähnliche
Gröbner} (2.~Februar 1899 in Gossensaß 20.~August 1980) war ein
österreichischer Mathematiker und Freidenker, der vor allem auf dem Gebiet der
kommutativen Algebra und algebraischen Geometrie arbeitete. Sein Name ist
bekannt durch die Gröbnerbasis und die Gröbner-Dualität.} benannte. Ähnliche
Ideen tauchten etwa um dieselbe Zeit auch in den geometrischen Arbeiten von
Heisuke
Hironaka\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Heisuke_Hironaka}{Heisuke
Hironaka} (Hironaka Heisuke; * 9. April 1931 in Yuu, Kuga-gun (heute:
Iwakuni), Präfektur Yamaguchi, Japan) ist ein japanischer Mathematiker und
Träger der Fields-Medaille.} auf.
Hironaka} (Hironaka Heisuke; * 9.~April 1931 in Yuu, Kuga-gun (heute: Iwakuni),
Präfektur Yamaguchi, Japan) ist ein japanischer Mathematiker und Träger der
Fields-Medaille.} auf.
\subsection{Vom Nutzen der Gröbnerbasen}
@@ -570,7 +562,7 @@ Das folgende Lemma zeigt, dass Gröbnerbasen unsere Probleme lösen: Haben wir
eine Gröbnerbasis von $M$ dann kann die Frage, ob $f ∈ M$ ist, mit einer
einzigen Division beantwortet werden.
\begin{lem}[Divisionsreste für Elemente des Untermoduls]\label{lem:8-5-6}
\begin{lem}[Divisionsreste für Elemente des Untermoduls]\label{lem:8-5-6}%
In Situation~\ref{sit:8-1-1} sei $f_1,…,f_m$ eine Gröbnerbasis. Gegeben ein
Element $f ∈ M$, dann ist jeder Rest von $f$ bei Division durch $f_1, …, f_m$
gleich $0$.
@@ -584,8 +576,8 @@ einzigen Division beantwortet werden.
haben, sodass die Bedingungen \ref{il:8-4-6-2} und \ref{il:8-4-6-3} gelten.
Wegen der Annahme $f ∈ M$ wissen dann auf der einen Seite, dass $h ∈ M$. Auf
der anderen Seite ist nach Bedingung~\ref{il:8-4-6-3} kein Term von $h$ ein
Vielfaches der Leitterme $\ini f_i$. Wegen der Annahme, dass $f_1,…,f_m$
eine Gröbnerbasis ist, ist das aber offenbar nur möglich, wenn $h = 0$ ist.
Vielfaches der Leitterme $\ini f_i$. Wegen der Annahme, dass $f_1,…,f_m$ eine
Gröbnerbasis ist, ist das aber offenbar nur möglich, wenn $h = 0$ ist.
\end{proof}
\begin{kor}[Eindeutigkeit von Divisionsresten]\label{kor:8-5-8}
@@ -594,15 +586,18 @@ einzigen Division beantwortet werden.
Division durch $f_1, …, f_m$. Dann ist $h_1 = h_2$. \qed
\end{kor}
\begin{lem}[Unabhängigkeit von der Wahl der Gröbnerbasis]\label{lem:8-5-9}
In Situation~\ref{sit:8-1-1} seien $f_{1,1}, …, f_{1,m_1}$ und
$f_{2,1}, …, f_{2, m_2}$ zwei Gröbnerbasen von $M$. Gegeben ein Element
\begin{lem}[Unabhängigkeit von der Wahl der Gröbnerbasis]\label{lem:8-5-9}%
In Situation~\ref{sit:8-1-1} seien
\[
f_{1,1}, …, f_{1,m_1} \quad \text{und} \quad f_{2,1}, …, f_{2, m_2}
\]
zwei Gröbnerbasen von $M$. Gegeben ein Element
$f ∈ k[x_1, …, x_n]$, sei $h_$ der (nach Korollar~\ref{kor:8-5-8} eindeutige)
Rest von $f$ bei Division durch $f_{•,1}, …, f_{•, m_}$. Dann ist
$h_1 = h_2$.
\end{lem}
\begin{proof}
Nach Definition von ``Divisionsrest'' in Definition~\vref{def:8-4-6} haben die
Nach Definition von Divisionsrest in Definition~\vref{def:8-4-6} haben die
Elemente $h_1$ und $h_2$ (soweit sie ungleich Null sind) nur Terme, die
\emph{nicht} in
\[
@@ -610,7 +605,7 @@ einzigen Division beantwortet werden.
f_{2,m_2} \bigr)
\]
enthalten sind. Dasselbe gilt dann auch für die Differenz $h_1 - h_2$, die in
$M$ liegt. Nach Definition~\ref{def:8-5-3} von ``Gröbnerbasis'' bedeutet das
$M$ liegt. Nach Definition~\ref{def:8-5-3} von Gröbnerbasis bedeutet das
aber, dass $\ini (h_1 - h_2)=0$ ist. Also ist $h_1 - h_2 = 0$ und deshalb
$h_1 = h_2$.
\end{proof}
@@ -621,13 +616,11 @@ Reihenfolge der Elemente in der Gröbnerbasis sind.
\subsection{Existenz von Gröbnerbasen}
Es fragt sich, ob Gröbnerbasen immer existieren. Die Antwort ist natürlich
``ja'', denn Computer-Algebra-Systeme können Gröbnerbasen ausrechnen.
\href{https://sage.cplx.vm.uni-freiburg.de/share/51e021b2ea6647e808203996d4a6d70f76d829d1/Gr\%C3\%B6bnerbasen.ipynb?viewer=share}{Hier
zeige ich an einem Beispiel}, wie man das macht. Vielleicht hätten wir aber
auch gern ein theoretisches Argument.
Sie fragen sich vielleicht, ob Gröbnerbasen immer existieren. Die Antwort ist
natürlich „ja“, denn Computer-Algebra-Systeme können Gröbnerbasen ausrechnen.
Vielleicht hätten wir aber auch gern ein theoretisches Argument.
\begin{lem}[Existenz von Gröbnerbasen]\label{lem:8-5-7}
\begin{lem}[Existenz von Gröbnerbasen]\label{lem:8-5-7}%
In Situation~\ref{sit:8-1-1} existiert eine Gröbnerbasis von $I$.
\end{lem}
\begin{proof}
@@ -637,9 +630,9 @@ auch gern ein theoretisches Argument.
fertig.
\item Falls $f_1, …, f_m$ keine Gröbnerbasis ist, dann gibt es per Annahme ein
Element $f_{m+1} ∈ I$ mit
$\ini f_{m+1} \not\bigl( \ini f_1, …, \ini f_m \bigr)$. Nehme $f_{m+1}$
als Erzeuger mit hinzu, fange noch einmal von vorn an.
Element $f_{m+1} ∈ I$ mit $\ini f_{m+1} \not\bigl( \ini f_1, …, \ini f_m
\bigr)$. Nehme $f_{m+1}$ als Erzeuger mit hinzu, fange noch einmal von vorn
an.
\end{itemize}
Wir erhalten auf diese Weise eine aufsteigende Folge von monomialen Idealen
des Polynomrings $k[x_1, …, x_n]$. Weil der Polynomring aber Noethersch ist,
@@ -658,7 +651,7 @@ Verfahren, ein neues Element $f_{m+1}$ zu finden. Das Buchberger-Kriterium lös
diese Probleme für uns. Zuerst müssen wir aber noch kurz über $S$-Polynome
sprechen.
\begin{notation}[$S$-Polynom]\label{not:8-6-1}
\begin{notation}[$S$-Polynom]\label{not:8-6-1}%
Es sei $k$ ein Körper und es seien Polynome $f, g ∈ k[x_1, …, x_n]$ gegeben.
Schreibe
\[
@@ -678,16 +671,15 @@ sprechen.
Die relevante Eigenschaft von $S$-Polynomen ist die Folgende.
\begin{lem}\label{lem:8-6-2}
In Situation~\ref{sit:8-1-1} seien Polynome
$g_1, … g_r ∈ k[x_1, …, x_n] \{ 0 \}$ gegeben. Wir nehmen an, dass
es einen Vektor $A =(α_1, …, α_m)$ gibt, so dass die Leitterme der
$g_{}$ alle von der Form
\begin{lem}\label{lem:8-6-2}%
In Situation~\ref{sit:8-1-1} seien Polynome $g_1, … g_r ∈ k[x_1, …, x_n] \{
0 \}$ gegeben. Wir nehmen an, dass es einen Vektor $A =(α_1, …, α_m)$ gibt,
sodass die Leitterme der $g_$ alle von der Form
\[
\ini g_{} = b_{}·x^A
\ini g_ = b_·x^A
\]
sind, mit $b_{} ∈ k$. Weiter seien Skalare $a_1, …, a_r ∈ k$
gegeben, sodass bezüglich der Monomordnung die Ungleichung
sind, mit $b_ ∈ k$. Weiter seien Skalare $a_1, …, a_r ∈ k$ gegeben, sodass
bezüglich der Monomordnung die Ungleichung
\begin{equation}\label{eq:8-6-2-1}
\ini \left(\sum_{i=1}^{r} a_i·g_i\right)< x^A
\end{equation}
@@ -712,7 +704,7 @@ Die relevante Eigenschaft von $S$-Polynomen ist die Folgende.
\begin{align*}
\sum_{i=1}^r a_i·g_i & = \sum_{i=1}^r a_ib_i·p_{i} \\
& = \sum_{i=1}^{r}\left(\sum_{j=1}ⁱ a_j b_j\right)\left(p_i-p_{i+1}\right) && \text{Teleskopsumme}\\
&=\sum_{i=1}^{r-1}\left(\sum_{j=1}ⁱ a_j b_j\right)\left(p_i-p_{i+1}\right) && \text{Gleichung~\eqref{eq:8-6-2-2}}
&=\sum_{i=1}^{r-1}\left(\sum_{j=1}ⁱ a_j b_j\right)\left(p_i-p_{i+1}\right) && \text{Gleichung~\eqref{eq:8-6-2-2}.}
\end{align*}
Die $S$-Polynome sind aber per Definition gerade
\[
@@ -723,7 +715,7 @@ Die relevante Eigenschaft von $S$-Polynomen ist die Folgende.
\end{proof}
\begin{satz}[Buchberger-Kriterium]\label{satz:8-6-1}
\begin{satz}[Buchberger-Kriterium]\label{satz:8-6-1}%
In Situation~\ref{sit:8-1-1} sind folgende Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
\item\label{il:8-5-8-1} Die Elemente $f_1, …, f_m$ bilden eine Gröbnerbasis
@@ -743,18 +735,18 @@ Die relevante Eigenschaft von $S$-Polynomen ist die Folgende.
---
\begin{itemize}
\item Die Implikation ``\ref{il:8-5-8-1} $$ \ref{il:8-5-8-2}'' wurde in
\item Die Implikation \ref{il:8-5-8-1} $$ \ref{il:8-5-8-2} wurde in
Lemma~\ref{lem:8-5-6} bewiesen.
\item Die Implikation ``\ref{il:8-5-8-2} $$ \ref{il:8-5-8-3}'' ist leicht,
denn es ist $S_{ij} ∈ M$, so dass es immer eine Darstellung von $S_{ij}$ als
\item Die Implikation \ref{il:8-5-8-2} $$ \ref{il:8-5-8-3} ist leicht, denn
es ist $S_{ij} ∈ M$, sodass es immer eine Darstellung von $S_{ij}$ als
Linearkombination der $f_$ gibt.
\item Die Implikation ``\ref{il:8-5-8-3} $$ \ref{il:8-5-8-1}'' ist der
\item Die Implikation \ref{il:8-5-8-3} $$ \ref{il:8-5-8-1} ist der
wesentliche Punkt des Beweises. Details gibt es im (sehr langen)
\video{10-1}. Der Beweis ist mit einigen Anpassungen aus dem Skript von
\href{https://www.mathematik.tu-dortmund.de/sites/daniel-plaumann/download/AG.pdf}{Skript
von Daniel Plaumann} übernommen. \qedhere
von Daniel Plaumann} übernommen. \qedhere
\end{itemize}
\end{proof}
@@ -802,24 +794,24 @@ gewünschte liefert.
\begin{proof}[Terminierung des Buchberger-Algorithmus]
Der Schlüssel liegt in Zeile~\ref{lin:buchberger-12}. Wenn es nämlich ein
Element $h ∈ S$ gibt, dann liegt $h$ einerseits im Ideal $(g_1, …, g_a)$.
Auf der anderen Seite wissen nach Definition von ``Divisionsrest'', dass der
Element $h ∈ S$ gibt, dann liegt $h$ einerseits im Ideal $(g_1, …, g_a)$. Auf
der anderen Seite wissen nach Definition von Divisionsrest, dass der
Leitterm $\ini h$ kein Vielfaches eines der $\ini g_$ ist. Es gilt also
\[
(\ini g_1, …, \ini g_a)(\ini g_1, …, \ini g_a, \ini h).
\]
Es folgt also, dass sich das Ideal $(g \:: g ∈ G)$ beim Durchlauf von
Zeile~\ref{lin:buchberger-12} nicht ändert, während das Ideal
$(\ini g \:: g ∈ G)$ bei jedem Durchlauf der Zeile echt größer wird. Wegen
der Noether-Eigenschaft von $k[x_1, …, x_n]$ kann Letzteres aber nur endlich
oft passieren.
Zeile~\ref{lin:buchberger-12} nicht ändert, während das Ideal $(\ini g \:: g ∈
G)$ bei jedem Durchlauf der Zeile echt größer wird. Wegen der
Noether-Eigenschaft von $k[x_1, …, x_n]$ kann Letzteres aber nur endlich oft
passieren.
\end{proof}
\begin{proof}[Korrektheit des Buchberger-Algorithmus]
Der Algorithmus terminiert, wenn in Zeile~\ref{lin:buchberger-12} die Menge
$S$ gleich leer ist. Das bedeutet aber, dass jedes der $S_{ij}$ einen
Divisionsrest hat, der gleich 0 ist. Nach dem Buchberger-Kriterium ist dies
gleichbedeutend damit, dass $G$ eine Gröbner-Basis ist.
gleichbedeutend damit, dass $G$ eine Gröbnerbasis ist.
\end{proof}
\begin{bemerkung}
@@ -833,9 +825,9 @@ gewünschte liefert.
schnell, dass sowohl die Anordnung der $f_$ als auch die Wahl der
Monomordnung einen riesigen Einfluss auf die Laufzeit hat. Es scheint, dass
die graduiert-rückwärtslexikografische Ordnung häufig recht gut abschneidet.
Es gibt aber kaum quantitative Ergebnisse in dieser Richtung. Es gibt meines
Wissens kein Verfahren, mit dem man vorab entscheiden könnte, welche Anordnung
und welche Monomordnung für ein gegebenes Problem gut ist.
Es gibt aber kaum quantitative Ergebnisse in dieser Richtung. Soweit mir
bekannt ist, gibt es kein Verfahren, mit dem man vorab entscheiden könnte,
welche Anordnung und welche Monomordnung für ein gegebenes Problem gut ist.
\end{bemerkung}
@@ -843,14 +835,14 @@ gewünschte liefert.
Das folgende Beispiel habe ich aus dem
\href{http://hilbert.math.uni-mannheim.de/~seiler/CA17/CASkript17.pdf}{Skript
des Mannheimer Kollegen Seiler} gestohlen. Ich hoffe, Kollege Seiler hat sich
des Mannheimer Kollegen Seiler} gestohlen. Ich hoffe, Kollege Seiler hat sich
nicht verrechnet und ich habe richtig abgeschrieben. Wir starten mit dem Körper
$$, dem Polynomring $[x,y]$ und verwenden die graduiert-lexikografische
Monomordnung. Es sei
\[
f_1 =- 2·xy \quad\text{und}\quad f_2 = x²y - 2·y² + x.
\]
Wir wollen eine Gröbner-Basis des Ideals $(f_1, f_2)$ bestimmen und wenden zu
Wir wollen eine Gröbnerbasis des Ideals $(f_1, f_2)$ bestimmen und wenden zu
diesem Zweck den Buchberger-Algorithmus an.
\paragraph{Erster Schleifendurchgang:} schreibe
@@ -861,7 +853,7 @@ und berechne
\[
S_{1,2} = y·g_1 - x·g_2 = -x².
\]
Als nächstes berechne ich mithilfe von Algorithmus~\ref{alg:8-4-6} den
Als Nächstes berechne ich mithilfe von Algorithmus~\ref{alg:8-4-6} den
Divisionsrest,
\[
S_{1,2} = 0·g_1 + 0·g_2 + (-).
@@ -881,7 +873,7 @@ und berechne
S_{2,3} & = & g_2 + y·g_3 & = & -2·y²+x.
\end{matrix}
\]
Als nächstes berechne ich mithilfe von Algorithmus~\ref{alg:8-4-6} die
Als Nächstes berechne ich mithilfe von Algorithmus~\ref{alg:8-4-6} die
Divisionsreste,
\[
\begin{matrix}
@@ -909,10 +901,10 @@ und berechne
S_{2,5} & = & y·g_2 + \frac{1}{2}x²·g_5 &=& \frac{1}{2}·x³ + x·y -2·y³ \\
S_{3,4} & = & -y·g_3 - \frac{1}{2}·x·g_4 &=& 0 \\
S_{3,5} & = & -y²·g_{3}- \frac{1}{2}·x²·g_{5} &=& \frac{1}{2}·x³ \\
S_{4,5} & = & -\frac{1}{2}·y·g_4 - \frac{1}{2}·x·g_5 &=& \frac{1}{2}·x²
S_{4,5} & = & -\frac{1}{2}·y·g_4 - \frac{1}{2}·x·g_5 &=& \frac{1}{2}·x².
\end{matrix}
\]
Als nächstes berechne ich mithilfe von Algorithmus~\ref{alg:8-4-6} die
Als Nächstes berechne ich mithilfe von Algorithmus~\ref{alg:8-4-6} die
Divisionsreste,\setcounter{MaxMatrixCols}{20}
\[
\begin{matrix}
@@ -925,7 +917,7 @@ Divisionsreste,\setcounter{MaxMatrixCols}{20}
S_{2,5} & = & \frac{1}{2}·g_1 &+& 0·g_2 &+& 0·g_3 &+& \frac{-1}{2}·g_4 &+& y·g_5 &+& 0 \\
S_{3,4} & = & 0·g_1 &+& 0·g_2 &+& 0·g_3 &+& 0·g_4 &+& 0·g_5 &+& 0 \\
S_{3,5} & = & \frac{1}{2}·g_1 &+& 0·g_2 &+& 0·g_3 &+& \frac{-1}{2}·g_4 &+& 0·g_5 &+& 0 \\
S_{4,5} & = & 0·g_1 &+& 0·g_2 &+& \frac{-1}{2}·g_3 &+& 0·g_4 &+& 0·g_5 &+& 0
S_{4,5} & = & 0·g_1 &+& 0·g_2 &+& \frac{-1}{2}·g_3 &+& 0·g_4 &+& 0·g_5 &+& 0.
\end{matrix}
\]
Voilà! Alle Divisionsreste sind Null, also ist $(g_1, g_2, g_3, g_4, g_5)$ eine
@@ -936,12 +928,12 @@ Gröbnerbasis des Ideals $(f_1, f_2)$.
\begin{bemerkung}
Das Beispiel zeigt eindrücklich, dass man solche Aufgaben besser dem Computer
überlässt. Es gibt noch ein weiteres Problem, dass in diesem Beispiel nicht
offensichtlich wird: der Algorithmus verlangt exaktes Rechnen,
offensichtlich wird: Der Algorithmus verlangt exaktes Rechnen,
Näherungslösungen funktionieren nicht! Das wird ein riesiges Problem bei
Rechnungen über dem Körper $$, denn beim Addieren von Brüchen werden Nenner
und Zähler immer größer und komplizierter. Die Zahlen werden in der Praxis
oft so lang, dass der Hauptspeicher nicht ausreicht --- und zwar unabhängig
davon, auf welchem Rechner sie arbeiten! Dieses Problem tritt bei Rechnungen
oft so lang, dass der Hauptspeicher nicht ausreicht, und zwar unabhängig
von der Größe des Hauptspeichers! Dieses Problem tritt bei Rechnungen
mit endlichen Körpern wie $𝔽_3$ natürlich nicht auf.
\end{bemerkung}

68
09.tex
View File

@@ -32,13 +32,13 @@ algebraische Kurven als \emph{Äquivalenzklassen} von Polynomen zu definieren.
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $f ∈ k[x,y]$ eine
ebene algebraische Kurve und es sei $p ∈ 𝔸²_k$ sei ein Punkt von $V(f)$.
\end{quote}
Ich hoffe, Sie kommen damit klar. Wenn nicht --- dumm gelaufen.
Ich hoffe, Sie kommen damit klar. Wenn nicht: Dumm gelaufen.
\end{notation}
In der Vorlesung ``Analysis'' haben Sie Nullstellenmengen von Funktionen in
In der Vorlesung Analysis haben Sie Nullstellenmengen von Funktionen in
mehreren Veränderlichen ausführlich diskutiert. Gegeben eine Funktion $f(x,y)$
auf dem $ℝ²$ und einen Punkt $p$ der Nullstellenmenge, so haben sie im Kapitel
``Der Satz über die implizit definierten Funktionen'' gelernt, dass es einen
Der Satz über die implizit definierten Funktionen gelernt, dass es einen
riesigen Unterschied macht, ob die partiellen Ableitungen
\[
\frac{∂f}{∂x}(p) \quad\text{und}\quad \frac{∂f}{∂y}(p)
@@ -49,13 +49,13 @@ von $p$ eine Untermannigfaltigkeit und kann lokal durch die $x$- oder $y$-Werte
parametrisiert werden.
Überlegen Sie sich anhand der Einheitsparabel, dass der Satz über die implizit
definierten Funktionen in der algebraischen Geometrie nicht gelten kann (denn
definierten Funktionen in der algebraischen Geometrie nicht gelten kann (denn
sonst müsste die Wurzelfunktion algebraisch sein). Die Unterscheidung nach
``gute Punkte, in denen mindestens eine partielle Ableitung ungleich null ist''
und ``schlechte Punkte, in denen alle partielle Ableitungen gleich null sind''
gute Punkte, in denen mindestens eine partielle Ableitung ungleich null ist
und schlechte Punkte, in denen alle partielle Ableitungen gleich null sind
funktioniert aber ohne weiteres.
\begin{defn}[Einfache Punkte]\label{defn:ep}
\begin{defn}[Einfache Punkte]\label{defn:ep}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $f ∈ k[x,y]$ eine
ebene algebraische Kurve und es sei $p ∈ 𝔸²_k$ sei ein Punkt von $V(f)$. Man
nennt $p$ einen \emph{einfachen Punkt}\index{einfacher Punkt} der Kurve $f$,
@@ -84,7 +84,7 @@ funktioniert aber ohne weiteres.
\begin{bemerkung}
Die Ableitungen aus Definition~\ref{defn:ep} sind wie in der Vorlesung
``Algebra'' die formalen Ableitungen, die einfach nach den bekannten
Algebra die formalen Ableitungen, die einfach nach den bekannten
Rechenregeln für das Ableiten von Polynomen definiert sind und nichts mit den
Grenzwerten aus der Analysis zu tun haben. Wir erinnern uns an die
schlaflosen Nächte des letzten Semesters: falls $k$ ein Körper der positiven
@@ -96,13 +96,13 @@ funktioniert aber ohne weiteres.
\begin{defn}[Tangentialraum einer Kurve an einfachem Punkt]
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $f ∈ k[x,y]$ eine
ebene algebraische Kurve und es sei $p = (a,b) ∈ 𝔸²_k$ sei ein einfacher Punkt
der Kurve $f$. Dann bezeichne die Gerade
ebene algebraische Kurve und es sei $p = (a,b) ∈ 𝔸²_k$ sei ein einfacher
Punkt der Kurve $f$. Dann bezeichne die Gerade
\[
V \left( (y-b)·\frac{∂ f}{∂ y}(P) + (x-a)·\frac{∂ f}{∂ x}(P) \right)
\]
als den \emph{affinen Tangentialraum der Kurve $f$ im Punkt $p$}\index{affiner
Tangentialraum}.
Tangentialraum}.
\end{defn}
@@ -110,11 +110,11 @@ funktioniert aber ohne weiteres.
Einfache Punkte sind einfach … aber natürlich auch ein wenig langweilig. Die
erste Frage, die man bei nicht-einfachen Punkten stellen kann ist die, ob wir
ein quantitatives Maß für die nicht-Einfachheit haben. Die ``Multiplizität''
ist der erste Begriff in dieser Richtung. Der Bequemlichkeit halber definieren
wir diesen Begriff erst einmal nur für den Nullpunkt.
ein quantitatives Maß für die nicht-Einfachheit haben. Die Multiplizität“ ist
der erste Begriff in dieser Richtung. Der Bequemlichkeit halber definieren wir
diesen Begriff erst einmal nur für den Nullpunkt.
\begin{defn}[Multiplizität einer Kurve im Nullpunkt]\label{def:9-1-6}
\begin{defn}[Multiplizität einer Kurve im Nullpunkt]\label{def:9-1-6}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $f ∈ k[x,y]$ eine
ebene algebraische Kurve. Dann schreibe $f$ als Summe von homogenen
Polynomen,
@@ -126,7 +126,7 @@ wir diesen Begriff erst einmal nur für den Nullpunkt.
m := \min \{ i ∈ \::\: f_i ≠ 0 \}
\]
wird als \emph{Multiplizität der Kurve $f$ im Nullpunkt}\index{Multiplizität
einer Kurve im Nullpunkt} bezeichnet. Die Schreibweise $\mult_0 f$ ist
einer Kurve im Nullpunkt} bezeichnet. Die Schreibweise $\mult_0 f$ ist
üblich.
\end{defn}
@@ -139,10 +139,10 @@ wir diesen Begriff erst einmal nur für den Nullpunkt.
\end{itemize}
\end{beobachtung}
\begin{defn}[Multiplizität einer Kurve im Nullpunkt]\label{def:9-1-8}
\begin{defn}[Multiplizität einer Kurve im Nullpunkt]\label{def:9-1-8}%
In der Situation von Definition~\ref{def:9-1-6} sei $m > 0$. Dann nenne die
Kurve $f_m$ den \emph{Tangentialkegel der Kurve $f$ im
Nullpunkt}\index{Tangentialkegel einer Kurve im Nullpunkt}.
Nullpunkt}\index{Tangentialkegel einer Kurve im Nullpunkt}.
\end{defn}
Wie stellen wir uns den Tangentialkegel einer Kurve vor? Das ist gar nicht so
@@ -159,11 +159,11 @@ beschreiben:
\end{figure}
\begin{beobachtung}[Beschreibung des Tangentialkegels]
In der Situation von Definition~\ref{def:9-1-8} sei
$(α, β) ∈ V(f_m) \{ 0 \}$. Dann teilt die Geradengleichung $β x - α y$ das
Polynom $f_m$, und der Quotient ist wieder homogen. Nach endlich vielen
Divisionen kann ich $f_m$, die Gleichung des affinen Tangentialkegels, also
auf eindeutige Weise in der Form
In der Situation von Definition~\ref{def:9-1-8} sei $(α, β) ∈ V(f_m) \{ 0
\}$. Dann teilt die Geradengleichung $β x - α y$ das Polynom $f_m$, und der
Quotient ist wieder homogen. Nach endlich vielen Divisionen kann ich $f_m$,
die Gleichung des affinen Tangentialkegels, also auf eindeutige Weise in der
Form
\[
f_m = p_1^{k_1} ⋯ p_l^{k_l}
\]
@@ -174,16 +174,16 @@ beschreiben:
\begin{defn}[Vielfachheiten im Tangentialkegel, gewöhnliche Singularitäten]
In der Situation von Definition~\ref{def:9-1-8} werden die Zahlen $k_$ auch
als \emph{Vielfachheit der Geraden $p_$ im
Tangentialkegel}\index{Vielfachheit einer Geraden im Tangentialkegel}
Tangentialkegel}\index{Vielfachheit einer Geraden im Tangentialkegel}
bezeichnet. Falls alle Vielfachheiten gleich 1 sind, so sagt man, dass
$\vec{0}$ ein \emph{gewöhnlicher Punkt der Kurve $f$}\index{gewöhnliche Punkte
einer ebenen algebraischen Kurve} ist.
einer ebenen algebraischen Kurve} ist.
\end{defn}
\begin{bsp}
Abbildung~\ref{fig:tc} zeigt die Knotenkurve. Der Nullpunkt ist ein
gewöhnlicher, singulärer Punkt mit affinem Tangentialkegel
$-= (x+y)·(x-y)$. Im Gegensatz dazu ist der Nullpunkt kein gewöhnlicher
gewöhnlicher, singulärer Punkt mit affinem Tangentialkegel $-=
(x+y)·(x-y)$. Im Gegensatz dazu ist der Nullpunkt kein gewöhnlicher
singulärer Punkt der Neil'sche Parabel aus Abbildung~\ref{fig:gsp}, denn der
affine Tangentialkegel ist gegeben durch die Gleichung $$, die eine Gerade
hat also Multiplizität zwei.
@@ -202,11 +202,11 @@ verschobene Kurve hat die Gleichung
\begin{equation}\label{eq:9-2-6-1}
g(x,y) := f(x-a, y-b).
\end{equation}
Dann definiere die ``Multiplizität $\mult_p f$ von $f$ im Punkt $p$'' einfach
als die Multiplizität $\mult_0 g$ von $g$ im Nullpunkt, und das kennen wir ja
schon. Dito mit der Frage, ob $p$ eine gewöhnliche Singularität der Kurve $f$
ist. Wenn $g_m$ die Gleichung des affinen Tangentialkegels der Kurve $g$ im
Nullpunkt ist, dann verschieben wir zurück und definieren
Dann definiere die Multiplizität $\mult_p f$ von $f$ im Punkt $p$ einfach als
die Multiplizität $\mult_0 g$ von $g$ im Nullpunkt, und das kennen wir ja schon.
Dito mit der Frage, ob $p$ eine gewöhnliche Singularität der Kurve $f$ ist.
Wenn $g_m$ die Gleichung des affinen Tangentialkegels der Kurve $g$ im Nullpunkt
ist, dann verschieben wir zurück und definieren
\[
f_m(x,y) := g_m(x+a, y+b)
\]
@@ -214,8 +214,8 @@ als den affinen Tangentialkegel der Kurve $f$ im Punkt $p$.
\begin{frage}
Habe ich bei den Verschiebungen wirklich die richtigen Vorzeichen gewählt?
Muss in Definition~\eqref{eq:9-2-6-1} tatsächlich ``$x-a$'' stehen und nicht
etwa ``$x+a$''? Wie kann ich diese Frage ein für allemal beantworten?
Muss in Definition~\eqref{eq:9-2-6-1} tatsächlich $x-a$ stehen und nicht
etwa $x+a$? Wie kann ich diese Frage ein für allemal beantworten?
\end{frage}

305
10.tex
View File

@@ -8,21 +8,21 @@
\label{sec:11}
Im letzten Kapitel haben wir einige Eigenschaften von Punkten auf ebenen
algebraischen Kurven kennen gelernt. Ist $f$ eine solche Kurve und $p$ ein
Punkt der Kurve, so legt die geometrische Intuition vielleicht folgendes Nahe.
algebraischen Kurven kennengelernt. Ist $f$ eine solche Kurve und $p$ ein Punkt
der Kurve, so legt die geometrische Intuition vielleicht folgendes nahe.
\begin{itemize}
\item Die Eigenschaft des Punktes, glatt oder singulär zu sein, hat vermutlich
nichts mit der Frage zu tun, wie die Kurven (mit ihrem Punkt) in die Ebene
eingebettet ist. Schlau gesprochen: die geometrische Anschauung legt nahe,
eingebettet ist. Schlau gesprochen: Die geometrische Anschauung legt nahe,
dass Glattheit und Singularität von Punkten intrinsische Eigenschaften der
Kurve und ihres Punktes sind.
\item Anschaulich ist klar, dass ich die Frage nach der Glattheit oder
Singularität eines Punktes beantworten kann, wenn ich lediglich eine kleine
offene Umgebung des Punktes kenne (``mir egal, wie die Kurve in 10km
Entfernung aussieht''). Schlau gesprochen: Glattheit und Singularität sind
``lokale'' Eigenschaften.
offene Umgebung des Punktes kenne (mir egal, wie die Kurve in 10~km
Entfernung aussieht). Schlau gesprochen: Glattheit und Singularität sind
lokale Eigenschaften.
\end{itemize}
@@ -39,19 +39,19 @@ sollte also eine Eigenschaft des Ideals $m_p ⊂ A$ sein.
Lokale Eigenschaften haben wir noch nicht diskutiert, das holen wir jetzt nach.
Dazu ist es nützlich, sich an Abschnitt~\ref{sec:7-1} zu erinnern, wo der affine
Koordinatenring als Ring der algebraischen Funktionen (``stetige Funktionen, die
durch Polynome repräsentierbar sind'') eingeführt wurde. Wenn nun der affine
Koordinatenring (=der Ring aller algebraischen Funktionen'') die gesamte
Koordinatenring als Ring der algebraischen Funktionen (stetige Funktionen, die
durch Polynome repräsentierbar sind) eingeführt wurde. Wenn nun der affine
Koordinatenring (=der Ring aller algebraischen Funktionen) die gesamte
intrinsische Geometrie festlegt, dann könnte die lokale Geometrie in der Nähe
des Punktes $p$ durch den Ring der algebraischen Funktionen gegeben sein, die
nur in der Nähe von $p$ definiert sind. Die Frage ist, was dies im Kontext der
algebraischen Geometrie genau bedeuten soll. Antwort: algebraische Funktion,
die ``nur in der Nähe von $p$ definiert sind'', sind rationale Funktionen die
bei $p$ keine Polstelle haben. Was ist eine rationale Funktion? Antwort:
rationale Funktionen sind Quotienten von algebraischen Funktionen -- also von
Elementen des affinen Koordinatenringes. Wir betrachten also Brüche $a/b$, wo
$a$ und $b$ Elemente des affinen Koordinatenringes sind und wo die Funktion $b$
am Punkte $p$ keine Nullstelle hat.
die nur in der Nähe von $p$ definiert sind, sind rationale Funktionen die bei
$p$ keine Polstelle haben. Was ist eine rationale Funktion? Antwort: rationale
Funktionen sind Quotienten von algebraischen Funktionen -- also von Elementen
des affinen Koordinatenringes. Wir betrachten also Brüche $a/b$, wo $a$ und $b$
Elemente des affinen Koordinatenringes sind und wo die Funktion $b$ am Punkte
$p$ keine Nullstelle hat.
\section{Multiplikative Systeme}
@@ -69,20 +69,20 @@ Null verboten ist, müssen wir hier etwas vorsichtiger sein.
wenn für alle $f$ und $g ∈ S$ die Inklusion $f·g ∈ S$ gilt.
\end{defn}
\begin{bsp}\label{bsp:10-2-2}
\begin{bsp}\label{bsp:10-2-2}%
Es sei $R$ ein beliebiger kommutativer Ring mit Eins. Die folgenden Mengen
sind multiplikative Systeme.
\begin{itemize}
\item Die Menge der Einheiten, also $R^*$.
\item Es sei $p ⊂ R$ ein Primideal. Dann ist $R p$ ein multiplikatives
\item Es sei $p ⊂ R$ ein Primideal. Dann ist $Rp$ ein multiplikatives
System.
\item Es sei $m_p ⊂ R$ ein maximales Ideal. Dann ist $m_p$ ein Primideal und
$R m_p$ ist ein multiplikatives System.
\item Es sei $f ∈ R$ ein beliebiges Element. Dann ist die Menge
$\{ 1, f, f²,\}$ ein multiplikatives System.
\item Es sei $f ∈ R$ ein beliebiges Element. Dann ist die Menge $\{ 1, f, f²,
\}$ ein multiplikatives System.
\end{itemize}
\end{bsp}
@@ -93,15 +93,15 @@ Beispiel~\ref{bsp:10-2-2} zeigt, wohin der Hase läuft. In späteren Anwendunge
ist $R$ der affine Koordinatenring einer ebenen, algebraischen Kurve $X$ und
$m_p$ ist das maximale Ideal, das zu einem gegebenen Punkt $p$ gehört. Ich kann
die Elemente von $R$ als algebraische Funktionen auf $X$ auffassen, und eine
Funktion $f ∈ R$ hat genau dann bei $p$ eine Nullstelle, wenn $f ∈ m_p$ ist.
Bei der Diskussion von lokalen Eigenschaften wollen wir also ``rationale
Funktionen'' der Form $a/b$ betrachten, wo wir für $b$ nur Elemente des
multiplikativen Systems $R m_p$ zulassen. Die folgende Konstruktion sagt
präzise, was passiert.
Funktion $f ∈ R$ hat genau dann bei $p$ eine Nullstelle, wenn $f ∈ m_p$ ist. Bei
der Diskussion von lokalen Eigenschaften wollen wir also rationale Funktionen“
der Form $a/b$ betrachten, wo wir für $b$ nur Elemente des multiplikativen
Systems $Rm_p$ zulassen. Die folgende Konstruktion sagt präzise, was
passiert.
\begin{konstruktion}[Lokalisierung von Ringen]\label{kons:loc}
\index{Lokalisierung!von Ringen}Es sei $R$ ein ein kommutativer Ring mit Eins
und es sei $S ⊂ R$ ein multiplikatives System. Dann betrachte die folgende
\index{Lokalisierung!von Ringen}Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins und
es sei $S ⊂ R$ ein multiplikatives System. Dann betrachte die folgende
Relation auf $R S$,
\begin{equation}\label{eq:10-3-1-1}
(a,α) \sim (b, β) \quad \overset{\text{def}}{} \quad
@@ -132,7 +132,7 @@ präzise, was passiert.
\begin{frage}
Vielleicht fällt Ihnen auf, dass die Relation~\eqref{eq:10-3-1-1}
komplizierter ist als die Relation, die Sie bei der Konstruktion des
Quotientenkörpers kennen gelernt haben, denn dort war
Quotientenkörpers kennengelernt haben, denn dort war
\[
(a,α) \sim (b, β) \quad \overset{\text{def}}{} \quad
(- b α) = 0.
@@ -145,13 +145,13 @@ präzise, was passiert.
Genau wie der Quotientenkörper ist die Lokalisierung eines Ringes eindeutig
durch eine universelle Eigenschaft gegeben. Weil wir die universellen
Eigenschaften in der Vorlesung ``Algebra'' zu genüge diskutiert haben, spare ich
Eigenschaften in der Vorlesung Algebra zu genüge diskutiert haben, spare ich
mir die Details und den Beweis und gebe die Eigenschaft einfach an.
\begin{prop}[Universelle Eigenschaft der Lokalisierung]\label{prop:10-3-3}
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} sei ein Ringmorphismus
$γ : R → T$ gegeben, so dass $γ(S) ⊂ T^*$ ist. Dann existiert genau ein
Morphismus $ν :S^{-1}R → T$, sodass das folgende Diagramm kommutiert,
\begin{prop}[Universelle Eigenschaft der Lokalisierung]\label{prop:10-3-3}%
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} sei ein Ringmorphismus $γ : R
→ T$ gegeben, sodass $γ(S) ⊂ T^*$ ist. Dann existiert genau ein Morphismus $ν
:S^{-1}R → T$, sodass das folgende Diagramm kommutiert,
\[
\begin{tikzcd}
R \ar[r, "φ"] \ar[d, equal] & {S^{-1}R} \ar[d, "ν"] \\
@@ -171,7 +171,7 @@ mir die Details und den Beweis und gebe die Eigenschaft einfach an.
\begin{notation}[Lokalisierung nach Primideal]
Es sei $R$ ein Ring und es sei $p ⊂ R$ ein Primideal, mit zugehörendem
multiplikativen System $S := R p$. Dann wird die Lokalisierung $S^{-1} R$
multiplikativen System $S := Rp$. Dann wird die Lokalisierung $S^{-1} R$
auch häufig mit $R_p$ bezeichnet.
\end{notation}
@@ -201,7 +201,7 @@ kann helfen.
\begin{lem}
In Konstruktion~\ref{kons:loc} sind folgende Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
\item\label{il:10-3-6-1} Es ist $S^{-1}R = 0$
\item\label{il:10-3-6-1} Es ist $S^{-1}R = 0$.
\item\label{il:10-3-6-2} Es ist $0 ∈ S$.
@@ -214,8 +214,8 @@ kann helfen.
\begin{description}
\item[\ref{il:10-3-6-1} $⇒$ \ref{il:10-3-6-2}] Sei $S^{-1}R = 0$. Dann ist
$\frac{1}{1} = \frac{0}{1}$, also existiert ein Element $s ∈ S$ mit
$s · 1 = 0$. Also ist $0 ∈ S$.
$\frac{1}{1} = \frac{0}{1}$, also existiert ein Element $s ∈ S$ mit $s · 1 =
0$. Also ist $0 ∈ S$.
\item[\ref{il:10-3-6-2} $⇒$ \ref{il:10-3-6-3}] Klar, denn 0 ist ein
nilpotentes Element.
@@ -234,18 +234,18 @@ kann helfen.
Unser nächstes Ziel ist es, Ideale im Ring $R$ und im lokalisierten Ring
$S^{-1}R$ zu vergleichen. Es lohnt sich aber, gleich ein wenig allgemeiner zu
arbeiten, denn Ideale sind spezielle Moduln.
arbeiten, denn Ideale sind spezielle Moduln
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Modul_(Mathematik)}{Sie erinnern sich doch
daran, was ein Modul ist?} Grob und nicht ganz richtig: Ein Modul ist wie ein
Vektorraum, aber nicht über einem Körper sondern über einem Ring. Die
Lokalisierung eines Moduls geht genau so wie die Lokalisierung eines Ringes: wir
daran, was ein Modul ist?}. Grob und nicht ganz richtig: Ein Modul ist wie ein
Vektorraum, aber nicht über einem Körper, sondern über einem Ring. Die
Lokalisierung eines Moduls geht genauso wie die Lokalisierung eines Ringes: wir
betrachten Brüche, wo oben Modulelemente stehen und unten Elemente des
multiplikativen Systems.
\begin{konstruktion}[Lokalisierung von Moduln]\label{kons:locM}
\index{Lokalisierung!von Moduln}Es sei $R$ ein ein kommutativer Ring mit Eins
und es sei $S ⊂ R$ ein multiplikatives System. Weiter sei $A$ ein $R$-Modul
(zum Beispiel ein Ideal). Dann betrachte die folgende Relation auf $A S$,
\begin{konstruktion}[Lokalisierung von Moduln]\label{kons:locM}%
\index{Lokalisierung!von Moduln}Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins und
es sei $S ⊂ R$ ein multiplikatives System. Weiter sei $A$ ein $R$-Modul (zum
Beispiel ein Ideal). Dann betrachte die folgende Relation auf $A S$,
\begin{equation}\label{eq:10-3-1-1M}
(a,α) \sim (b, β) \quad \overset{\text{def}}{} \quad
∃ s ∈ S: s·(aβ - b α) = 0
@@ -268,10 +268,10 @@ multiplikativen Systems.
Modulstruktur auf $S^{-1}A$ liefert.
\end{konstruktion}
\begin{bemerkung}\label{bem:10-4-2}
Bei der Lokalisierung von $R$-Moduln gibt es etwas Potential für Verwirrung.
Der Ring $R$ ist trivialerweise selbst ein $R$-Modul. Wenn ich jetzt
$S^{-1} R$ schreibe, meine ich dann die Lokalisierung des Ringes aus
\begin{bemerkung}\label{bem:10-4-2}%
Bei der Lokalisierung von $R$-Moduln gibt es etwas Potenzial für Verwirrung.
Der Ring $R$ ist trivialerweise selbst ein $R$-Modul. Wenn ich jetzt $S^{-1}
R$ schreibe, meine ich dann die Lokalisierung des Ringes aus
Konstruktion~\ref{kons:loc} oder die Lokalisierung des $R$-Moduls aus
Konstruktion~\ref{kons:locM}? Gute Nachricht: es macht keinen Unterschied.
Rechnen Sie nach, dass die beiden Konstruktion in diesem Fall schlicht
@@ -293,21 +293,21 @@ ich auf folgende Eigenschaft der Lokalisierung hinweisen.
\[
S^{-1}α : S^{-1} A → S^{-1} B, \quad \frac{a}{s}\frac{α(a)}{s}.
\]
Rechnen Sie nach, dass diese ``Definition auf Repräsentantenniveau''
tatsächlich wohldefiniert ist. Gegeben einen weiteren Modulmorphismus
$β : B → C$, so rechnen Sie nach, dass stets die Gleichung
Rechnen Sie nach, dass diese Definition auf Repräsentantenniveau“ tatsächlich
wohldefiniert ist. Gegeben einen weiteren Modulmorphismus $β : B → C$, so
rechnen Sie nach, dass stets die Gleichung
\[
S^{-1}(β◦α) = \left(S^{-1}β\right)\left(S^{-1} α\right)
\]
gilt. Der Mathematiker fasst die Aussage ``Morphismen von Moduln induzieren
in kanonischer Weise Morphismen von lokalisierten Moduln in einer Art und
Weise, die mit der Komposition verträglich ist'' kurz zusammen und sagt:
``Lokalisierung ist funktoriell''.
gilt. Der Mathematiker fasst die Aussage Morphismen von Moduln induzieren in
kanonischer Weise Morphismen von lokalisierten Moduln in einer Art und Weise,
die mit der Komposition verträglich ist kurz zusammen und sagt:
Lokalisierung ist funktoriell.
\end{beobachtung}
\begin{notation}[Lokalisierung nach Primideal]
Es sei $R$ ein Ring und es sei $p ⊂ R$ ein Primideal, mit zugehörendem
multiplikativen System $S := R p$. Weiter sei $A$ ein $R$-Modul. Dann wird
multiplikativen System $S := Rp$. Weiter sei $A$ ein $R$-Modul. Dann wird
die Lokalisierung $S^{-1} A$ auch häufig mit $A_p$ bezeichnet. Gegeben einen
Morphismus von $R$-Moduln, $α : A → B$, dann wird die Lokalisierung $S^{-1} α$
auch häufig mit $α_p$ bezeichnet.
@@ -318,7 +318,7 @@ ich auf folgende Eigenschaft der Lokalisierung hinweisen.
\subsubsection{Exakte Sequenzen -- Teile und Herrsche}
In der Vorlesung ``Lineare Algebra'' haben Sie exakte Sequenzen kennen gelernt,
In der Vorlesung Lineare Algebra haben Sie exakte Sequenzen kennengelernt,
aber vielleicht nicht gemocht. Jetzt ist es an der Zeit, die exakt Sequenz
lieben zu lernen. Ich wiederhole kurz, worum es geht: Gegeben einen Ring $R$,
dann nenne eine (endliche oder unendliche) Folge von Modulmorphismen
@@ -330,16 +330,16 @@ exakt, wenn für jeden Index $i$ die Gleichung $\img α_i = \ker α_{i+1}$ gilt.
\begin{beobachtung}
Es sei $α: A → B$ ein Morphismus von $R$-Moduln. Dann kann man Injektivität
und Surjektivität von $α$ mit Hilfe von exakten Sequenzen ausdrücken.
und Surjektivität von $α$ mithilfe von exakten Sequenzen ausdrücken.
\begin{itemize}
\item Der Morphismus $α$ ist genau dann injektiv, wenn $\ker α = \{0\}$ ist.
Dies ist genau dann der Fall, wenn die Sequenz $0 → A \xrightarrow{α} B$
exakt ist. Dabei ist der erste Pfeil logischerweise die Nullabbildung, was
sonst.
\item Der Morphismus $α$ ist genau dann surjektiv, wenn die Sequenz
$A \xrightarrow{α} B → 0$ exakt ist. Dabei ist der letzte Pfeil
logischerweise die Nullabbildung, was sonst.
\item Der Morphismus $α$ ist genau dann surjektiv, wenn die Sequenz $A
\xrightarrow{α} B → 0$ exakt ist. Dabei ist der letzte Pfeil logischerweise
die Nullabbildung, was sonst.
\end{itemize}
\end{beobachtung}
@@ -351,9 +351,9 @@ exakte Sequenzen der folgenden Form,
Dabei ist der erste und der letzte Pfeil logischerweise die Nullabbildung, was
sonst.
\begin{beobachtung}\label{beo:10-4-6}
Die Aussage ``Die Sequenz \eqref{eq:kes} ist exakt'' besagt genau die
folgenden drei Dinge.
\begin{beobachtung}\label{beo:10-4-6}%
Die Aussage Die Sequenz \eqref{eq:kes} ist exakt.“ besagt genau die folgenden
drei Dinge.
\begin{itemize}
\item Der Morphismus $α$ ist injektiv.
@@ -366,7 +366,7 @@ sonst.
\item Der Modul $A$ ist isomorph zu $\ker β$.
\item Der Modul $C$ ist isomorph zu $\coker α$. Wenn ich $A$ mithilfe der
injektiven Abbildung $α$ als Untermodul von $B$ auffasse dann ist $C$ also
injektiven Abbildung $α$ als Untermodul von $B$ auffasse, dann ist $C$
isomorph zum Quotientenmodul $B/A$.
\end{itemize}
\end{beobachtung}
@@ -375,8 +375,8 @@ Wenn Sie normal sind, haben Sie sich sicher schon länger gefragt, warum ältere
Professoren auf exakte Sequenzen abfahren. Der Grund: viele Moduln sind echt
schwer zu verstehen. Wenn mir das Leben einen Modul $B$ gibt, dann suche ich
eine exakte Sequenz wie in \eqref{eq:kes}, in der Hoffnung, dass die Moduln $A$
und $C$ kleiner und deshalb leichter zu verstehen sind. Das Zerlegt mein
Problem ``verstehe den Modul $B$'' in drei Teilaufgaben.
und $C$ kleiner und deshalb leichter zu verstehen sind. Das zerlegt mein
Problem verstehe den Modul $B$ in drei Teilaufgaben.
\begin{itemize}
\item Verstehe den kleineren Modul $A$.
@@ -392,8 +392,8 @@ vermutlich noch kein Beispiel gesehen, wo man mit dieser Strategie wirklich
etwas bewiesen hätte. Dafür gibt es einen guten Grund: Sie haben sich bislang
vermutlich weniger für Moduln, sondern meistens nur für Vektorräume
interessiert. Wenn aber \eqref{eq:kes} eine kurze exakte Sequenz von
Vektorräumen ist, dann ist $B ≅ A⊕C$, und die Frage ``Wie setzt sich der Modul
$B$ aus den kleineren Moduln $A$ und $C$ zusammen?'' ist irrelevant.
Vektorräumen ist, dann ist $B ≅ A⊕C$, und die Frage Wie setzt sich der Modul
$B$ aus den kleineren Moduln $A$ und $C$ zusammen? ist irrelevant.
\begin{warnung}
Wenn \eqref{eq:kes} eine kurze exakte Sequenz von Moduln ist, dann ist es im
@@ -408,10 +408,10 @@ $B$ aus den kleineren Moduln $A$ und $C$ zusammen?'' ist irrelevant.
\sideremark{Vorlesung 12}Ich verspreche Ihnen, dass wir später in dieser
Vorlesung interessante exakte Sequenzen sehen werden. Im Moment geht es aber um
die Lokalisierung von Moduln. Der wesentliche Punkt: Lokalisierung bildet
exakte Sequenzen auf exakte Sequenzen ab. Der Mathematiker sagt ``Lokalisierung
ist ein exakter Funktor''.
exakte Sequenzen auf exakte Sequenzen ab. Der Mathematiker sagt Lokalisierung
ist ein exakter Funktor.
\begin{satz}[Lokalisierung ist ein exakter Funktor]\label{satz:10-4-7}
\begin{satz}[Lokalisierung ist ein exakter Funktor]\label{satz:10-4-7}%
Es sei $R$ ein Ring, es sei $S ⊂ R$ ein multiplikatives System und es sei
\[
A \xrightarrow{α} B \xrightarrow{β} C
@@ -427,15 +427,15 @@ ist ein exakter Funktor''.
\end{proof}
\begin{bemerkung}
Satz~\ref{satz:10-4-7} ist eine Aussage über exakte Sequenzen der Länge
drei. Wenn man den Satz aber erst einmal bewiesen hat, dann folgt die Aussage
Satz~\ref{satz:10-4-7} ist eine Aussage über exakte Sequenzen der Länge drei.
Wenn man den Satz aber erst einmal bewiesen hat, dann folgt die Aussage
ziemlich schnell auch für exakte Sequenzen beliebiger Länge --- unendlich
lange Sequenzen sind ebenfalls erlaubt.
\end{bemerkung}
\begin{kor}[Lokalisierung erhält Injektivität und Surjektivität]\label{kor:10-4-7}
Es sei $R$ ein Ring, es sei $S ⊂ R$ ein multiplikatives System und es sei
$α : A → B$ ein Morphismus von $R$-Moduln.
\begin{kor}[Lokalisierung erhält Injektivität und Surjektivität]\label{kor:10-4-7}%
Es sei $R$ ein Ring, es sei $S ⊂ R$ ein multiplikatives System und es sei $α :
A → B$ ein Morphismus von $R$-Moduln.
\begin{itemize}
\item Wenn $α$ injektiv ist, dann ist $S^{-1}α$ injektiv.
@@ -458,8 +458,8 @@ Korollar~\ref{kor:10-4-7}, den lokalisierten Modul $S^{-1}A$ als Untermodul von
$S^{-1}B$ aufzufassen. Damit ist das folgende Korollar sinnvoll.
\begin{kor}
Es sei $R$ ein Ring, es sei $S ⊂ R$ ein multiplikatives System und es sei$M$
ein $R$-Modul mit Untermoduln $N$ und $P ⊂ M$. Dann gilt folgendes.
Es sei $R$ ein Ring, es sei $S ⊂ R$ ein multiplikatives System und es sei $M$
ein $R$-Modul mit Untermodul $N$ und $P ⊂ M$. Dann gilt Folgendes.
\begin{enumerate}
\item Es ist $S^{-1}(N+P) = (S^{-1}N) + (S^{-1}P)$.
@@ -492,7 +492,7 @@ Gegeben sei ein Ring $R$ und es sei $A$ ein $R$-Modul. Wenn $A$ der Nullmodul
ist, dann ist natürlich auch jede Lokalisierung nach jedem Primideal der
Nullmodul. Interessanterweise gilt auch die Umkehrung.
\begin{lem}[Verschwindung von Moduln ist lokale Eigenschaft]\label{lem:10-4-10}
\begin{lem}[Verschwindung von Moduln ist lokale Eigenschaft]\label{lem:10-4-10}%
Es sei $R$ ein Ring und es sei $M$ ein $R$-Modul. Dann sind die folgenden
Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
@@ -500,25 +500,24 @@ Nullmodul. Interessanterweise gilt auch die Umkehrung.
\item\label{il:10-4-10-2} Für jedes Primideal $p ⊂ R$ ist $M_p = 0$.
\item\label{il:10-4-10-3} Für jedes maximale Ideal $m ⊂ R$ ist
$M_m = 0$.
\item\label{il:10-4-10-3} Für jedes maximale Ideal $m ⊂ R$ ist $M_m = 0$.
\end{enumerate}
\end{lem}
\begin{proof}
Es ist nur die Richtung \ref{il:10-4-10-3} $$ \ref{il:10-4-10-1} zu
zeigen. Wir führen einen Widerspruchsbeweis und nehmen an, dass $M ≠ 0$
ist, dass aber alle Lokalisierungen in maximalen Idealen 0 sind. Wähle dann
ein Element $x ∈ M \{0\}$, und betrachte die Menge
Es ist nur die Richtung \ref{il:10-4-10-3} $$ \ref{il:10-4-10-1} zu zeigen.
Wir führen einen Widerspruchsbeweis und nehmen an, dass $M ≠ 0$ ist, dass aber
alle Lokalisierungen in maximalen Idealen 0 sind. Wähle dann ein Element $x ∈
M \{0\}$, und betrachte die Menge
\[
\operatorname{Ass}(x) = \{ r ∈ R \::\: r·x = 0 \} ⊂ R.
\]
Dies ist ein Ideal in $R$, das häufig als das ``zu $x$ assoziierte Ideal''
Dies ist ein Ideal in $R$, das häufig als das zu $x$ assoziierte Ideal
bezeichnet wird. Blutrünstige Kollegen sprechen gern vom
\href{https://www.youtube.com/watch?v=qTUL-mpov78}{Assassinator-Ideal}, weil
$\operatorname{Ass}(x)$ aus genau den Ringelementen besteht, die $x$
``killen''. Die Annahme $x ≠ 0$ impliziert sofort
$1 \not\operatorname{Ass}(x)$. Also können wir ein maximales Ideal wählen
$m$, das $\operatorname{Ass}(x)$ enthält,
$\operatorname{Ass}(x)$ aus genau den Ringelementen besteht, die $x$ „killen“.
Die Annahme $x ≠ 0$ impliziert sofort $1 \not\operatorname{Ass}(x)$. Also
können wir ein maximales Ideal wählen $m$, das $\operatorname{Ass}(x)$
enthält,
\[
\operatorname{Ass}(x) ⊂ m ⊊ R.
\]
@@ -526,10 +525,10 @@ Nullmodul. Interessanterweise gilt auch die Umkehrung.
\[
\frac{0}{1} = \frac{x}{1} ∈ M_m.
\]
Per Definition bedeutet das, dass ein Element $s ∈ R m$ existiert,
sodass $(1 - 0·1) = 0$ ist. Mit anderen Worten: es gilt $s·x = 0$ und
also ist $s ∈ \operatorname{Ass}(x)$, im Widerspruch zur Wahl von
$s ∈ R m ⊂ R \operatorname{Ass}(x)$.
Per Definition bedeutet das, dass ein Element $s ∈ Rm$ existiert, sodass
$(1 - 0·1) = 0$ ist. Mit anderen Worten: es gilt $s·x = 0$ und also ist
$s ∈ \operatorname{Ass}(x)$, im Widerspruch zur Wahl von $s ∈ Rm ⊂
R\operatorname{Ass}(x)$.
\end{proof}
In der Fachsprache sagt man, die Eigenschaft eines Moduls, der Nullmodul zu
@@ -542,33 +541,32 @@ sein, ist eine lokale Eigenschaft.
\begin{itemize}
\item Der Modul $M$ hat Eigenschaft $E$.
\item Für alle Primideale $p ⊂ R$ gilt: der Modul $M_p$ hat Eigenschaft
$E$.
\item Für alle Primideale $p ⊂ R$ gilt: Der Modul $M_p$ hat Eigenschaft $E$.
\end{itemize}
\end{defn}
Das geht natürlich auch mit Eigenschaften von Morphismen.
\begin{kor}[Injektivität und Surjektivität sind lokale Eigenschaften]\label{kor:10-5-3}
Es sei $R$ ein Ring und es sei $α: A → B$ ein Morphismus von
$R$-Moduln. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent.
\begin{kor}[Injektivität und Surjektivität sind lokale Eigenschaften]\label{kor:10-5-3}%
Es sei $R$ ein Ring und es sei $α: A → B$ ein Morphismus von $R$-Moduln. Dann
sind die folgenden Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
\item\label{il:10-5-3-1} Die Abbildung $α$ ist injektiv.
\item\label{il:10-5-3-2} Für alle Primideale $p ⊂ R$ gilt: die Abbildung
$α_p$ ist injektiv.
\item\label{il:10-5-3-2} Für alle Primideale $p ⊂ R$ gilt: Die Abbildung $α_p$
ist injektiv.
\item\label{il:10-5-3-3} Für alle maximalen Ideale $m ⊂ R$ gilt: die
Abbildung $α_m$ ist injektiv.
\item\label{il:10-5-3-3} Für alle maximalen Ideale $m ⊂ R$ gilt: Die Abbildung
$α_m$ ist injektiv.
\end{enumerate}
Analoge Äquivalenzen gelten auch für Surjektivität.
\end{kor}
\begin{proof}
Nach Korollar~\ref{kor:10-4-7} ist nur die Richtung \ref{il:10-5-3-3}
$$ \ref{il:10-5-3-1} zu zeigen. Wir nehmen also an, dass für jedes
maximale Ideal $m ⊂ R$ die Abbildung $α_m$ injektiv ist.
Nach Korollar~\ref{kor:10-4-7} ist nur die Richtung \ref{il:10-5-3-3} $$
\ref{il:10-5-3-1} zu zeigen. Wir nehmen also an, dass für jedes maximale
Ideal $m ⊂ R$ die Abbildung $α_m$ injektiv ist.
Als nächstes betrachte die Sequenz von $R$-Moduln,
Als Nächstes betrachte die Sequenz von $R$-Moduln,
\begin{equation}\label{eq:10-5-3-4}
0 → \ker(α) → A \xrightarrow{α} B.
\end{equation}
@@ -587,17 +585,17 @@ Das geht natürlich auch mit Eigenschaften von Morphismen.
\end{proof}
Korollar~\ref{kor:10-5-3} sagt, das Injektivität und Surjektivität lokale
Eigenschaften von $R$-Modulmorphismen sind.
Eigenschaften von $R$-Modul\-mor\-phismen sind.
\begin{defn}[Lokale Eigenschaften von Modulmorphismen]
Es sei $R$ ein Ring und es sei $E$ eine Eigenschaft von $R$-Modulmorphismen.
Nenne $E$ eine \emph{lokale Eigenschaft}\index{lokale Eigenschaft!von
Modulmorphismen}, wenn für jeden $R$-Modulmorphismus $α$ die folgenden
Modulmorphismen}, wenn für jeden $R$-Modulmorphismus $α$ die folgenden
Aussagen äquivalent sind.
\begin{itemize}
\item Der $R$-Modulmorphismus $α$ hat Eigenschaft $E$.
\item Für alle Primideale $p ⊂ R$ gilt: der $R$-Modulmorphismus $α_p$ hat
\item Für alle Primideale $p ⊂ R$ gilt: Der $R$-Modulmorphismus $α_p$ hat
Eigenschaft $E$.
\end{itemize}
\end{defn}
@@ -615,7 +613,7 @@ zwei elementare Tatsachen aus der Algebra-Vorlesung.
prim ist, dann ist auch $γ^{-1}(I)$ ein Primideal. \qed
\end{lem}
\begin{nlemma}[Bilder von Idealen]\label{nlem:10-6-2}
\begin{nlemma}[Bilder von Idealen]\label{nlem:10-6-2}%
Es sei $γ: R → T$ ein Ringmorphismus und es sei $J ⊂ R$ ein Ideal. Dann ist
im Allgemeinen weder die Bildmenge $γ(J)$ noch die Menge
\[
@@ -626,9 +624,9 @@ zwei elementare Tatsachen aus der Algebra-Vorlesung.
Im Kontext der Lokalisierung von Ringen stellt sich die Situation wie folgt dar.
\begin{lem}\label{lem:10-6-3}
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} (``Lokalisierung von
Ringen'') sei $I ⊂ R$ ein Ideal. Dann ist
\begin{lem}\label{lem:10-6-3}%
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} (Lokalisierung von Ringen“)
sei $I ⊂ R$ ein Ideal. Dann ist
\begin{equation}\label{eq:10-6-3-1}
φ(I)·S^{-1}R = \left\{ \frac{a}{b} ∈ S^{-1}R \::\: a ∈ I, b ∈ S
\right\}.
@@ -637,7 +635,7 @@ Im Kontext der Lokalisierung von Ringen stellt sich die Situation wie folgt dar.
in $S^{-1}R$.
\end{lem}
\begin{proof}
Die Inklusion ``$$'' ist klar. Um die Inklusion ``$$'' zu zeigen, sei ein
Die Inklusion $$ ist klar. Um die Inklusion $$ zu zeigen, sei ein
Element
\[
\frac{α}{β} ∈ φ(I)·S^{-1}R
@@ -651,7 +649,7 @@ Im Kontext der Lokalisierung von Ringen stellt sich die Situation wie folgt dar.
\end{proof}
\begin{bemerkung}
Lemma~\ref{lem:10-6-3} hat vielleicht ein wenig Potential für Verwirrung, denn
Lemma~\ref{lem:10-6-3} hat vielleicht ein wenig Potenzial für Verwirrung, denn
das Ideal $I ⊂ R$ ist natürlich auch ein $R$-Modul und die rechte Seite von
Gleichung~\eqref{eq:10-6-3-1} erinnert an $S^{-1}I$, die Lokalisierung von $I$
als $R$-Modul. Das ist natürlich kein Zufall, und ich möchte die Details noch
@@ -663,7 +661,7 @@ Im Kontext der Lokalisierung von Ringen stellt sich die Situation wie folgt dar.
\]
die nach Korollar~\ref{kor:10-4-7} wieder injektiv ist. Erinnern Sie sich
dazu an Bemerkung~\ref{bem:10-4-2}: Es macht keinen Unterschied, ob wir $R$
als Ring oder als $R$-Modul lokalisieren. Rechnen Sie als nächstes nach, dass
als Ring oder als $R$-Modul lokalisieren. Rechnen Sie als Nächstes nach, dass
das Bild der injektiven Abbildung $S^{-1}ι$ genau die Menge $φ(I)·S^{-1}R$
ist. Die Abbildung $S^{-1}ι$ identifiziert daher die Mengen $S^{-1}I$ und
$φ(I)·S^{-1}R$.
@@ -674,9 +672,9 @@ Im Kontext der Lokalisierung von Ringen stellt sich die Situation wie folgt dar.
$φ(I)·S^{-1} R ⊂ S^{-1} R$ von nun an häufig mit $S^{-1}I$ notieren.
\end{notation}
\begin{satz}[Verhalten von Idealen unter Lokalisierung]\label{satz:10-6-6}
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} (``Lokalisierung von
Ringen'') gilt folgendes.
\begin{satz}[Verhalten von Idealen unter Lokalisierung]\label{satz:10-6-6}%
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} (Lokalisierung von Ringen“)
gilt Folgendes.
\begin{enumerate}
\item\label{il:10-6-6-1} Alle Ideale in $S^{-1}R$ sind von der Form $S^{-1}I$
für ein Ideal $I ⊂ R$. Genauer: für jedes Ideal $J ⊂ S^{-1}R$ gilt die
@@ -701,9 +699,9 @@ Im Kontext der Lokalisierung von Ringen stellt sich die Situation wie folgt dar.
\video{12-2}
\end{proof}
\begin{kor}[Verhalten von Primidealen unter Lokalisierung]\label{kor:10-6-8}
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} (``Lokalisierung von
Ringen'') liefert die Abbildung
\begin{kor}[Verhalten von Primidealen unter Lokalisierung]\label{kor:10-6-8}%
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} (Lokalisierung von Ringen“)
liefert die Abbildung
\[
η: \left\{\text{ Ideale in $S^{-1}R$ } \right\}\left\{\text{ Ideale in $R$ }
\right\}, \quad J ↦ φ^{-1}(J)
@@ -719,22 +717,22 @@ Im Kontext der Lokalisierung von Ringen stellt sich die Situation wie folgt dar.
$φ^{-1}(J)$ zu $S$ disjunkt ist. Das geht mit einem Widerspruchsbeweis.
Angenommen, es gäbe ein $s ∈ φ^{-1}(J)∩ S$. Per Definition der Abbildung $φ$
ist dann $\frac{s}{1} ∈ J$, also $\frac{1}{1} = \frac{s}{1}·\frac{1}{s} ∈ J$
und es folgt $J = S^{-1}R$ Das ist ein Widerspruch zur Annahme, dass $J$ prim
ist.
und es folgt $J = S^{-1}R$. Das ist ein Widerspruch zur Annahme, dass $J$
prim ist.
Die Abbildung $η$ ist offensichtlich injektiv. Also ist nur noch zu zeigen,
dass jedes Primideal $I ⊂ R$ mit $I ∩ S =$ bereits Urbild eines Primideals
in $J ⊂ S^{-1}R$ ist. Sei also ein solches Ideal $I$ gegeben. Um $J$ zu
finden, wenden wir das Kriterium~\ref{il:10-6-6-3} an: wenn ein Element
$r ∈ R$ gegeben ist, sodass ein $s ∈ S$ existiert mit $r·s ∈ I$, dann ist $s$
finden, wenden wir das Kriterium~\ref{il:10-6-6-3} an: wenn ein Element $r ∈
R$ gegeben ist, sodass ein $s ∈ S$ existiert mit $r·s ∈ I$, dann ist $s$
logischerweise nicht in $I$. Auf der anderen Seite ist $I$ per Annahme ein
Primideal, so dass $r ∈ I$ sein muss. Kriterium~\ref{il:10-6-6-3} liefert uns
Primideal, sodass $r ∈ I$ sein muss. Kriterium~\ref{il:10-6-6-3} liefert uns
also ein Ideal $J ⊂ S^{-1}R$ mit $I = φ^{-1}(J)$. Nach \ref{il:10-6-6-1}
wissen wir sogar ganz genau, was $J$ ist, nämlich $S^{-1}I$.
Jetzt ist nur noch zu zeigen, dass das gefundene Ideal $J$ tatsächlich ein
Primideal ist. Seien also zwei Brüche $\frac{a}{b}$ und
$\frac{c}{d} S^{-1}R$ gegeben, sodass
Primideal ist. Seien also zwei Brüche $\frac{a}{b}$ und $\frac{c}{d}
S^{-1}R$ gegeben, sodass
\[
\frac{a}{b}·\frac{c}{d} = \frac{ac}{bd} ∈ J = S^{-1}I
\]
@@ -742,19 +740,19 @@ Im Kontext der Lokalisierung von Ringen stellt sich die Situation wie folgt dar.
\[
α ∈ I: ∃ β ∈ S: \frac{α}{β} = \frac{ac}{bd}.
\]
Das bedeutet per Definition von Lokalisierung: es existiert ein Element
$u ∈ S$ mit $(acβ - α bd)u = 0$. Es folgt also
Das bedeutet per Definition von Lokalisierung: Es existiert ein Element $u ∈
S$ mit $(acβ - α bd)u = 0$. Es folgt also
\[
ac\underbrace{β u}_{∈ S} = α·bdu ∈ I \text{ da } α ∈ I.
\]
Weil $I$ aber ein Primideal ist und $S ∩ I =$, folgt $ac ∈ I$. Also ist
$a ∈ I$ oder $c ∈ I$ und deshalb ist $\frac{a}{b} ∈ S^{-1}I$ oder
$\frac{c}{d} I$. Was zu zeigen war.
Weil $I$ aber ein Primideal ist und $S ∩ I =$, folgt $ac ∈ I$. Also ist $a
∈ I$ oder $c ∈ I$ und deshalb ist $\frac{a}{b} ∈ S^{-1}I$ oder $\frac{c}{d}
I$. Was zu zeigen war.
\end{proof}
\begin{kor}
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} (``Lokalisierung von
Ringen'') sei $R$ Noethersch. Dann ist auch $S^{-1}R$ Noethersch.
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} (Lokalisierung von Ringen“)
sei $R$ Noethersch. Dann ist auch $S^{-1}R$ Noethersch.
\end{kor}
\begin{proof}
Es sei $I_1 ⊂ I_2 ⊂ ⋯$ eine aufsteigende Kette von Idealen in $S^{-1}R$.
@@ -765,22 +763,22 @@ Im Kontext der Lokalisierung von Ringen stellt sich die Situation wie folgt dar.
Aussage~\ref{il:10-6-6-1} von Satz~\ref{satz:10-6-6} ist dann aber
\[
\underbrace{S^{-1} φ^{-1}(I_n)}_{= I_n} = \underbrace{S^{-1}
φ^{-1}(I_{n+1})}_{= I_{n+1}} =
φ^{-1}(I_{n+1})}_{= I_{n+1}} =.
\]
Also wird bereits die aufsteigende Kette $I_1 ⊂ I_2 ⊂ ⋯$ stationär.
\end{proof}
\begin{kor}[Lokalisierung von Primidealen liefert lokale Ringe]\label{kor:10-6-9}
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} (``Lokalisierung von
Ringen'') sei das multiplikative System $S$ von der Form $S = R p$, für ein
Primideal $p ⊂ R$. Dann gibt es in $S^{-1}R = R_p$ genau ein maximales Ideal,
nämlich $p·R_p = S^{-1}p$.
\begin{kor}[Lokalisierung von Primidealen liefert lokale Ringe]\label{kor:10-6-9}%
In der Situation von Konstruktion~\ref{kons:loc} (Lokalisierung von Ringen“)
sei das multiplikative System $S$ von der Form $S = R p$, für ein Primideal
$p ⊂ R$. Dann gibt es in $S^{-1}R = R_p$ genau ein maximales Ideal, nämlich
$p·R_p = S^{-1}p$.
\end{kor}
\begin{proof}
Sei $m ⊂ R_p$ ein maximales Ideal, dann ist $φ^{-1}(m) ⊂ R$ ein Primideal,
welches nach Korollar~\ref{kor:10-6-8} in $R S = R (R p) = p$ enthalten
ist. Also folgt aus der Maximalität bereits die Gleichung $φ^{-1}(m) = p$.
Mit anderen Worten: $m = p · R_p$.
welches nach Korollar~\ref{kor:10-6-8} in $RS = R(Rp) = p$ enthalten ist.
Also folgt aus der Maximalität bereits die Gleichung $φ^{-1}(m) = p$. Mit
anderen Worten: $m = p · R_p$.
\end{proof}
@@ -817,10 +815,9 @@ bekommen.
---
\begin{description}
\item[\ref{il:10-7-2-1} $⇒$ \ref{il:10-7-2-2}] Sei $R$ ein lokaler Ring und
$f ∈ R$ sei keine Einheit. Dann ist $(f) ≠ R$. Also ist $(f)$ in einem
(dem einen) maximalen Ideal enthalten und es ist $(f) ⊂ m$. Also ist
$f ∈ m$.
\item[\ref{il:10-7-2-1} $⇒$ \ref{il:10-7-2-2}] Sei $R$ ein lokaler Ring und $f
∈ R$ sei keine Einheit. Dann ist $(f) ≠ R$. Also ist $(f)$ in einem (dem
einen) maximalen Ideal enthalten und es ist $(f) ⊂ m$. Also ist $f ∈ m$.
\item[\ref{il:10-7-2-2} $⇒$ \ref{il:10-7-2-1}] Sei $I ⊊ R$ ein beliebiges
Ideal. Dann gilt für jedes Element $x ∈ I$, dass $x \not ∈ R^*$ (denn sonst
@@ -829,11 +826,11 @@ bekommen.
\end{description}
\end{proof}
Wir enden mit dem brühmten ``Lemma von Nakayama''. Dies ist ein Kriterium, mit
Wir enden mit dem berühmten Lemma von Nakayama. Dies ist ein Kriterium, mit
dem man später in geometrisch relevanten Situationen zeigen kann, dass ein
gegebener Modul über einem lokalen Ring verschwindet. Über das Lemma von
Nakayama lässt sich viel sagen und viel schreiben, aber ich werde mich kurz
fassen denn ich will so schnell wie möglich zurück zur Geometrie.
Nakayama lässt sich viel sagen und viel schreiben, aber ich werde mich
kurzfassen, denn ich will so schnell wie möglich zurück zur Geometrie.
\begin{lem}[Lemma von Nakayama]
Sei $R$ ein lokaler Ring mit maximalem Ideal $m$. Weiter sei $M$ ein endlich

101
11.tex
View File

@@ -8,28 +8,27 @@ Kapitel~\ref{chap:9} und die algebraischen Definitionen von
Kapitel~\ref{chap:10} zusammenbringen. Wir betrachten in diesem Kapitel die
folgende Situation.
\begin{situation}\label{sit:11-1}
\begin{situation}\label{sit:11-1}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $f ∈ k[x,y]$ eine
ebene algebraische Kurve. Weiter sei $p ∈ V(f)$ ein Punkt der Kurve.
\end{situation}
\begin{notation}
In Situation~\ref{sit:11-1} bezeichnen wir den affinen Koordinatenring der
Kurve mit $R$ und betrachten das zum Punkt $p$ gehörende maximale Ideal
$m ⊊ R$. Wie in der algebraischen Geometrie üblich, werden wir die
Lokalisierung $R_m$ mit $𝒪_p(f)$ notieren. Das (nach
Korollar~\ref{kor:10-6-9} eindeutige!) maximale Ideal in $𝒪_p(f)$ bezeichnen
wir mit $m_p$.
Kurve mit $R$ und betrachten das zum Punkt $p$ gehörende maximale Ideal $m ⊊
R$. Wie in der algebraischen Geometrie üblich, werden wir die Lokalisierung
$R_m$ mit $𝒪_p(f)$ notieren. Das (nach Korollar~\ref{kor:10-6-9}
eindeutige!) maximale Ideal in $𝒪_p(f)$ bezeichnen wir mit $m_p$.
\end{notation}
\section{Algebraische Beschreibung der Multiplizität}
Der folgende Satz stellt jetzt den Zusammenhang zwischen der geometrischen Größe
``Multiplizität'' und der Algebra von $𝒪_p(f)$ her. Der Satz sagt insbesondere,
Multiplizität und der Algebra von $𝒪_p(f)$ her. Der Satz sagt insbesondere,
dass man die Multiplizität am lokalen Ring ablesen kann.
\begin{satz}[Algebraische Beschreibung der Multiplizität]\label{satz:11-0-3}
\begin{satz}[Algebraische Beschreibung der Multiplizität]\label{satz:11-0-3}%
In Situation~\ref{sit:11-1} existiert eine Zahl $N ∈ $, sodass für alle
natürlichen Zahlen $n ≥ N$ die folgende Gleichheit gilt,
\begin{equation}\label{eq:11-0-3-1}
@@ -42,25 +41,25 @@ dass man die Multiplizität am lokalen Ring ablesen kann.
erklärungsbedürftig. Um zu verstehen, was die Gleichung eigentlich sagt,
beachte zuerst, dass wir eine Kette von Idealen des Ringes $𝒪_p(f)$ haben,
\[
m_p ⊃ m²_p ⊃ m³_p ⊃ m²_p ⊃ m⁴_p ⊃ ⋯
m_p ⊃ m²_p ⊃ m³_p ⊃ m²_p ⊃ m⁴_p ⊃ ⋯.
\]
In \eqref{eq:11-0-3-1} ist also $m^n_p$ ein Ideal von $𝒪_p(f)$ und
$m^{n+1}_p ⊆ m^n_p$ ist ein Unterideal. Jetzt sind Ideale in $𝒪_p(f)$
natürlich Spezialfälle von $𝒪_p(f)$-Moduln. Der Quotient
$\factor{m_p^n}{m_p^{n+1}}$ ist als Quotient von $𝒪_p(f)$-Moduln zu verstehen
und ist deshalb selbst ein $𝒪_p(f)$-Modul. Die Elemente von $k$ können wir
natürlich als Elemente des affinen Koordinatenringes sehen (``konstante
Polynome'') und daher auch als Elemente von $𝒪_p(f)$: Gegeben ein konstantes
Polynom $λ$, betrachte einfach den Bruch $\frac{λ}{1}$. Auf diese Weise
fassen wir den Körper $k$ in trivialer Weise als Unterring von $𝒪_p(f)$ auf.
Dann ist aber jeder $𝒪_p(f)$-Modul trivialerweise auch ein $k$-Modul, und es
sinnvoll, die Dimension dieses Vektorraumes zu diskutieren.
In \eqref{eq:11-0-3-1} ist also $m^n_p$ ein Ideal von $𝒪_p(f)$ und $m^{n+1}_p
⊆ m^n_p$ ist ein Unterideal. Jetzt sind Ideale in $𝒪_p(f)$ natürlich
Spezialfälle von $𝒪_p(f)$-Moduln. Der Quotient $\factor{m_p^n}{m_p^{n+1}}$
ist als Quotient von $𝒪_p(f)$-Moduln zu verstehen und ist deshalb selbst ein
$𝒪_p(f)$-Modul. Die Elemente von $k$ können wir natürlich als Elemente des
affinen Koordinatenringes sehen (konstante Polynome“) und daher auch als
Elemente von $𝒪_p(f)$: Gegeben ein konstantes Polynom $λ$, betrachte einfach
den Bruch $\frac{λ}{1}$. Auf diese Weise fassen wir den Körper $k$ in
trivialer Weise als Unterring von $𝒪_p(f)$ auf. Dann ist aber jeder
$𝒪_p(f)$-Modul trivialerweise auch ein $k$-Modul, und es sinnvoll, die
Dimension dieses Vektorraumes zu diskutieren.
\end{erkl}
\begin{bemerkung}
Satz~\ref{satz:11-0-3} macht präzise, was wir schon im Abschnitt~\ref{sec:11}
angedeutet hatten: Die Multipliziät von Punkten auf einer Kurve ist eine
Eigenschaft, die nur vom affinene Koordinatenring (und dessen maximalen
angedeutet hatten: Die Multiplizität von Punkten auf einer Kurve ist eine
Eigenschaft, die nur vom affinen Koordinatenring (und dessen maximalen
Idealen) abhängt. Es handelt sich also um eine intrinsische geometrische
Eigenschaft, die nicht davon abhängt, wie die Kurve in einen affinen Raum
eingebettet ist!
@@ -69,7 +68,7 @@ dass man die Multiplizität am lokalen Ring ablesen kann.
Wir beweisen Satz~\ref{satz:11-0-3} in Kürze. Das folgende vorbereitende Lemma
wird dabei helfen.
\begin{lem}\label{lem:11-1-4}
\begin{lem}\label{lem:11-1-4}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $I ⊂ k[x,y]$ ein
Ideal, sodass $V(I) = \{ 0 \}$ ist. Betrachte den Quotientenring und das
maximale Ideal des $0$-Punktes,
@@ -94,38 +93,39 @@ wird dabei helfen.
Es sei $R$ ein Ring, der keine Nullteiler enthält und gleichzeitig auch kein
Körper ist. Dann sind folgende Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
\item Der Ring $R$ ist ein lokaler Noetherscher Ring und das maximale Ideal
$m ⊂ R$ ist ein Hauptideal.
\item Der Ring $R$ ist ein lokaler Noetherscher Ring und das maximale Ideal $m
⊂ R$ ist ein Hauptideal.
\item\label{il:11-0-6-2} Es existiert ein Element $t ∈ R$, sodass jedes
$z ∈ R \{ 0 \}$ eine eindeutige Darstellung der Form $z = u · t^n$
besitzt, wobei $u ∈ R^*$ und $n ∈ $ ist.
\item\label{il:11-0-6-2} Es existiert ein Element $t ∈ R$, sodass jedes $z ∈ R
\{ 0 \}$ eine eindeutige Darstellung der Form $z = u · t^n$ besitzt, wobei
$u ∈ R^*$ und $n ∈ $ ist.
\end{enumerate}
Falls die Bedingungen erfüllt ist, so nenne $R$ einen \emph{diskreten
Bewertungsring}\index{diskreter Bewertungsring}. Elemente $t ∈ R$ wie in
Bewertungsring}\index{diskreter Bewertungsring}. Elemente $t ∈ R$ wie in
\ref{il:11-0-6-2} heißen \emph{uniformisierende
Parameter}\index{uniformisierender Parameter}.
Parameter}\index{uniformisierender Parameter}.
\end{satzdef}
\begin{proof}
\video{13-3}
\end{proof}
Der Begriff des ``uniformisierenden Parameters'' ist vielleicht einigermaßen
selbsterklärend, der Begriff des ``Bewertungsringes'' aber wahrscheinlich nicht.
Es gibt in der Algebra den Begriff der ``diskreten Bewertung eines Körpers''.
Der Begriff des uniformisierenden Parameters ist vielleicht einigermaßen
selbsterklärend, der Begriff des Bewertungsringes aber wahrscheinlich nicht.
Es gibt in der Algebra den Begriff der diskreten Bewertung eines Körpers.
\begin{defn}[Diskrete Bewertung eines Körpers]
Es sei $k$ ein Körper. Eine \emph{diskrete Bewertung}\index{diskrete
Bewertung} ist eine Abbildung $ν: K \{ 0 \}$, dass für alle
$x,y ∈ k \{ 0 \}$ folgendes gilt.
Bewertung} ist eine surjektive Abbildung $ν: K \{\}$, dass für alle $x,y ∈ k$ folgendes gilt.
\begin{itemize}
\item Es ist $ν(x) =$ genau dann, wenn $x = 0$.
\item Es ist $ν(x·y) = ν(x) + ν(y)$.
\item Es ist $ν(x + y)\min \bigl\{ ν(x), ν(y) \bigr\}$.
\end{itemize}
Dabei gelten die üblichen Rechenregeln $+=$ und $+ n =$ sowie $∞ ≥ n$ für alle $n ∈ $.
\end{defn}
\begin{bsp}[Null- und Polstellenordnung]\label{bsp:11-1-6}
\begin{bsp}[Null- und Polstellenordnung]\label{bsp:11-1-6}%
Wir betrachten den Körper $(x)$ der rationalen Funktionen in einer Variable
und wählen einen Punkt $p ∈ $. Dann definiere eine diskrete Bewertung des
Körpers $(x)$ wie folgt. Gegeben eine rationale Funktion $q(x)(x)$,
@@ -142,19 +142,19 @@ Es gibt in der Algebra den Begriff der ``diskreten Bewertung eines Körpers''.
\begin{bsp}[Die $p$-adische Bewertung von $$]
Es sei $p$ eine Primzahl. Die $p$-adische Bewertung $ν(n)$ einer ganzen Zahl
$n$ ist die größte Zahl $k$, sodass $n$ noch durch $p^k$ teilbar ist. Die
$p$-adische Bewertung gibt also an, wie oft die Primzahl $p$ in der
Primfaktorzerlegung von $n$ vorkommt. Die Bewertung $ν$ lässt sich auf den
Körper der rationalen Zahlen fortsetzen: gegeben ein Element
$q = \frac{a}{b}$, so definiere $ν(q) := ν(a)-ν(b)$. Man rechne nach,
dass dies tatsächlich eine diskrete Bewertung von $$ ist.
$n$ ist die größte Zahl $k$, sodass $n$ noch durch $p^k$ teilbar ist. Mit
anderen Worten: die $p$-adische Bewertung gibt also an, wie oft die Primzahl
$p$ in der Primfaktorzerlegung von $n$ vorkommt. Die Bewertung $ν$ lässt sich
auf den Körper der rationalen Zahlen fortsetzen: gegeben ein Element $q =
\frac{a}{b}$, so definiere $ν(q) := ν(a)-ν(b)$. Man rechne nach, dass
dies tatsächlich eine diskrete Bewertung von $$ ist.
\end{bsp}
\begin{bsp}[Diskrete Bewertungsringe]\label{bsp:11-1-8}
\begin{bsp}[Diskrete Bewertungsringe]\label{bsp:11-1-8}%
Wenn $R$ ein diskreter Bewertungsring mit uniformisierenden Parameter $t$ ist,
dann findet man eine diskrete Bewertung auf dem Quotientenkörper $Q(R)$ durch
\[
ν \left(\frac{a}{b}\right) = \text{ (Potenz mit der $t$ in $a$ auftaucht ) -
ν \left(\frac{a}{b}\right) = \text{ (Potenz mit der $t$ in $a$ auftaucht) -
(Potenz mit der $t$ in $b$ auftaucht)}.
\]
Die Elemente von $R ⊂ Q(R)$ sind dann exakt diejenigen Elemente, die eine
@@ -173,9 +173,8 @@ Es gibt in der Algebra den Begriff der ``diskreten Bewertung eines Körpers''.
für die Rolle des uniformisierenden Parameters geeignet.
\end{aufgabe}
\begin{satz}[Charakterisierung von einfachen Punkten]\label{satz:11-1-10}
In Situation~\ref{sit:11-1} sind die folgenden Aussagen
äquivalent.
\begin{satz}[Charakterisierung von einfachen Punkten]\label{satz:11-1-10}%
In Situation~\ref{sit:11-1} sind die folgenden Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
\item Der Ring $𝒪_p(f)$ ist ein diskreter Bewertungsring.
@@ -189,10 +188,10 @@ Es gibt in der Algebra den Begriff der ``diskreten Bewertung eines Körpers''.
\begin{bemerkung}
Wenn man ein wenig aufpasst, zeigt der Beweis von Satz~\ref{satz:11-1-10} noch
etwas mehr: Sei $ ∈ k[x,y]$ ist eine Gerade\footnote{also Polynom von Grad
1}, die den Punkt $p$ enthält. Wenn $$ in $p$ \emph{keine}
Tangentialgerade an $V(f)$ ist, dann ist das Bild von $$ im lokalen Ring
$𝒪_p(f)$ ein uniformisierender Parameter.
etwas mehr: Sei $ ∈ k[x,y]$ eine Gerade\footnote{= Polynom von Grad 1}, die
den Punkt $p$ enthält. Wenn $$ in $p$ \emph{keine} Tangentialgerade an
$V(f)$ ist, dann ist das Bild von $$ im lokalen Ring $𝒪_p(f)$ ein
uniformisierender Parameter.
\end{bemerkung}
Tabelle~\ref{tab:11-1} fasst die Ergebnisse dieses Kapitels zusammen.

208
12.tex
View File

@@ -27,23 +27,24 @@ zu Primidealen, das legt die folgende Definition nahe.
\begin{defn}[Krullsche Dimension eines Ringes]
Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins. Die \emph{Krullsche
Dimension}\index{Krullsche Dimension!eines
Ringes}\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Wolfgang_Krull}{Wolfgang
Krull} (* 26. August 1899 in Baden-Baden; † 12. April 1971 in Bonn) war
ein deutscher Mathematiker. Sein Schwerpunkt war die kommutative Algebra.
Krull studierte zunächst ab 1919 in Freiburg im Breisgau, später auch in
Rostock und Göttingen. Nicht zu verwechseln mit Felix Krull, dem
Hochstapler.} von $R$ ist das Maximum aller Längen von Ketten von
Primidealen,
Dimension}\index{Krullsche Dimension!eines
Ringes}\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Wolfgang_Krull}{Wolfgang
Krull} (* 26. August 1899 in Baden-Baden; † 12. April 1971 in Bonn) war ein
deutscher Mathematiker. Sein Schwerpunkt war die kommutative Algebra. Krull
studierte zunächst ab 1919 in Freiburg im Breisgau, später auch in Rostock und
Göttingen. Nicht zu verwechseln mit Felix Krull, dem Hochstapler.} von $R$
ist das Supremum aller Längen von Ketten von Primidealen,
\[
P_0 ⊊ P_1 ⊊ P_2 ⊊ … ⊊ P_n.
\]
Die Länge einer Primidealkette ist dabei die Anzahl der echten Inklusionen,
die in ihr vorkommen.
\end{defn}
\begin{defn}[Krullsche Dimension einer Varietät]
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und $X ⊂ 𝔸^n_k$ sei
eine Untervarietät. Die Krullsche Dimension des affinen Koordinatenringes
$k[X]$ wird auch als Krullsche Dimension der Varietät $X$ bezeichnet.
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und $X ⊂ 𝔸^n_k$ sei eine
Untervarietät. Die Krullsche Dimension des affinen Koordinatenringes $k[X]$
wird auch als Krullsche Dimension der Varietät $X$ bezeichnet.
\end{defn}
\begin{bemerkung}
@@ -54,11 +55,11 @@ zu Primidealen, das legt die folgende Definition nahe.
\begin{bsp}[Der Punkt]
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Der affine Koordinatenring
des Punktes $𝔸⁰_k$ ist der Körper $k$. Dieser also nur das echte Ideal
des Punktes $𝔸⁰_k$ ist der Körper $k$. Dieser hat also nur das echte Ideal
$(0)$ und somit die Dimension 0.
\end{bsp}
\begin{bsp}[Der Zahlenstrahl]\label{bsp:12-1-5}
\begin{bsp}[Der Zahlenstrahl]\label{bsp:12-1-5}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Der affine Koordinatenring
des Punktes $𝔸¹_k$ ist der Polynomring $k[x]$, und das ist ein
Hauptidealring. Die Primideale sind von der Form $(f)$, wobei $f ∈ k[x]$
@@ -73,20 +74,20 @@ zu Primidealen, das legt die folgende Definition nahe.
Der Ring $$ ist ebenfalls ein Hauptidealring. Wie oben ist $\dim = 1$.
\end{bsp}
\begin{bsp}[Der affine Raum]\label{bsp:12-1-6}
\begin{bsp}[Der affine Raum]\label{bsp:12-1-6}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Der affine Koordinatenring
des affinen Raumes $𝔸^n_k$ ist der Polynomring $k[x_1, …, x_n]$. Die Kette
\[
(0)(x_1)(x_1, x_2) ⊊ ⋯ ⊊
(x_1, …, x_n) ⊊ k[x_1, …, x_n].
(x_1, …, x_n) ⊊ k[x_1, …, x_n]
\]
ist eine Kette von Primidealen, also ist
$\dim 𝔸^n_k = \dim k[x_1, …, x_n] n$.
ist eine Kette von Primidealen, also ist $\dim 𝔸^n_k = \dim k[x_1, …, x_n]
n$.
\end{bsp}
Vielleicht empfinden Sie das Beispiel~\ref{bsp:12-1-6} als … ein wenig
unbefriedigend. Natürlich ist die Dimension von $𝔸^n_k$ gleich $n$, aber das
nicht nicht völlig trivial zu zeigen. Bis wir soweit sind, ist noch etwas
ist nicht völlig trivial zu zeigen. Bis wir so weit sind, ist noch etwas
Vorarbeit zu leisten.
@@ -97,9 +98,9 @@ geometrische Anschauung erklärt. Ich selbst kann mir ohne geometrische
Anschauung überhaupt nichts merken und diskutiere deshalb lieber erst einmal ein
geometrisches Beispiel.
\begin{bsp}[Die Dimension der Knotenkurve, Teil 1]\label{bsp:12-2-1}
Schauen Sie sich noch einmal Abbildung~\vref{fig:tc} an, wo die Knotenkurve
$C = \{+-\}$ dargestellt ist. Natürlich sollte die Dimension der
\begin{bsp}[Die Dimension der Knotenkurve, Teil 1]\label{bsp:12-2-1}%
Schauen Sie sich noch einmal Abbildung~\vref{fig:tc} an, wo die Knotenkurve $C
= \{+-\}$ dargestellt ist. Natürlich sollte die Dimension der
Knotenkurve gleich eins sein. Um das zu beweisen, möchte ich den affinen
Koordinatenring $B := k[C]$ (dessen Dimension ich ja wissen will) als
Erweiterung des affinen Koordinatenringes $A := k[x]$ verstehen --- der Ring
@@ -118,64 +119,61 @@ geometrisches Beispiel.
In diesem Abschnitt werden wir zeigen, dass sich die Dimension von Ringen bei
ganzen Ringerweiterungen nicht ändert.
\begin{satz}[Dimension ist invariant unter ganzen Ringerweiterungen]\label{satz:12-2-2}
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Dann ist
$\dim A = \dim B$.
\begin{satz}[Dimension ist invariant unter ganzen Ringerweiterungen]\label{satz:12-2-2}%
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Dann ist $\dim A
= \dim B$.
\end{satz}
Dazu müssen wir ganze Ringerweiterungen
$A ⊂ B$ betrachten und uns überlegen, wie sich die Primideale in $A$ und
die Primideale in $B$ zueinander verhalten.
Um den Satz zu beweisen, müssen wir ganze Ringerweiterungen $A ⊂ B$ betrachten
und uns überlegen, wie sich die Primideale in $A$ und die Primideale in $B$
zueinander verhalten.
\begin{notation}[Übereinander liegende Ideale]
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Ringerweiterung und es seien $q ⊂ B$ und $p ⊂ A$
Ideale. Falls die Gleichheit $p = q ∩ A$ gilt, so sagt man, \emph{$q$ liegt
über $p$}.
über $p$}.
\end{notation}
Das Beispiel mit der Knotenkurve erklärt, woher der eigentümliche Begriff
``übereinander liegen'' kommt.
übereinander liegen kommt.
\begin{bsp}[Die Dimension der Knotenkurve, Teil 2]
In Beispiel~\ref{bsp:12-2-1} sei $v = (v_x, v_y)$ ein Punkt der Kurve $C$, mit
zugehörendem maximalen Ideal $q ⊂ B$. Dann ist das Ideal
$p := q ∩ A$ wieder ein maximales Ideal, nämlich $p = (x-v_x) ⊂ A$.
Dies ist das maximale Ideal des Punktes $π(v)$.
zugehörendem maximalen Ideal $q ⊂ B$. Dann ist das Ideal $p := q ∩ A$ wieder
ein maximales Ideal, nämlich $p = (x-v_x) ⊂ A$. Dies ist das maximale Ideal
des Punktes $π(v)$.
\end{bsp}
Der erste Satz von
Cohen\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Irvin_Cohen}{Irvin Sol Cohen}
(* 1917; † 14. Februar 1955) war ein US-amerikanischer
Mathematiker. }-Seidenberg\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Abraham_Seidenberg}{Abraham
Seidenberg} (* 2. Juni 1916 in Washington, D.C.; † 3. Mai 1988 in Mailand)
war ein US-amerikanischer Mathematiker.} betrachtet eine ganze Ringerweiterung
$A ⊂ B$ und vergleicht die Dimensionen, indem man zu jeder Kette von
Primidealen $p_{}A$ eine Kette von Primidealen
$q_{} ⊂ B$ konstruiert, wobei die $q_{}$ jeweils über den
$p_{}$ liegen. Der Satz, der als ``Going up'' bekannt ist, impliziert dann
sehr schnell, dass die Dimensionen von $A$ und $B$ übereinstimmen.
(* 1917; † 14.~Februar 1955) war ein US-amerikanischer
Mathematiker.}-Seidenberg\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Abraham_Seidenberg}{Abraham
Seidenberg} (* 2.~Juni 1916 in Washington, D.C.; † 3.~Mai 1988 in Mailand) war
ein US-amerikanischer Mathematiker.} betrachtet eine ganze Ringerweiterung $A ⊂
B$ und vergleicht die Dimensionen, indem man zu jeder Kette von Primidealen $p_
⊂ A$ eine Kette von Primidealen $q_B$ konstruiert, wobei die $q_$ jeweils
über den $p_$ liegen. Der Satz, der als „Going up“ bekannt ist, impliziert
dann sehr schnell, dass die Dimensionen von $A$ und $B$ übereinstimmen.
\subsection{Beweis des Satzes ``Going up''}
\subsection{Beweis des Satzes Going up}
Der Beweis des Satzes ``Going up'' ist nicht kompliziert, aber ein wenig mühsam.
Der Beweis des Satzes Going up ist nicht kompliziert, aber ein wenig mühsam.
Um den Beweis lesbarer zu machen, habe ich ihn in eine Reihe relativ
unabhängiger Aussagen eingeteilt, die einzeln bewiesen werden.
\begin{satz}\label{satz:12-2-5}
\begin{satz}\label{satz:12-2-5}%
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Ringerweiterung. Dann gilt Folgendes.
\begin{enumerate}
\item\label{il:12-2-4-1} Es sei $q ⊂ B$ und $p ⊂ A$ Ideal, wobei
$q$ über $p$ liegt. Nach dem Isomorphiesatz gibt es eine kanonische
Einbettung
\item\label{il:12-2-4-1} Es seien $q ⊂ B$ und $p ⊂ A$ Ideale, wobei $q$ über
$p$ liegt. Nach dem Isomorphiesatz gibt es eine kanonische Einbettung
\[
\factor{A}{p} \rightarrow \factor{B}{q}.
\]
Dies ist wieder eine ganze Ringerweiterung.
\item\label{il:12-2-4-2} Falls $S ⊂ A$ ein multiplikatives System ist, dann ist
$S^{-1}A \rightarrow S^{-1}B$ eine ganze Ringerweiterung.
\item\label{il:12-2-4-2} Falls $S ⊂ A$ ein multiplikatives System ist, dann
ist $S^{-1}A \rightarrow S^{-1}B$ eine ganze Ringerweiterung.
\end{enumerate}
\end{satz}
\begin{proof}
@@ -183,16 +181,16 @@ unabhängiger Aussagen eingeteilt, die einzeln bewiesen werden.
\end{proof}
\begin{notation}[Schlechte Notation]
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Ringerweiterung, es sei $p ⊂ A$ ein
Primideal und es sei $S := A p$. In der Literatur wird die
Abbildung $S^{-1}A \rightarrow S^{-1}B$ häufig auch als $A_p \rightarrow B_p$
notiert, obwohl $p$ im Allgemeinen kein Primideal in $B$ ist.
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Ringerweiterung, es sei $p ⊂ A$ ein Primideal und es
sei $S := Ap$. In der Literatur wird die Abbildung $S^{-1}A \rightarrow
S^{-1}B$ häufig auch als $A_p \rightarrow B_p$ notiert, obwohl $p$ im
Allgemeinen kein Primideal in $B$ ist.
\end{notation}
\begin{beobachtung}
Es seien $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter
seien Primideale $q ⊂ B$ und $p ⊂ A$ gegeben, wobei $q$ über $p$
liegt. Dann gelten folgende Äquivalenzen.
Es seien $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter seien
Primideale $q ⊂ B$ und $p ⊂ A$ gegeben, wobei $q$ über $p$ liegt. Dann gelten
folgende Äquivalenzen.
\begin{align*}
\text{Das Ideal $q$ ist maximal.} & ⇔ B/q \text{ ist ein Körper} \\
& ⇔ A/p \text{ ist ein Körper} & \text{\ref{il:12-2-4-1} und Blatt 2, Aufgabe 3} \\
@@ -200,22 +198,21 @@ unabhängiger Aussagen eingeteilt, die einzeln bewiesen werden.
\end{align*}
\end{beobachtung}
\begin{satz}[Existenz von Primidealen über einem vorgegebenen Ideal]\label{satz:12-2-8}
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter sei
$p ⊂ A$ ein Primideal. Dann existiert ein Primideal $q ⊂ B$
über $A$.
\begin{satz}[Existenz von Primidealen über einem vorgegebenen Ideal]\label{satz:12-2-8}%
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter sei $p ⊂
A$ ein Primideal. Dann existiert ein Primideal $q ⊂ B$ über $A$.
\end{satz}
\begin{proof}
\video{14-2}
\end{proof}
\begin{satz}[Primideale über gegebenen Ideal sind nicht ineinander enthalten]
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter sei
$p ⊂ A$ Primideal und es seien $q_1 ⊂ q_2 ⊂ B$ Primideale
über $p$. Dann ist $q_1 = q_2$.
\begin{satz}[Primideale über gegebenen Ideal sind nicht ineinander enthalten]\label{satz:12-2-9}
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter sei $p ⊂
A$ Primideal und es seien $q_1 ⊂ q_2 ⊂ B$ Primideale über $p$. Dann ist $q_1
= q_2$.
\end{satz}
\begin{proof}
Betrachte die Lokalisierung $A_p \rightarrow B_p$, dann gilt Folgendes,
Betrachte die Lokalisierung $A_p B_p$. Dann gilt Folgendes,
\begin{itemize}
\item $p·A_p$ ist eindeutiges maximales Ideal in $A_p$,
@@ -229,7 +226,7 @@ Da $q_1·B_p$ und $q_2·B_p$ über $p·A_p$ liegen, sind sie maximal. Deshalb s
die Ideale gleich. Daraus folgt, dass $q_1 = q_2$ ist.
\end{proof}
\begin{satz}[Going up]\label{satz:goingUp}
\begin{satz}[Going up]\label{satz:goingUp}%
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter seien
$p_1 ⊊ p_2 ⊂ A$ Primideale in $A$ und es sei $q_1 ⊂ B$ ein Primideal über
$p_1$. Dann gibt es ein Primideal $q_2 ⊂ B$ über $p_2$ welches $q_1$ enthält.
@@ -241,7 +238,7 @@ die Ideale gleich. Daraus folgt, dass $q_1 = q_2$ ist.
\subsection{Anwendungen und geometrische Konsequenzen}
Zurück zum eigentlichen Ziel: mithilfe des Satzes ``Going up'' können wir jetzt
Zurück zum eigentlichen Ziel: mithilfe des Satzes Going up können wir jetzt
sehr schnell den Satz~\ref{satz:12-2-2} über die Invarianz der Dimension unter
ganzen Ringerweiterungen beweisen.
@@ -249,39 +246,38 @@ ganzen Ringerweiterungen beweisen.
\video{14-4}
\end{proof}
\begin{beobachtung}[Ganze Ringerweiterungen gehören zu surjektiven Morphismen]\label{beo:12-2-11}
\begin{beobachtung}[Ganze Ringerweiterungen gehören zu surjektiven Morphismen]\label{beo:12-2-11}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $f : X → Y$ ein
Morphismus von algebraischen Varietäten über $k$, sodass die Bildmenge $f(X)$
dicht in $Y$ liegt. In Proposition~\vref{prop:7-3-4} hatten wir gesehen, dass
die zugeordnete Abbildung zwischen den Koordinatenringen,
$f^* : k[Y] → k[X]$, dann injektiv ist. Wir können $k[Y]$ also als
Unterring von $k[X]$ auffassen. Was bedeutet es, wenn wir annehmen, dass
diese Ringerweiterung ganz ist? Wir können diese Frage nicht vollständig
beantworten, aber eines ist klar: gegeben ein Punkt $y ∈ Y$, also ein
maximales Ideal $m_y ⊂ k[Y]$, dann existiert nach Satz~\ref{satz:12-2-8}
ein Primideal $p ⊂ k[X]$ über $m_Y$. Inbesonders gibt es ein maximales
Ideal $m_x ⊂ k[X]$ über $m_Y$. Überlegen Sie sich, was das geometrisch
bedeutet: es gibt einen Punkt $x ∈ X$, der auf $y ∈ Y$ abgebildet wird.
Die Abbildung $f$ muss also surjektiv sein!
die zugeordnete Abbildung zwischen den Koordinatenringen, $f^* : k[Y] → k[X]$,
dann injektiv ist. Wir können $k[Y]$ also als Unterring von $k[X]$ auffassen.
Was bedeutet es, wenn wir annehmen, dass diese Ringerweiterung ganz ist? Wir
können diese Frage nicht vollständig beantworten, aber eines ist klar: gegeben
ein Punkt $y ∈ Y$, also ein maximales Ideal $m_y ⊂ k[Y]$, dann existiert nach
Satz~\ref{satz:12-2-8} ein Primideal $p ⊂ k[X]$ über $m_Y$. Insbesondere gibt
es ein maximales Ideal $m_x ⊂ k[X]$ über $m_Y$. Überlegen Sie sich, was das
geometrisch bedeutet: Es gibt einen Punkt $x ∈ X$, der auf $y ∈ Y$ abgebildet
wird. Die Abbildung $f$ muss also surjektiv sein!
\end{beobachtung}
\begin{fakt}
Es sei $f : X → Y$ ein Morphismus von algebraischen Varietäten über $$,
sodass die Bildmenge $f(X)$ dicht in $Y$ liegt. Dann gilt: die Abbildung
$f^* : k[Y] → k[X]$ ist genau dann eine ganze Ringerweiterung, wenn $f$
surjektiv ist, alle Fasern endlich sind und $f$ eigentlich ist. Erinnern Sie
sich, was das Wort ``eigentlich'' in der Topologie bedeutet: Urbilder
kompakter Mengen sind wieder kompakt.
sodass die Bildmenge $f(X)$ dicht in $Y$ liegt. Dann gilt: Die Abbildung $f^*
: k[Y] → k[X]$ ist genau dann eine ganze Ringerweiterung, wenn $f$ surjektiv
ist, alle Fasern endlich sind und $f$ bezüglich der Euklidischen Topologie
eigentlich ist. Erinnern Sie sich, was das Wort eigentlich in der Topologie
bedeutet: Urbilder kompakter Mengen sind wieder kompakt.
\end{fakt}
\section{Going down}
\sideremark{Vorlesung 15}Die Umkehrung von Satz~\ref{satz:goingUp} (``Going
up'') ist im Allgemeinen falsch, aber mit Zusatzannahmen richtig. Das
Zauberwort heißt ``Normalität''.
\sideremark{Vorlesung 15}Die Umkehrung von Satz~\ref{satz:goingUp} (Going up“)
ist im Allgemeinen falsch, aber mit Zusatzannahmen richtig. Das Zauberwort
heißt Normalität.
\begin{defn}\label{def:12-3-1}
\begin{defn}\label{def:12-3-1}%
Ein Integritätsring $A$ heißt \emph{normal}\index{normaler Ring}, wenn $A$
ganz abgeschlossen im Quotientenkörper $Q(A)$ liegt. Mit anderen Worten: $A$
ist normal, wenn die folgende Gleichheit gilt:
@@ -291,28 +287,28 @@ Zauberwort heißt ``Normalität''.
\]
\end{defn}
\begin{satz}[Going down]\label{satz:goingDown}
\begin{satz}[Going down]\label{satz:goingDown}%
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter seien
Primideale $p_1 ⊂ p_2 ⊂ A$ und $q_2 ⊂ B$ gegeben, wobei $q_2$ über $p_2$
liegt. Falls $A$ normal ist, dann gibt es ein Primideal $q_1 ⊂ q_2 ⊂ B$ mit
$q_1 ∩ A = p_1$. \qed
\end{satz}
Anwendungen des Satzes ``Going down'' kommen in den Übungen. Obwohl der Beweis
nicht kompliziert ist, möchte ich den Satz ``Going down'' in dieser Vorlesung
Anwendungen des Satzes Going down kommen in den Übungen. Obwohl der Beweis
nicht kompliziert ist, möchte ich den Satz Going down in dieser Vorlesung
nicht vertiefen und auch nicht beweisen.
\subsection{Normale Ringe}
Stattdessen interessiere ich mich für den Begriff des ``normalen Ringes''. Zum
einen ist der Satz ``Going down'' natürlich nur dann interessant, wenn wir in
Stattdessen interessiere ich mich für den Begriff des normalen Ringes. Zum
einen ist der Satz Going down natürlich nur dann interessant, wenn wir in
relevante Situationen die Normalität tatsächlich entscheiden können. Zum
anderen ist Normalität eine ausgesprochen interessante Eigenschaft, auch wenn
ich die geometrischen Konsequenzen in dieser Vorlesung nicht wirklich
diskutieren kann.
\begin{satz}[Normalität ist lokal]\label{satz:12-3-3}
\begin{satz}[Normalität ist lokal]\label{satz:12-3-3}%
Es sei $A$ ein Integritätsring. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
\item\label{12-3-3-1} Der Ring $A$ ist normal.
@@ -326,7 +322,7 @@ diskutieren kann.
Der Beweis folgt nach einem kurzen Lemma.
\begin{lem}[Lokalisierung und ganzer Abschluss]\label{lem:12-3-4}
\begin{lem}[Lokalisierung und ganzer Abschluss]\label{lem:12-3-4}%
Es $A ⊂ B$ eine Erweiterung von Integritätsringen und es sei $C ⊂ B$ der ganze
Abschluss von $A$ in $B$. Gegeben ein multiplikatives System $S ⊂ A$, dann
ist $S^{-1}C$ der ganze Abschluss von $S^{-1}A$ in $S^{-1}B$.
@@ -343,16 +339,16 @@ Der Beweis folgt nach einem kurzen Lemma.
\frac{a_{n-1}}{s_{n-1}}·\Bigl(\frac{b}{s}\Bigr)^{n-1} + ⋯ +
\frac{a_0}{s_0} = 0,
\end{equation}
wobei die Elemente $\frac{a_i}{s_i} ∈ S^{-1}A$ sind. Setze
$t := s_0 s_{n-1} ∈ S$, multipliziere die Gleichung~\eqref{eq:12-3-4-0} mit
dem Element $s·t ∈ S$ und erhalte
wobei die Elemente $\frac{a_i}{s_i} ∈ S^{-1}A$ sind. Setze $t := s_0
s_{n-1} ∈ S$, multipliziere die Gleichung~\eqref{eq:12-3-4-0} mit dem Element
$s^n·t^n ∈ S$ und erhalte
\[
\Bigl(b·t \Bigr)^n + a_{n-1}\frac{st}{s_1} \Bigl(b·t \Bigr)^{n-1} ++
a_0 \frac{s^n t^n}{s_0} = 0.
\Bigl(b·t \Bigr)^n + a_{n-1}\frac{s·t}{s_1} \Bigl(b·t \Bigr)^{n-1} ++
a_0 \frac{s^n·t^n}{s_0} = 0.
\]
Dies ist eine Ganzheitsgleichung für das Element $b·t ∈ B$ über $A$. Also ist
$b·t ∈ C$ und es folgt die gewünschte Aussage
$\frac{b}{s} = \frac{bt}{st} S^{-1}C$.
$b·t ∈ C$ und es folgt die gewünschte Aussage $\frac{b}{s} = \frac{bt}{st}
S^{-1}C$.
\end{proof}
\begin{proof}[Beweis von Satz~\ref{satz:12-3-3}]
@@ -370,8 +366,8 @@ Der Beweis folgt nach einem kurzen Lemma.
A_p\text{ ist normal} \iff i_p : A_p → C_p \text{ ist surjektiv.}
\]
Da Surjektivität nach Korollar~\ref{kor:10-5-3} eine lokale Eigenschaft ist,
folgt die Äquivalenz von \ref{12-3-3-1} und \ref{12-3-3-2}. Der Beweis
für maximale Ideal folgt natürlich analog.
folgt die Äquivalenz von \ref{12-3-3-1} und \ref{12-3-3-2}. Der Beweis für
maximale Ideal folgt natürlich analog.
\end{proof}
\begin{satz}
@@ -382,8 +378,8 @@ Der Beweis folgt nach einem kurzen Lemma.
zeigen, dass $x ∈ A$ ist. Weil $A$ faktoriell ist, finden wir eine
Darstellung von $x$ als Bruch der Form $x = \frac{p}{q}$, wobei entweder $q$
eine Einheit ist oder $p$ und $q$ teilerfremd sind. Per Annahme erfüllt $x$
eine Ganzheitsgleichung über $A$. Es gibt also $a_i ∈ A$, sodass in $Q(A)$ die
Gleichung
eine Ganzheitsgleichung über $A$. Es gibt also $a_i ∈ A$, sodass in $Q(A)$
die Gleichung
\begin{equation}\label{eq:12-3-5-1}
\Bigl( \frac{p}{q} \Bigr)^n + a_{n-1}·\Bigl( \frac{p}{q} \Bigr)^{n-1} +
⋯ + a_0 = 0

183
13.tex
View File

@@ -9,10 +9,10 @@ nach der Dimension eines beliebigen Ringes auf die Frage nach der Dimension
eines Polynomrings zurückzuführen. Die Formulierung des Satzes über die
Noether-Normalisierung ist aber zunächst einmal recht technisch.
\begin{satz}[Noether-Normalisierung]\label{satz:13-0-1}
\begin{satz}[Noether-Normalisierung]\label{satz:13-0-1}%
Es sei $k$ ein Körper und es sei $A$ eine endlich erzeugte $k$-Algebra.
Weiter sei $I ⊂ A$ ein Ideal. Dann gibt es Zahlen $α ≤ d$ und Elemente
$y_1, …, y_d ∈ A$, sodass Folgendes gilt.
Weiter sei $I ⊂ A$ ein Ideal. Dann gibt es Zahlen $α ≤ d$ und Elemente $y_1,
…, y_d ∈ A$, sodass Folgendes gilt.
\begin{enumerate}
\item\label{il:13-0-1-1} Die Menge $\{y_1, …, y_d \}$ ist algebraisch
unabhängig über $k$.
@@ -40,12 +40,12 @@ viel einfacheren Polynomring.
Es sei $k$ ein Körper und es sei $A$ eine endlich erzeugte $k$-Algebra. Es
sei $k$ ein Körper und es sei $A$ eine endlich erzeugte $k$-Algebra. Eine
endliche Menge $\{ y_1, …, y_d \} ⊂ A$ wird \emph{Noether-Normalisierung von
$A$}\index{Noether-Normalisierung} genannt, wenn Eigenschaften
$A$}\index{Noether-Normalisierung} genannt, wenn Eigenschaften
\ref{il:13-0-1-1} und \ref{il:13-0-1-2} gelten.
\end{defn}
\begin{bemerkung}
Satz~\ref{satz:13-0-1} über die Noether-Normalisierung] funktioniert mit
Satz~\ref{satz:13-0-1} über die Noether-Normalisierung funktioniert mit
endlich erzeugten Algebren über Körpern. Die Frage, ob der Satz auch über $$
funktioniert, ist Gegenstand von Forschung.
\end{bemerkung}
@@ -54,22 +54,23 @@ viel einfacheren Polynomring.
\section{Geometrische Interpretation}
\label{sec:13-1}
Das Wörterbuch ``Algebra und Geometrie'' erklärt, was der Satz über die
Noether-Normalisierung geometrisch bedeutet. Dazu betrachten wir den Fall, dass
$k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und $A := k[X]$ der affine
Koordinatenring einer algebraischen $k$-Varietät $X$ ist. Weiter sei $Z ⊂ X$
eine Untervarietät mit zugehörendem Ideal $I ⊂ A$. In dieser Situation liefert
Satz~\ref{satz:13-0-1} Elemente $y_1, …, y_d ⊂ A$. Der Ring $k[y_1, …, y_d]$
ist ein reduzierter Unterring des reduzierten Ringes $k[X]$, gehört also nach
Beobachtung~\vref{beob:7-3-9} zu einer affinen algebraischen Varietät $Y$. Die
Inklusionsabbildung $k[y_1, …, y_d] → k[X]$ gehört nach Satz~\vref{satz:7-3-3}
zu einem Morphismus $π : X → Y$ von affinen Varietäten. Die Inklusionsabbildung
ist injektiv, also wissen wir nach Proposition~\vref{prop:7-3-4}, dass das Bild
von $π$ eine Zariski-dichte Teilmenge von $Y$ ist. Der Satz über die
Noether-Normalisierung beschreibt die Abbildung $π$ ziemlich detailliert.
Das Wörterbuch Algebra und Geometrie erklärt, was der Satz über die
Noether-Normal\-isier\-ung geometrisch bedeutet. Dazu betrachten wir den Fall,
dass $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und $A := k[X]$ der affine
Koordinatenring einer irreduziblen algebraischen $k$-Varietät $X$ ist. Weiter
sei $Z ⊂ X$ eine Untervarietät mit zugehörendem Ideal $I ⊂ A$. In dieser
Situation liefert Satz~\ref{satz:13-0-1} Elemente $y_1, …, y_d ⊂ A$. Der Ring
$k[y_1, …, y_d]$ ist ein reduzierter Unterring des reduzierten Ringes $k[X]$,
gehört also nach Beobachtung~\vref{beob:7-3-9} zu einer affinen algebraischen
Varietät $Y$. Die Inklusionsabbildung $k[y_1, …, y_d] → k[X]$ gehört nach
Satz~\vref{satz:7-3-3} zu einem Morphismus $π : X → Y$ von affinen Varietäten.
Die Inklusionsabbildung ist injektiv, also wissen wir nach
Proposition~\vref{prop:7-3-4}, dass das Bild von $π$ eine Zariski-dichte
Teilmenge von $Y$ ist. Der Satz über die Noether-Normalisierung beschreibt die
Abbildung $π$ ziemlich detailliert.
\begin{itemize}
\item Nach Aussage~\ref{il:13-0-1-1} Die Menge $\{y_1, …, y_d \}$ ist
\item Nach Aussage~\ref{il:13-0-1-1} ist die Menge $\{y_1, …, y_d \}$
algebraisch unabhängig. Der Ring $k[y_1, …, y_d]$ ist deshalb isomorph zum
Polynomring $k[x_1, …, x_d]$. Die Varietät $Y$ ist also isomorph zum affinen
Raum $𝔸^d_k$. Das Ideal $(y_{α+1}, …, y_d)$ ist dann das Ideal des linearen
@@ -78,11 +79,11 @@ Noether-Normalisierung beschreibt die Abbildung $π$ ziemlich detailliert.
V := \{ y_{α + 1} == y_d = 0 \}𝔸^d_k.
\]
\item Nach Aussage~\ref{il:13-0-1-2} ist die Ringerweiterung
$k[y_1, …, y_d] A$ ganz. Wir hatten schon in Beobachtung~\vref{beo:12-2-11}
gesehen, dass die Abbildung $π: X → 𝔸^d_k$ dann surjektiv ist. Außerdem
wissen wir nach Satz~\vref{satz:12-2-2}, dass $\dim X = \dim 𝔸^d_k$ ist ---
aber leider kennen wir $\dim 𝔸^d_k$ nur im Fall wo $d = 0$ oder $d = 1$ ist.
\item Nach Aussage~\ref{il:13-0-1-2} ist die Ringerweiterung $k[y_1, …, y_d]
A$ ganz. Wir hatten schon in Beobachtung~\vref{beo:12-2-11} gesehen, dass die
Abbildung $π: X → 𝔸^d_k$ dann surjektiv ist. Außerdem wissen wir nach
Satz~\vref{satz:12-2-2}, dass $\dim X = \dim 𝔸^d_k$ ist --- aber leider
kennen wir $\dim 𝔸^d_k$ nur im Fall wo $d = 0$ oder $d = 1$ ist.
\item Überlegen Sie sich selbst: Aussage~\ref{il:13-0-1-3} bedeutet, dass der
Zariski-Abschluss der Bildmenge $π(Z)$ gerade die lineare Ebene $V$ ist.
@@ -98,13 +99,13 @@ Ganz ähnlich diskutieren wir jetzt die Zusatzaussage.
k[x_1, …, x_n] → k[X], \quad f(x_1, …, x_n) ↦ f(e_1, …, e_n)
\]
surjektiv. Nach Proposition~\vref{prop:7-3-5} gehört zu dieser Ringabbildung
eine injektive Abbildung $ι : X → 𝔸^n_k$, wir können $X$ also als algebraische
Teilmenge von $𝔸^n_k$ auffassen.
eine injektive Abbildung $ι : X → 𝔸^n_k$, wir können $X$ also als
algebraische Teilmenge von $𝔸^n_k$ auffassen.
\item Die Aussage ``die $y_$ sind Linearkombinationen der $e_$'' beschreibt
$π$ als lineare Projektion. Genauer: die Aussage bedeutet, dass es eine
lineare Abbildung $p : 𝔸^n_k → 𝔸^d_k$ gibt, sodass $π$ gleich der
Einschränkung $p|_X$ ist. Da $π$ surjektiv war, muss auch $p$ surjektiv sein.
\item Die Aussage die $y_$ sind Linearkombinationen der $e_$ beschreibt $π$
als lineare Projektion. Genauer: die Aussage bedeutet, dass es eine lineare
Abbildung $p : 𝔸^n_k → 𝔸^d_k$ gibt, sodass $π$ gleich der Einschränkung
$p|_X$ ist. Da $π$ surjektiv war, muss auch $p$ surjektiv sein.
\end{itemize}
\begin{figure}
@@ -163,16 +164,15 @@ vorbereitenden Lemma.
\begin{lem}
Es sei $k$ ein Körper und es sei $f ∈ k[x_1, …, x_n] \{0\}$. Dann gibt es
ein $α ∈ k^*$ und Polynome $y_1, …, y_{n-1}$ von der Form
$y_i = x_i - x_n^{r_i}$, sodass das Polynom $f$ wie folgt geschrieben werden
kann,
ein $α ∈ k^*$ und Polynome $y_1, …, y_{n-1}$ von der Form $y_i = x_i -
x_n^{r_i}$, sodass das Polynom $f$ wie folgt geschrieben werden kann,
\[
f(x_1,…,x_n) = α·x_n^m + G_1(y_1, …, y_{n-1})·x_n^{m-1} ++ G_m(y_1, …,
y_{n-1}).
\]
Zusätzlich gilt: Wenn der Körper $k$ unendlich viele Elemente enthält, dann
gilt eine analoge Aussage auch für Elemente $y_i$ der Form
$y_i = x_i - a_i·x_n$, wobei $a_i ∈ k$.
gilt eine analoge Aussage auch für Elemente $y_i$ der Form $y_i = x_i -
a_i·x_n$, wobei $a_i ∈ k$.
\end{lem}
\begin{proof}
Der allgemeine Fall ist im \video{16-1} bewiesen. Die Zusatzaussage ist im
@@ -207,9 +207,8 @@ beweisen wir den Satz zunächst in zwei Spezialfällen.
\section{Geometrische Konsequenzen}
Als erste echte Anwendung des Satzes über die
Noether-Normalisierung klären wir die längst überfällige Frage, was die
Dimension des affinen Raums ist.
Als erste echte Anwendung des Satzes über die Noether-Normalisierung klären wir
die längst überfällige Frage, was die Dimension des affinen Raums ist.
\begin{satz}[Dimension des affinen Raumes]\label{satz:13-3-1a}
Es sei $k$ ein Körper. Dann ist
@@ -221,12 +220,12 @@ Dimension des affinen Raums ist.
\video{17-2}
\end{proof}
\begin{satz}[Noether-Normalisierung und Dimension]\label{satz:13-3-1b}
\begin{satz}[Noether-Normalisierung und Dimension]\label{satz:13-3-1b}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $A$ eine endlich
erzeugte $k$-Algebra und es sei $\{y_1, …, y_d\}$ eine Noether-Normalisierung
von $A$. Dann ist $\dim A = d$. Wenn $A$ zusätzlich noch ein Integritätsring
ist, dann haben alle maximal langen Primidealketten\footnote{Maximal lang =
kann nicht durch Einfügen von Zwischen-Primidealen verlängert werden} in $A$
kann nicht durch Einfügen von Zwischen-Primidealen verlängert werden} in $A$
die Länge $d$.
\end{satz}
\begin{proof}
@@ -237,7 +236,7 @@ Dimension des affinen Raums ist.
\begin{aufgabe}
Finden Sie einen geometrisch sinnvollen Nicht-Integritätsring in dem es zwei
unterschiedlich lange maximal lange Primidealketten gibt! Tipp: die
unterschiedlich lange maximal lange Primidealketten gibt! Tipp: Die
verschiedenen irreduziblen Komponenten einer algebraischen Menge müssen nicht
dieselbe Dimension haben.
\end{aufgabe}
@@ -252,17 +251,16 @@ Dimension des affinen Raums ist.
Schreibe $A$ in der Form $A = k[x_1, …, x_n]/I$ und wähle eine
Noether-Normalisierung $\{y_1, …, y_d\} ⊂ A$. Dann wissen wir nach
Satz~\ref{satz:13-3-1b}, dass $\dim A = d$ ist. Auf der anderen Seite sind
die Elemente $y_1, …, y_d$ algebraisch unabhängig, sodass
$\trdeg_k k(y_1, …, y_d) = d$ ist. Schließlich wissen wir noch, dass die
Körpererweiterung $k(y_1, …, y_d) ⊂ Q(A)$ algebraisch ist, sodass sich
der Transzendenzgrad nicht ändert, $\trdeg_k k(y_1, …, y_d) = \trdeg_k Q(A)$.
die Elemente $y_1, …, y_d$ algebraisch unabhängig, sodass $\trdeg_k k(y_1, …,
y_d) = d$ ist. Schließlich wissen wir noch, dass die Körpererweiterung
$k(y_1, …, y_d) ⊂ Q(A)$ algebraisch ist, sodass sich der Transzendenzgrad
nicht ändert, $\trdeg_k k(y_1, …, y_d) = \trdeg_k Q(A)$.
\end{proof}
\begin{kor}
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei
$X ⊂ 𝔸^n_k$ eine algebraische Varietät. Dann existiert eine lineare
Projektion $p : 𝔸^n_k → 𝔸^d_k$, sodass die Einschränkung von $p$ auf $X$
endlich und surjektiv ist.
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $X ⊂ 𝔸^n_k$ eine
algebraische Varietät. Dann existiert eine lineare Projektion $p : 𝔸^n_k →
𝔸^d_k$, sodass die Einschränkung von $p$ auf $X$ endlich und surjektiv ist.
\end{kor}
\begin{proof}
Die Aussage folgt aus der Diskussion in Abschnitt~\ref{sec:13-1}, wenn wir uns
@@ -275,17 +273,16 @@ Dimension des affinen Raums ist.
Topologie kompakt, wenn Sie endlich sind.
\end{kor}
\begin{proof}
Lineare Projektionen $𝔸^n_{}𝔸^d_{}$ sind bezüglich der Euklidischen
Lineare Projektionen $𝔸^n_𝔸^d_$ sind bezüglich der Euklidischen
Topologie stetig. Insbesondere sind Bilder von Mengen, die bezüglich der
Euklidischen Topologie kompakt sind, selbst wieder kompakt bezüglich der
Euklidischen Topologie. Der einzige kompakte affine Raum ist aber
$𝔸⁰_{}$.
Euklidischen Topologie. Der einzige kompakte affine Raum ist aber $𝔸⁰_$.
\end{proof}
Das letzte Korollar verwendet den Begriff der \emph{Höhe} eine Primideals. Das
ist eine recht einfache Abwandlung der Definition von Dimension.
\begin{defn}[Höhe eines Primideals]\label{def:height}
\begin{defn}[Höhe eines Primideals]\label{def:height}%
Es sei $R$ ein Ring und es sei $p ⊂ R$ ein Primideal. Die
\emph{Höhe}\index{Höhe eines Primideals} von $p$ ist das Maximum aller Längen
von Ketten von Primidealen
@@ -295,47 +292,68 @@ ist eine recht einfache Abwandlung der Definition von Dimension.
In der Literatur wird die Höhe von $p$ meist mit $\height(p)$ bezeichnet.
\end{defn}
\begin{bsp}\label{bsp:13-3-8}
Es sei $k$ ein Körper, es sei $R = k[y_1, …, y_d]$ und es sei
$q = (y_α, …, y_d)$. Überlegen Sie sich als Übung, dass das Maximum aller
Längen von Ketten von Primidealen von der folgenden Kette
\begin{bsp}\label{bsp:13-3-8}%
Es sei $k$ ein Körper, es sei $R = k[y_1, …, y_d]$ und es sei $q = (y_α, …,
y_d)$. Überlegen Sie sich als Übung, dass das Maximum aller Längen von Ketten
von Primidealen von der folgenden Kette
\[
(0)(y_{α + 1})(y_{α + 1}, y_{α + 2}) ⊊ ⋯ ⊊ (y_{α + 1},…, y_{d}) = p
\]
angenommen wird. Also ist $\height p = d-α$.
\end{bsp}
\begin{kor}\label{kor:13-3-9}
\begin{bsp}\label{bsp:13-3-9}%
Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter seien $p
⊂ A$ und $q ⊂ B$ Primideale, sodass $q$ über $p$ liegt.
\begin{itemize}
\item Gegeben eine strikte Kette $q_0 ⊊ q_1 ⊊ ⋯ ⊊ q_m = q$ von Primidealen
in $B$, so setze $p_i := q_i ∩ A$ und erhalte eine Kette $p_0 ⊊ p_1 ⊊ ⋯ ⊊
p_m = p$ von Primidealen in $A$, die nach Satz~\ref{satz:12-2-9} strikt ist.
Insbesondere ist $\height p ≥ \height q$.
\item Gegeben sei eine strikte Kette $p_0 ⊊ p_1 ⊊ ⋯ ⊊ p_m = p$ von
Primidealen in $A$. Wenn $A$ normal ist, dann gibt es nach
Satz~\ref{satz:goingDown} („\foreignlanguage{english}{Going Down}“) eine
strikte Kette $q_0 ⊊ q_1 ⊊ ⋯ ⊊ q_m = q$ von Primidealen in $B$, wobei die
$q_$ über den $p_$ liegen. Insbesondere ist $\height q ≥ \height p$.
\end{itemize}
\end{bsp}
\begin{kor}\label{kor:13-3-10}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $A$ ein
Integritätsring der Form $A = k[x_1, …, x_n]/I$. Gegeben ein Primideal
$p ⊂ A$ ein Primideal, dann ist
Integritätsring der Form $A = k[x_1, …, x_n]/I$. Gegeben ein Primideal $p ⊂
A$, dann ist
\[
\dim A = \height(p) + \dim(A/p).
\]
\end{kor}
\begin{proof}
Wende Satz~\ref{satz:13-0-1} (``Noether-Normalisierung'') auf $p ⊂ A$ an und
Wende Satz~\ref{satz:13-0-1} (Noether-Normalisierung) auf $p ⊂ A$ an und
erhalte Elemente $y_1, …, y_d ∈ A$, sodass die bekannten Eigenschaften gelten.
\begin{itemize}
\item Die Menge $\{y_1, …, y_d\}$ ist algebraisch unabhängig über $k$ und
$k[y_1, …, y_d]$ ist deshalb isomorph zum Polynomring, also insbesondere
normal.
\item Die Ringerweiterung $k[y_1, …, y_d] ⊂ A$ ist ganz. Also ist nach
Satz~\ref{satz:12-2-2} (``Dimension ist invariant unter ganzen
Ringerweiterungen'') und Satz~\ref{satz:13-3-1a} (``Dimension des affinen
Raumes'')
Satz~\ref{satz:12-2-2} (Dimension ist invariant unter ganzen
Ringerweiterungen) und Satz~\ref{satz:13-3-1a} (Dimension des affinen
Raumes)
\[
\dim A = \dim k[y_1, …,y_d] = d.
\]
\item Das Ideal $q := p ∩ k[y_1, …, y_d]$ ist von der Form
$q = (y_α, …, y_d)$, also ist
\[
k[y_1, …,y_d]/q \simeq k[y_1, …, y_α]
k[y_1, …,y_d]/q \simeq k[\overline{y_1}, …, \overline{y_α}]
\]
und dieser Ring hat die Dimension $α$. Zusätzlich gilt nach
Beispiel~\ref{bsp:13-3-8} die Gleichung $\height q = d-α$.
und dieser Ring hat die Dimension $α$.
\item Nach Beispiel~\ref{bsp:13-3-8} ist $\height q = d-α$. Nach
Beispiel~\ref{bsp:13-3-9} ist $\height p = \height q$.
\end{itemize}
Zuguterletzt: Da die Erweiterung $k[y_1, …,y_d]/q ⊂ k[x_1, …,x_n]/p$ nach
Zu guter Letzt: Da die Erweiterung $k[y_1, …,y_d]/q ⊂ k[x_1, …,x_n]/p$ nach
Satz~\ref{satz:12-2-5} wieder ganz ist, haben die beiden Ringe die gleiche
Dimension. Zusammen erhalten wir
\[
@@ -345,11 +363,11 @@ ist eine recht einfache Abwandlung der Definition von Dimension.
\end{proof}
\begin{warnung}[Dimensionsbegriff für beliebige Ringe]
In Korollar~\ref{kor:13-3-9} ist die Annahme, dass $A$ von der Form
$A = K[x_1, …,x_n]/I$ ist, absolut notwendig. Für beliebige Ringe ist die
Aussage des Korollars falsch! Tatsächlich verhält sich der Begriff
``Dimension'' für beliebige Ringe ziemlich kontra-intuitiv und ist in der
Praxis einigermaßen sinnlos.
In Korollar~\ref{kor:13-3-10} ist die Annahme, dass $A$ von der Form $A =
K[x_1, …,x_n]/I$ ist, absolut notwendig. Für beliebige Ringe ist die Aussage
des Korollars falsch! Tatsächlich verhält sich der Begriff „Dimension“ für
beliebige Ringe ziemlich kontra-intuitiv und ist in der Praxis einigermaßen
sinnlos.
\end{warnung}
@@ -357,19 +375,19 @@ ist eine recht einfache Abwandlung der Definition von Dimension.
Das Kapitel über Dimension wäre nicht vollständig ohne den Krullschen
Hauptidealsatz. Der Beweis ist recht algebraisch, aber mit unseren Methoden
(``Going Up/Down + Noether Normalisierung'') jetzt ohne weiteres möglich.
Dennoch möchte ich lieber im Stoff vorankommen und nenne den Satz deshalb hier
nur ohne Beweis.
(Going Up/Down + Noether Normalisierung) jetzt ohne weiteres möglich. Dennoch
möchte ich lieber im Stoff vorankommen und nenne den Satz deshalb hier nur ohne
Beweis.
\begin{satz}[Krullscher Hauptidealsatz]
Es sei $R$ ein noetherscher Integritätsring und es sei $0(f) ⊊ R$ ein
Hauptideal, das gleichzeitig ein Radikalideal ist. Schreibe das Ideal $(f)$
gemäß Satz~\ref{satz:6-2-3} als Schnitt von endlich vielen Primidealen,
$(f) = p_1 ∩ ⋯ ∩ p_l$. Dann gilt die Gleichung $\height(p_i) = 1$ für alle
Indizes $i$. \qed
gemäß Satz~\ref{satz:6-2-3} als Schnitt von endlich vielen Primidealen, $(f) =
p_1 ∩ ⋯ ∩ p_l$. Dann gilt die Gleichung $\height(p_i) = 1$ für alle Indizes
$i$. \qed
\end{satz}
Zusammen mit Korollar~\ref{kor:13-3-9} sagt der Krullsche Hauptidealsatz unter
Zusammen mit Korollar~\ref{kor:13-3-10} sagt der Krullsche Hauptidealsatz unter
anderem Folgendes: Sei $f ∈ k[x_1, …, x_n] \{ 0\}$ ein Polynom. Dann hat jede
irreduzible Komponente von $V(f)$ die Dimension $n-1$.
@@ -380,10 +398,11 @@ Die Noether-Normalisierung ist wichtig, denn sie vergleicht einen (potenziell
sehr komplizierten) Ring mit dem sehr viel einfacheren Polynomring. Wir haben
allerdings überhaupt nicht geklärt, wie man in einer konkreten Situation
eigentlich an eine Noether-Normalisierung kommt. Ich sehe zwei Ansätze.
\begin{itemize}
\item Wie so ziemlich alles in der algebraischen Geometrie kann man
Noether-Normalisierungen mithilfe von Gröbner-Basen bestimmen. Wie immer sind
die Rechnungen äußerst aufwändig und sprengen schnell den Rahmen des
Noether-Normal\-isier\-ungen mithilfe von Gröbner-Basen bestimmen. Wie immer
sind die Rechnungen äußerst aufwändig und sprengen schnell den Rahmen des
Machbaren.
\item Falls ich die Dimension der Algebra raten kann und falls $k$ ein Körper

74
14.tex
View File

@@ -51,9 +51,9 @@ gelernt.
\end{aufgabe}
Die Lösung für die Schwierigkeit mit den parallelen und nicht-parallelen Geraden
kannte schon mein Physik-Lehrer: ``Zwei parallele Geraden schneiden sich im
unendlichen''. Das Ziel in letzten Teil dieser Vorlesung ist, den affinen Raum
$𝔸^n_k$ durch ``unendlich ferne Punkte'' zum ``projektiven'' Raum $^n_k$ zu
kannte schon mein Physik-Lehrer: Zwei parallele Geraden schneiden sich im
Unendlichen. Das Ziel in letzten Teil dieser Vorlesung ist, den affinen Raum
$𝔸^n_k$ durch unendlich ferne Punkte zum projektiven Raum $^n_k$ zu
ergänzen. Diese soll die Eigenschaft haben, dass sich zwei Geraden stets in
einem Punkt schneiden. Allgemeiner soll also gelten: zwei Kurven $C_1$ und
$C_2$ vom Grad $d_1$ und $d_2$ schneiden sich in $ℙ²_k$ stets in $d_1·d_2$
@@ -79,10 +79,10 @@ Multiplizität gezählt werden müssen.
\section{Schnittzahlen von ebenen algebraischen Kurven}
Bevor wir den projektiven Raum tatsächlich konstruieren, muss ich vielleicht
erst einmal klären, was es überhaupt heißen soll ``Schnittpunkte mit der
richtigen Multiplizität zu zählen''. Das erste Zwischenziel ist also, für ebene
erst einmal klären, was es überhaupt heißen soll Schnittpunkte mit der
richtigen Multiplizität zu zählen. Das erste Zwischenziel ist also, für ebene
algebraische Kurven $F$ und $G$ und Punkte $p ∈ 𝔸²$ zu definieren, was die
``Schnittmultiplizität von $F$ und $G$ im Punkt $p$'' genau sein soll. Dieses
Schnittmultiplizität von $F$ und $G$ im Punkt $p$ genau sein soll. Dieses
Kapitel ist aus \cite[Sect.~3.3]{MR1042981} abgeschrieben, wo Sie die Sachen
ebenfalls sehr gut erklärt finden.
@@ -93,24 +93,24 @@ Weihnachten ist weit weg. Dennoch fasse ich mal alle Punkte zusammen, die eine
sinnvolle Definition von Schnittmultiplizität meiner Meinung nach erfüllen
sollte.
\begin{erinnerung}[Affine Transformationen]\label{erinn:14-2-1}
\begin{erinnerung}[Affine Transformationen]\label{erinn:14-2-1}%
Es sei $k$ ein Körper. Eine Abbildung $φ : k^n → k^n$ heißt \emph{affine
Transformation}\index{affine Transformation}, wenn es eine Matrix
$A ∈ \operatorname{Mat}(nn, k)$ und einen Vektor $b ∈ k^n$ gibt, sodass für
alle $v ∈ k^n$ die Gleichung $φ(v) = A·v + b$ gilt. Wir verwenden den Begriff
``affine Transformation'' auch dann, wenn wir statt $k^n$ den topologischen
Raum $𝔸^n_k$ betrachten (der als Menge ja genau $k^n$ ist).
Transformation}\index{affine Transformation}, wenn es eine Matrix $A ∈
\operatorname{Mat}(nn, k)$ und einen Vektor $b ∈ k^n$ gibt, sodass für alle
$v ∈ k^n$ die Gleichung $φ(v) = A·v + b$ gilt. Wir verwenden den Begriff
affine Transformation auch dann, wenn wir statt $k^n$ den topologischen Raum
$𝔸^n_k$ betrachten (der als Menge ja genau $k^n$ ist).
\end{erinnerung}
\begin{wunsch}[Wir erträumen uns eine Schnittzahl]\label{wunsch:sz}
\begin{wunsch}[Wir erträumen uns eine Schnittzahl]\label{wunsch:sz}%
Gegeben sei ein algebraisch abgeschlossenen Körper $k$. Die
Schnittmultiplizität sollte eine idealerweise eine Funktion
\[
\Int : \{ \text{ebene alg.~Kurven in } 𝔸²_k \} \{ \text{ebene alg.~Kurven
in } 𝔸²_k \} 𝔸²_k → \{\}
\]
sein, sodass für alle ebenen algebraischen Kurven $F$, $G$ und alle Punkte
$p ∈ 𝔸²$ folgende Eigenschaften gelten.
sein, sodass für alle ebenen algebraischen Kurven $F$, $G$ und alle Punkte $p
∈ 𝔸²$ folgende Eigenschaften gelten.
\begin{enumerate}
\item\label{il:14-2-1-1} Es gilt genau dann $\Int_p(F, G) =$, wenn $F$ und
$G$ eine gemeinsame Komponente durch $p$ enthalten.
@@ -121,19 +121,18 @@ sollte.
$G$ ab, die den Punkt $p$ auch enthalten.
\item\label{il:14-2-1-3} Schnittzahlen sind invariant unter affinen
Transformationen. Genauer: für jede affine Transformation $T: 𝔸² → 𝔸²$ gilt
die Gleichung
Transformationen. Genauer: für jede affine Transformation $T: 𝔸² → 𝔸²$
gilt die Gleichung
\[
\Int_p(F, G) = \Int_{T^{-1}(p)}(F◦T, G◦T).
\]
\item\label{il:14-2-1-4} Schnittzahlen sind invariant unter Vertauschung der
Kurven. Genauer: es ist $\Int_p(F,G) = \Int_p(G,F)$.
Kurven. Genauer gesagt: Es ist $\Int_p(F,G) = \Int_p(G,F)$.
\item\label{il:14-2-1-5} Es gilt stets
$\Int_p(F,G)\mult_p(F) · \mult_p(G)$, wobei Gleichheit genau dann gilt,
wenn die Kurven $F$ und $G$ im Punkt $p$ keine gemeinsamen Tangentialgerade
haben.
\item\label{il:14-2-1-5} Es gilt stets $\Int_p(F,G)\mult_p(F) ·
\mult_p(G)$, wobei Gleichheit genau dann gilt, wenn die Kurven $F$ und $G$
im Punkt $p$ keine gemeinsamen Tangentialgerade haben.
\item\label{il:14-2-1-6} Schnittzahlen sind additiv in Komponenten. Genauer:
falls $F = \prod F_i$ ist, dann ist
@@ -157,20 +156,20 @@ sollte.
\begin{aufgabe}
Machen Sie sich klar, was die Bedingungen aus Wunsch~\ref{wunsch:sz} bedeuten.
Schauen Sie sich einfache Beispiele an, besonders Beispiele, wo
$F(x,y) = y-f(x)$, $G(x,y) = y$, wo $x_0$ eine Nullstelle der Funktion $f$ und
wo $p = (x_0, 0)$ ist.
Schauen Sie sich einfache Beispiele an, besonders Beispiele, wo $F(x,y) =
y-f(x)$, $G(x,y) = y$, wo $x_0$ eine Nullstelle der Funktion $f$ und wo $p =
(x_0, 0)$ ist.
\end{aufgabe}
\subsection{Träume werden wahr}
Sie werden es sich schon denken. Es gibt genau eine Definition von
``Schnittzahl'', die alle Bedingungen aus Wunsch~\ref{wunsch:sz} erfüllt. Bevor
Schnittzahl, die alle Bedingungen aus Wunsch~\ref{wunsch:sz} erfüllt. Bevor
ich Eindeutigkeit und Existenz beweise, erinnere erst ich noch an einige
Tatsachen, die wir später benötigen.
\begin{erinnerung}\label{erin:14-2-5}
\begin{erinnerung}\label{erin:14-2-5}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $I ⊂ k[x,y]$ ein
Ideal, sodass $V(I) = \{ p \}$ ist ein einzelner Punkt ist. Bezeichne das
maximale Ideal des Punktes $p$ mit $m ⊊ k[x,y]$ und betrachte die folgende
@@ -186,13 +185,13 @@ Tatsachen, die wir später benötigen.
Lokalisierungsabbildung $R → R_m$ in diesem speziellen Fall ein Isomorphismus
ist. Insbesondere ist $R$ selbst bereits ein lokaler Ring. Ich behaupte
noch, dass die Dimension von $R$ als $k$-Vektorraum endlich ist. Das beweise
ich aber nur im Fall, wo $p$ der Nullpunkt ist. Dann ist nämlich
$\sqrt{I} = (x,y)$, und deshalb existiert eine Zahl $n$, sodass $x^n ∈ I$ und
$y^n ∈ I$ sind. Die Monome $\{xⁱ·y^j \::\: 0≤ i,j < n\}$ bilden dann ein
ich aber nur im Fall, wo $p$ der Nullpunkt ist. Dann ist nämlich $\sqrt{I} =
(x,y)$, und deshalb existiert eine Zahl $n$, sodass $x^n ∈ I$ und $y^n ∈ I$
sind. Die Monome $\{xⁱ·y^j \::\: 0≤ i,j < n\}$ bilden dann ein
Erzeugendensystem von $R$ als $k$-Vektorraum.
\end{erinnerung}
\begin{eerinnerung}\label{erin:14-2-6}
\begin{eerinnerung}\label{erin:14-2-6}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $I ⊂ k[x,y]$ ein
Ideal, sodass $V(I) = \{ p_1, …, p_n \}$ ist eine endliche Menge von Punkten
ist. Dann ist $R$ isomorph zum kartesischen Produkt von lokalen Ringen,
@@ -203,17 +202,16 @@ Tatsachen, die wir später benötigen.
und $\dim_k R < ∞$.
\end{eerinnerung}
\begin{satz}[Existenz und Eindeutigkeit von Schnittzahlen]\label{satz:EES}
\begin{satz}[Existenz und Eindeutigkeit von Schnittzahlen]\label{satz:EES}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Dann gibt es genau eine
Definition von \emph{Schnittzahl}\index{Schnittzahl!von ebenen algebraischen
Kurven}, sodass die Eigenschaften~\ref{il:14-2-1-1}--\ref{il:14-2-1-7}
gelten.
Kurven}, sodass die Eigenschaften~\ref{il:14-2-1-1}--\ref{il:14-2-1-7} gelten.
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis von Satz~\ref{satz:EES} --- Eindeutigkeit]
\video{18-1}
\end{proof}
\begin{bemerkung}\label{bem:14-2-8}
\begin{bemerkung}\label{bem:14-2-8}%
Beachten Sie, dass der Eindeutigkeitsbeweis völlig konstruktiv ist und sogar
einen Algorithmus liefert, mit dessen Hilfe man Schnittzahlen konkret
ausrechnen kann, falls eine gültige Definition von Schnittzahlen überhaupt
@@ -253,9 +251,9 @@ Tatsachen, die wir später benötigen.
\begin{itemize}
\item Es ist $(F,H)·𝒪_p(𝔸²) = 𝒪_p(𝔸²)$. Also ist $\Int_p(F,H)=0$.
\item Es ist $(F,G)·𝒪_p(𝔸²) = (F·H,G)·𝒪_p(𝔸²)$. Also sehen wir, dass
die Zahl $\Int_p(F,H)$ tatsächlich nur den denjenigen Komponenten abhängt,
die den Punkt $p$ tatsächlich enthalten.
\item Es ist $(F,G)·𝒪_p(𝔸²) = (F·H,G)·𝒪_p(𝔸²)$. Also sehen wir, dass die
Zahl $\Int_p(F,H)$ tatsächlich nur den denjenigen Komponenten abhängt, die
den Punkt $p$ tatsächlich enthalten.
\end{itemize}
Insgesamt ergibt sich aus diesen beiden Konsequenzen die
Eigenschaft~\ref{il:14-2-1-2}.

123
15.tex
View File

@@ -13,13 +13,13 @@ Nullpunkt sein sollte). Zwei Punkte im $k^{n+1}$ liefern dieselbe
Ursprungsgerade, wenn sie sich nur um einen konstanten Faktor unterscheiden
(wobei der Faktor besser nicht die Zahl 0 sein sollte).
\begin{defn}[Der projektive Raum]\label{defn:15-1-1}
\begin{defn}[Der projektive Raum]\label{defn:15-1-1}%
Es sei $k$ ein Körper und es sei $n ∈ $ eine Zahl. Nenne zwei Vektoren
$\vec{x}_1$, $\vec{x}_2 ∈ k^{n+1} \{ \vec{0}\}$ äquivalent, wenn es ein
Skalar $λ ∈ k^*$ gibt, sodass $\vec{x_1} = λ·\vec{x_2}$ ist. Dies ist
offenbar eine Äquivalenzrelation, der Quotient wird als \emph{projektiver
Raum}\index{projektiver Raum} bezeichnet. Die Schreibweise $^n$ ist
üblich. Die Äquivalenzklasse eines Vektors
Raum}\index{projektiver Raum} bezeichnet. Die Schreibweise $^n$ ist üblich.
Die Äquivalenzklasse eines Vektors
\[
\vec{v} = \begin{pmatrix}
x_1 \\ \vdots \\ x_n
@@ -36,8 +36,8 @@ Ursprungsgerade, wenn sie sich nur um einen konstanten Faktor unterscheiden
\bigl\{ [x_1 : x_2 : x_3] ∈ ℙ²_k \::\: x_1+2·x_2-x_3 = 0 \bigr\}, \quad %
\bigl\{ [x_1 : x_2 : x_3] ∈ ℙ²_k \::\: x_1·x_2-_3 = 0 \bigr\}
\]
beschreiben eine sinnvoll definierte Teilmenge des $ℙ²_k$. Im Vergleich
dazu ist der Ausdruck
beschreiben eine sinnvoll definierte Teilmenge des $ℙ²_k$. Im Vergleich dazu
ist der Ausdruck
\[
\bigl\{ [x_1 : x_2 : x_3] ∈ ℙ²_k \::\: x_1 = 1 \bigr\}
\]
@@ -47,19 +47,19 @@ Ursprungsgerade, wenn sie sich nur um einen konstanten Faktor unterscheiden
\subsection{Andere, äquivalente Definitionen}
Im Vergleich zur äquivalenten Definition ``der projektive Raum ist die Menge der
Ursprungsgeraden im $k^{n+1}$'' ist Definition~\ref{defn:15-1-1} vielleicht
etwas technischer, aber dafür in der Praxis bequemer anzuwenden. Als weitere
(und ebenfalls äquivalente) Definition könnte man die Gruppenwirkung
Im Vergleich zur äquivalenten Definition der projektive Raum ist die Menge der
Ursprungsgeraden im $k^{n+1}$ ist Definition~\ref{defn:15-1-1} vielleicht etwas
technischer, aber dafür in der Praxis bequemer anzuwenden. Als weitere (und
ebenfalls äquivalente) Definition könnte man die Gruppenwirkung
\[
k^* \left( k^{n+1} \bigl\{ \vec{0} \bigr\} \right), \quad
\bigl(λ, \vec{v}\bigr) ↦ λ·\vec{v}
\]
betrachten und den projektiven Raum als den Bahnenraum dieser Wirkung
definieren. Im Fall $k = $ könnte man auch die Einheitssphäre
$S^{n}^{n+1}$ betrachten und sich überlegen, dass jede Ursprungsgerade die
Sphäre in genau zwei Antipodenpunkten schneidet. Der projektive Raum $^n_$
kann also auch als Quotient der Sphäre definiert werden,
definieren. Im Fall $k = $ könnte man auch die Einheitssphäre $S^{n}
^{n+1}$ betrachten und sich überlegen, dass jede Ursprungsgerade die Sphäre in
genau zwei Antipodenpunkten schneidet. Der projektive Raum $^n_$ kann also
auch als Quotient der Sphäre definiert werden,
\[
^n_ = \factor{S^n}{\{± 1\}},
\]
@@ -68,15 +68,15 @@ genau die Antipodenpunkte vertauscht.
\begin{aufgabe}[Schärfen Sie Ihre Intuition!]
Überlegen Sie sich, dass $ℙ¹_$ topologisch isomorph zum Einheitskreis ist.
Wie stellen sie sich im Vergleich dazu die reelle projektive Ebene
$ℙ²_ = \factor{}{\{± 1\}}$ vor? Warum gibt es zwischen diesen beiden
Beispielen so große Unterschiede? Und warum zeige ich Ihnen jetzt
Wie stellen sie sich im Vergleich dazu die reelle projektive Ebene $ℙ²_ =
\factor{}{\{± 1\}}$ vor? Warum gibt es zwischen diesen beiden Beispielen so
große Unterschiede? Und warum zeige ich Ihnen jetzt
\href{https://opc.mfo.de/detail?photo_id=23998}{dieses Foto von Andreas
Demleitner}?
Demleitner}?
\end{aufgabe}
\begin{aufgabe}[Schärfen Sie Ihre Intuition!]
Der projektive Raum $ℙ¹_$ ist eine reell-zweidimensionale Mannigfaltigkeit.
Der projektive Raum $ℙ¹_$ ist eine reell-zwei\-dimension\-ale Mannigfaltigkeit.
Welche? Wie stellen Sie sich diesen Raum vor? Warum ist $ℙ¹_$ so viel
einfacher als $ℙ²_$?
\end{aufgabe}
@@ -89,13 +89,13 @@ Im Abschnitt~\ref{sec:14-1} hatte ich erklärt, dass der projektive Raum eine
Vervollständigung des affinen Raums sein sollte. Bislang ist dieser
Zusammenhang aber vielleicht nicht sehr klar. Jetzt muss ich also erklären,
wieso der affine Raum eine Teilmenge des projektiven Raumes ist und wo die
``unendlich fernen Punkte'' eigentlich sind.
unendlich fernen Punkte eigentlich sind.
\begin{bsp}[Der projektive Raum als Vervollständigung des affinen Raums]\label{bsp:pss}
\begin{bsp}[Der projektive Raum als Vervollständigung des affinen Raums]\label{bsp:pss}%
Wir betrachten den Anschauungsraum $ℝ³$. Zeichnen Sie dazu auf ihrer
Tischplatte die $x$- und $y$-Achse ein; die $z$-Achse geht nach oben. Jetzt
betten Sie die Euklidische Ebene $ℝ²$ in den $ℝ³$ ein. Ich mache dies,
indem ich mithilfe der Abbildung
betten Sie die Euklidische Ebene $ℝ²$ in den $ℝ³$ ein. Ich mache dies, indem
ich mithilfe der Abbildung
\[
ι : ℝ² → ℝ³, \quad (x,y)(x,y,1)
\]
@@ -103,23 +103,21 @@ wieso der affine Raum eine Teilmenge des projektiven Raumes ist und wo die
identifiziere. Nehmen Sie als Euklidische Ebene ein sauberes Blatt Papier,
tragen Sie auch dort die $x$- und $y$-Achse ein und halten Sie das Blatt eine
handbreit über den Tisch. Jeder Punkt $(x,y) ∈ ℝ²$ liefert mir jetzt einen
Punkt auf dem Papier, dessen Koordinaten im Anschauungsraum gleich
$ι(x,y) = (x,y,1)$ sind. Die Ursprungsgerade durch diesen Punkt ist die
Gerade $[x:y:1]$.
Punkt auf dem Papier, dessen Koordinaten im Anschauungsraum gleich $ι(x,y) =
(x,y,1)$ sind. Die Ursprungsgerade durch diesen Punkt ist die Gerade
$[x:y:1]$.
Wir erhalten auf diese sehr geometrische Weise eine injektive Abbildung
\[
φ_2 : ℝ² → ℙ²_, \quad (x,y)[x:y:1],
\]
die es uns erlaubt, die Ebene $ℝ²$ als Teilmenge des $ℙ³_{}$ aufzufassen.
Die Abbildung $φ_2$ ist natürlich nicht surjektiv. Überlegen Sie sich, dass
die Menge der Punkte, die \emph{nicht} im Bild von $φ_2$ liegen, exakt die
Menge
die es uns erlaubt, die Ebene $ℝ²$ als Teilmenge des $ℙ³_$ aufzufassen. Die
Abbildung $φ_2$ ist natürlich nicht surjektiv. Überlegen Sie sich, dass die
Menge der Punkte, die \emph{nicht} im Bild von $φ_2$ liegen, exakt die Menge
\[
:= \bigl\{ [x:y:z] ∈ ℙ²_ \::\: z = 0 \bigr\}.
:= \bigl\{ [x:y:z] ∈ ℙ²_ \::\: z = 0 \bigr\}
\]
ist. Man nennt $$ die Menge der ``unendlich fernen Punkte''. Die
Abbildung
ist. Man nennt $$ die Menge der unendlich fernen Punkte. Die Abbildung
\[
ℙ¹_ → ℙ²_, \quad [x:y][x:y:0]
\]
@@ -137,10 +135,10 @@ wieso der affine Raum eine Teilmenge des projektiven Raumes ist und wo die
Ursprungsgeraden (= Punkte des $ℙ²_$). Welche Ursprungsgerade (= welcher
Punkt des $ℙ²_$) ergibt sich als Grenzwert? Zeichnen Sie jetzt eine zu $G$
parallele Gerade und lösen Sie dieselbe Aufgabe. Erkennen Sie, dass die
``unendlich fernen'' Punkte etwas mit ``Asymptotenrichtungen'' zu tun haben.
unendlich fernen Punkte etwas mit Asymptotenrichtungen zu tun haben.
\end{aufgabe}
\begin{aufgabe}[Schärfen Sie Ihre Intuition!]\label{exe:15-2-3}
\begin{aufgabe}[Schärfen Sie Ihre Intuition!]\label{exe:15-2-3}%
Wir bleiben bei Beispiel~\ref{bsp:pss}. Zeichnen Sie auf das Blatt Papier
(das immer noch eine handbreit über der Tischplatte schwebt) die Normparabel
\[
@@ -152,7 +150,7 @@ wieso der affine Raum eine Teilmenge des projektiven Raumes ist und wo die
kompaktifiziert und welcher Raum entsteht dadurch?
\end{aufgabe}
\begin{aufgabe}[Schärfen Sie Ihre Intuition!]\label{exe:15-2-4}
\begin{aufgabe}[Schärfen Sie Ihre Intuition!]\label{exe:15-2-4}%
Wir bleiben bei Beispiel~\ref{bsp:pss}. Zeichnen Sie auf das Blatt Papier
(das immer noch eine handbreit über der Tischplatte schwebt) die Normhyperbel
\[
@@ -165,20 +163,20 @@ wieso der affine Raum eine Teilmenge des projektiven Raumes ist und wo die
\end{aufgabe}
\begin{aufgabe}[Schärfen Sie Ihre Intuition!]
In der Vorlesung ``Lineare Algebra'' hatten Sie den Satz des Appolonius von
In der Vorlesung Lineare Algebra hatten Sie den Satz des Apollonios von
Perge\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Apollonios_von_Perge}{Apollonios
von Perge} (lateinisch Apollonius Pergaeus; * ca.\ 265 v.\ Chr.\ in Perge;
ca.\ 190 v.\ Chr.\ in Alexandria) war ein antiker griechischer
Mathematiker, bekannt für sein Buch über Kegelschnitte. In der Astronomie
trug er zur Theorie der Mond- und Planetenbewegung bei, die später Ptolemäus
in sein Lehrbuch übernahm.} kennengelernt, der die Koniken\footnote{Im
Zweidimensionalen gilt: Konik = Kegelschnitt = Lösungsmengen von Gleichung
vom Grad zwei} klassifiziert. Vergleichen Sie Ihre Lösungen der
von Perge} (lateinisch Apollonius Pergaeus; * ca.\ 265 v.\ Chr.\ in Perge;
ca.\ 190 v.\ Chr.\ in Alexandria) war ein antiker griechischer Mathematiker,
bekannt für sein Buch über Kegelschnitte. In der Astronomie trug er zur
Theorie der Mond- und Planetenbewegung bei, die später Ptolemäus in sein
Lehrbuch übernahm.} kennengelernt, der die Koniken\footnote{Im
Zweidimensionalen gilt: Konik = Kegelschnitt = Lösungsmengen von Gleichung vom
Grad zwei} klassifiziert. Vergleichen Sie Ihre Lösungen der
Aufgaben~\ref{exe:15-2-3} und \ref{exe:15-2-4} und erkennen Sie, dass der
projektive Raum die Klassifikation offenbar erheblich vereinfacht!
\end{aufgabe}
\begin{notation}[Standardmengen und unendlich ferne Punkte]\label{not:15-2-6}
\begin{notation}[Standardmengen und unendlich ferne Punkte]\label{not:15-2-6}%
Gegeben einen Körper $k$ und Zahlen $i ≤ n$, dann diskutiert man im
Zusammenhang mit projektiven Räumen oft die Mengen
\[
@@ -204,9 +202,9 @@ wieso der affine Raum eine Teilmenge des projektiven Raumes ist und wo die
Die Vereinigung der Mengen $U_i$ ist offenbar der ganze projektive Raum. Man
nennt die $U_i$ daher oft die \emph{Standardüberdeckung des projektiven
Raums}\index{Standardüberdeckung des projektiven Raums}. Die Abbildungen
Raums}\index{Standardüberdeckung des projektiven Raums}. Die Abbildungen
$φ_i$ werden oft als \emph{Standardkarten des projektiven
Raums}\index{Standardkarten des projektiven Raums} bezeichnet.
Raums}\index{Standardkarten des projektiven Raums} bezeichnet.
\end{notation}
\begin{bemerkung}[Der projektive Raum als Mannigfaltigkeit]
@@ -220,32 +218,33 @@ wieso der affine Raum eine Teilmenge des projektiven Raumes ist und wo die
\subsection{Projektivitäten}
Die Diskussion des affinen Raumes führt früher oder später zur Diskussion des
Die Diskussion des affinen Raumes führt früher oder später zur Diskussion der
Symmetriegruppe des affinen Raumes, nämliche der Gruppe der affinen
Transformationen, an die ich in \ref{erinn:14-2-1} ja nocheinmal erinnert hatte.
Transformationen, an die ich in \ref{erinn:14-2-1} ja noch einmal erinnert hatte.
Das projektive Gegenstück zur affinen Transformation ist die projektive
Transformation, die in der Literatur oft auch als ``projektivität'' bezeichnet wird.
Transformation, die in der Literatur oft auch als „Projektivität bezeichnet
wird.
\begin{defn}[Projektivitäten]
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Eine Abbildung
$φ : ^n → ^n$ heißt \emph{projektive Transformation}\index{projektive
Transformation} oder \emph{Projektivität}\index{Projektivität}, wenn es eine
invertierbare Matrix $A ∈ \GL_{n+1}(k)$ gibt, sodass für alle
$\vec v ∈ k^{n+1}$ die Gleichung
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Eine Abbildung $φ : ^n →
^n$ heißt \emph{projektive Transformation}\index{projektive Transformation}
oder \emph{Projektivität}\index{Projektivität}, wenn es eine invertierbare
Matrix $A ∈ \GL_{n+1}(k)$ gibt, sodass für alle $\vec v ∈ k^{n+1}$ die
Gleichung
\[
φ\left(\left[\vec v\right]\right) = \left[\vec{v}\right]
\]
gilt.
\end{defn}
Über Projektivitäten lässt sich viel sagen ($$ Vorlesung
``Elementargeometrie''). Ich beschränke mich hier nur auf folgende Bemerkung.
Manche der Projektivitäten werden die Menge $U_2$ wieder auf die Menge $U_2$
abbilden. Gegeben eine solche Projektivität $φ$, so erhält man also Abbildungen
$𝔸²_k ≅ U_2 \xrightarrow{φ} U_2 ≅ 𝔸²_k$. Überlegen Sie sich, dass
die Abbildungen $𝔸²_k → 𝔸²_k$, die man auf diese Weise erhält, exakt die
affinen Transformationen der affinen Ebene $𝔸²_k$ sind. In diesem Sinne
verallgemeinern die Projektiven die affinen Transformationen also.
Über Projektivitäten lässt sich viel sagen ($$ Vorlesung „Elementargeometrie“).
Ich beschränke mich hier nur auf folgende Bemerkung. Manche der Projektivitäten
werden die Menge $U_2$ wieder auf die Menge $U_2$ abbilden. Gegeben eine solche
Projektivität $φ$, so erhält man also Abbildungen $𝔸²_k ≅ U_2 \xrightarrow{φ}
U_2 ≅ 𝔸²_k$. Überlegen Sie sich, dass die Abbildungen $𝔸²_k → 𝔸²_k$, die man
auf diese Weise erhält, exakt die affinen Transformationen der affinen Ebene
$𝔸²_k$ sind. In diesem Sinne verallgemeinern die Projektiven die affinen
Transformationen also.
%%% Local Variables:

123
16.tex
View File

@@ -10,8 +10,8 @@ Ausdruck der Form
\[
\bigl\{ [x:y] ∈ ℙ¹_k \::\:-y = 0 \bigr\}
\]
gar nicht sinnvoll ist\footnote{Es ist $[1:1] = [2:2] ∈ ℙ¹_k$, aber es ist
$1²-1 = 0$, während $2²-20$ ist.}.
gar nicht sinnvoll ist\footnote{Es ist $[1:1] = [2:2] ∈ ℙ¹_k$, aber es ist $1²-1
= 0$, während $2²-20$ ist.}.
\begin{beobachtung}
Es sei $f ∈ k[x_0, …, x_n]$ ein homogenes Polynom vom Grad $d$. Dann gilt für
@@ -19,10 +19,10 @@ gar nicht sinnvoll ist\footnote{Es ist $[1:1] = [2:2] ∈ ¹_k$, aber es ist
\[
f(λ·x_0, …, λ·x_n) = λ^d·f(x_0, …, x_n).
\]
Insbesondere gilt: wenn ich Vektoren $\vec{x} = (x_0, …, x_n)$ und
$\vec{y} = (y_0, …, y_n)$ im $k^{n-1}$ habe, sodass
$[x_0 : … : x_n] = [y_0 : … : y_n] ^n_k$ ist, dann ist $f(\vec{x}) = 0$
genau dann, wenn $f(\vec{y}) = 0$ ist. Die Menge
Insbesondere gilt: wenn ich Vektoren $\vec{x} = (x_0, …, x_n)$ und $\vec{y} =
(y_0, …, y_n)$ im $k^{n-1}$ habe, sodass $[x_0 : … : x_n] = [y_0 : … : y_n]
^n_k$ ist, dann ist $f(\vec{x}) = 0$ genau dann, wenn $f(\vec{y}) = 0$ ist.
Die Menge
\[
V_{}(f) = \bigl\{ [x_0 : … : x_n]^n_k \::\: f(x_0, …, x_n) = 0 \bigr\}
\]
@@ -39,11 +39,11 @@ gar nicht sinnvoll ist\footnote{Es ist $[1:1] = [2:2] ∈ ¹_k$, aber es ist
Zusammenfassend können wir also folgendes sagen: falls $f ∈ k[x_0, …, x_n]$
irgendein Polynom ist, so kann man im Allgemeinen nicht sinnvoll von der
``Nullstellenmenge des Polynoms $f$ im projektiven Raum $^n_k$'' sprechen.
Falls das Polynom $f$ hingegen homogen ist, dann wird der Begriff der
Nullstellenmenge sinnvoll. Nullstellenmengen von homogenen Polynomen sind
prototypische Beispiele von dem, was wir in Kürze als ``algebraische Teilmengen
des projektiven Raums'' definieren werden.
Nullstellenmenge des Polynoms $f$ im projektiven Raum $^n_k$ sprechen. Falls
das Polynom $f$ hingegen homogen ist, dann wird der Begriff der Nullstellenmenge
sinnvoll. Nullstellenmengen von homogenen Polynomen sind prototypische
Beispiele von dem, was wir in Kürze als algebraische Teilmengen des projektiven
Raums definieren werden.
@@ -54,7 +54,7 @@ betrachtet. Am Ende des Tages interessieren wir uns natürlich wieder für die
gemeinsame Nullstellenmenge eines Systems von Polynomen, wobei jedes einzelne
Polynom homogen sein soll.
\begin{defn}[Algebraische Teilmengen des $^n_k$]\label{defn:15-4-1}
\begin{defn}[Algebraische Teilmengen des $^n_k$]\label{defn:15-4-1}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Eine Teilmenge $A ⊂ ^n_k$
heißt \emph{algebraisch}\index{algebraische Teilmenge des $^n_k$}, wenn es
homogene Polynome $f_1, …,f_m ∈ k[x_0, …, x_n]$ gibt, sodass die folgende
@@ -67,8 +67,8 @@ Polynom homogen sein soll.
Beachten Sie wie oben, dass die Homogenität der Polynome $f_i$ garantiert, dass
die Menge $A$ wohldefiniert ist. Geometrisch kann ich das so verstehen: Die
Homogenität der Polynome garantiert, dass die Nullstellenmenge
$V(f_1, …, f_m)k^{n+1}$ ein Kegel ist. Was war nochmal ein Kegel?
Homogenität der Polynome garantiert, dass die Nullstellenmenge $V(f_1, …, f_m)
k^{n+1}$ ein Kegel ist. Was war nochmal ein Kegel?
\begin{defn}[Kegel]
Es sei $k$ ein Körper und es sei $A ⊂ k^{n+1}$ eine Teilmenge. Man nennt $A$
@@ -86,19 +86,20 @@ $V(f_1, …, f_m) ⊂ k^{n+1}$ ein Kegel ist. Was war nochmal ein Kegel?
\label{fig:cone}
\end{figure}
\begin{bsp}[Gestalt von Kegeln]\label{bsp:15-4-3}
\begin{bsp}[Gestalt von Kegeln]\label{bsp:15-4-3}%
Es sei $k$ ein Körper. Jeder Kegel $A ⊆ k^{n+1}$ ist von einer der folgenden
Formen.
\begin{itemize}
\item Die leere Menge und der Nullpunkt, $$ und $\{ \vec{0} \}$.
\item Die Vereinigung von endlich oder unendlich vielen Ursprungsgeraden.
\item Vereinigungen von endlich oder unendlich vielen Ursprungsgeraden.
\end{itemize}
\end{bsp}
Die Ursprungsgeraden aus Beispiel~\ref{bsp:15-4-3} sind natürlich per Definition
exakt die Punkte des projektiven Raumes $^n_k$. Der Zusammenhang von Kegeln
und Teilmengen des projektiven Raums ist damit klar: Gegeben ein Kegel
$V ⊂ k^{n+1}$, dann erhalte eine Menge
und Teilmengen des projektiven Raums ist damit klar: Gegeben ein Kegel $V ⊂
k^{n+1}$, dann erhalte eine Menge
\[
\mathbb{V} = \bigl\{ [x_0 : … : x_n]^n_k \::\: (x_0, …, x_n) ∈ V \bigr\}.
\]
@@ -112,7 +113,7 @@ ein Kegel.
\section{Kegel und homogene Ideale}
\sideremark{Vorlesung 20}Der Kern unseres Wörterbuchs ``Algebra und Geometrie''
\sideremark{Vorlesung 20}Der Kern unseres Wörterbuchs Algebra und Geometrie
war der Zusammenhang zwischen algebraischen Teilmengen des $𝔸^n_k$ und den
Idealen im Polynomring $k[x_1, …, x_n]$. In völliger Analogie möchte ich jetzt
einen Zusammenhang herstellen zwischen den algebraischen Teilmengen des $^n_k$
@@ -120,7 +121,7 @@ einen Zusammenhang herstellen zwischen den algebraischen Teilmengen des $^n_k
Idealen in $k[x_0, …, x_n]$, die zu diesen Kegeln gehören. Die nächsten beiden
Sätze stellen klar, um welche Ideale es sich dabei handelt.
\begin{satzdef}[Homogene Ideale]\label{satz:16-2-1}
\begin{satzdef}[Homogene Ideale]\label{satz:16-2-1}%
Es sei $k$ ein Körper und es sei $I ⊂ k[x_0, …, x_n]$ ein Ideal. Dann sind
folgende Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate}
@@ -137,13 +138,13 @@ Sätze stellen klar, um welche Ideale es sich dabei handelt.
\end{satzdef}
\begin{proof}[Beweis \ref{il:15-4-2-1} $$ \ref{il:15-4-2-2}]
Angenommen, es gäbe homogene Erzeuger $f_$ wie in \ref{il:15-4-2-1}. Weiter
sei $g ∈ I$ irgendein Element. Dann gibt es per Annahme Polynomen
$α_i ∈ k[x_0, …, x_n]$, sodass die Gleichheit
sei $g ∈ I$ irgendein Element. Dann gibt es per Annahme Polynomen $α_i ∈
k[x_0, …, x_n]$, sodass die Gleichheit
\[
g = \sum_i α_i·f_i
\]
gilt. Schreibe die $α_i$ als Summe von homogenen Polynomen,
$α_i = \sum_d α_{i,d}$. Wir erhalten die Gleichung
gilt. Schreibe die $α_i$ als Summe von homogenen Polynomen, $α_i = \sum_d
α_{i,d}$. Wir erhalten die Gleichung
\[
g = \sum_i \sum_d α_{i,d}·f_i.
\]
@@ -158,19 +159,19 @@ Sätze stellen klar, um welche Ideale es sich dabei handelt.
\[
g_i = g_{i,0} ++ g_{i,d_i}.
\]
Nach Annahme liegen alle Summanden im Ideal, $g_{i,j} ∈ I$, und also ist
$I = (g_{i,j} \mid 1 ≤ i ≤ m, 0 ≤ j ≤ d_i )$.
Nach Annahme liegen alle Summanden im Ideal, $g_{i,j} ∈ I$, und also ist $I =
(g_{i,j} \mid 1 ≤ i ≤ m, 0 ≤ j ≤ d_i )$.
\end{proof}
Wir erkennen: gegeben ein homogenes Ideal $I ⊂ k[x_0, …, x_n]$ und gegeben ein
Satz von homogenen Erzeugern, $I = (f_1, …, f_m)$, dann ist
$V(I) = V(f_1, …, f_m)$ ein Kegel und definiert eine Menge $V_{}(I)^n_n$.
Die Umkehrung gilt, sofern man sich auf Radikalideale beschränkt.
Satz von homogenen Erzeugern, $I = (f_1, …, f_m)$, dann ist $V(I) = V(f_1, …,
f_m)$ ein Kegel und definiert eine Menge $V_{}(I)^n_n$. Die Umkehrung gilt,
sofern man sich auf Radikalideale beschränkt.
\begin{satz}[Kegel und homogene Ideale]
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei
$I ⊂ k[x_0,…,x_n]$ ein Radikalideal, sodass $V(I)$ ein Kegel ist. Dann ist
das Ideal $I$ homogen.
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $I ⊂
k[x_0,…,x_n]$ ein Radikalideal, sodass $V(I)$ ein Kegel ist. Dann ist das
Ideal $I$ homogen.
\end{satz}
\begin{proof}
Wir werden die Eigenschaft~\ref{il:15-4-2-2} zeigen. Sei also $f ∈ I$ ein
@@ -204,7 +205,7 @@ Abbildungen,
die uns noch viel Freude bereiten werden. Alle Sätze, die wir im Laufe dieser
Vorlesung für algebraische Teilmengen des affinen Raumes bewiesen haben, gelten
\emph{mutatis mutandis} auch für algebraische Teilmengen des projektiven Raumes,
wenn man an der entscheidenden Stelle das Wort ``homogen'' einfügt. Ich nenne
wenn man an der entscheidenden Stelle das Wort homogen einfügt. Ich nenne
einige solche Sätze ohne Beweis.
\begin{fakt}[Operationen von homogenen Idealen]
@@ -213,27 +214,27 @@ einige solche Sätze ohne Beweis.
\end{fakt}
\begin{fakt}[Homogene Primideale]
Es sei $k$ ein Körper. Um zu testen, ob ein homogenes Ideal
$I ⊂ k[x_0, …, x_n]$ prim ist, genügt es die Bedingung $ab ∈ I ⇒ a ∈ I$ oder
$b ∈ I$ für homogene Elemente $a$ und $b$ zu überprüfen. \qed
Es sei $k$ ein Körper. Um zu testen, ob ein homogenes Ideal $I ⊂ k[x_0, …,
x_n]$ prim ist, genügt es die Bedingung $ab ∈ I ⇒ a ∈ I$ oder $b ∈ I$ für
homogene Elemente $a$ und $b$ zu überprüfen. \qed
\end{fakt}
\begin{fakt}[Homogener Nullstellensatz]
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei
$I ⊂ k[x_0, …, x_n]$ ein homogenes Ideal.
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $I ⊂ k[x_0, …,
x_n]$ ein homogenes Ideal.
\begin{enumerate}
\item Wenn $V_{}(I) =$ ist, dann ist $\sqrt{I} = (1)$ oder
$\sqrt{I} = (x_0, …, x_n)$.
\item Wenn $V_{}(I) =$ ist, dann ist $\sqrt{I} = (1)$ oder $\sqrt{I} =
(x_0, …, x_n)$.
\item Wenn $V_{}(I) ≠ ∅$ ist, dann ist
$\sqrt{I} = I_{}\bigl(V_{}(I)\bigr)$. \qed
\item Wenn $V_{}(I) ≠ ∅$ ist, dann ist $\sqrt{I} =
I_{}\bigl(V_{}(I)\bigr)$. \qed
\end{enumerate}
\end{fakt}
\begin{notation}[Das irrelevante Ideal]
Im Zusammenhang mit dem homogenen Nullstellensatz nennt man das Ideal
$(x_0, …, x_n) ⊂ k[x_0, …, x_n]$, welches die leere Teilmenge des projektiven
Raumes definiert, auch das \emph{irrelevante Ideal}\index{irrelevante Ideal}.
Im Zusammenhang mit dem homogenen Nullstellensatz nennt man das Ideal $(x_0,
…, x_n) ⊂ k[x_0, …, x_n]$, welches die leere Teilmenge des projektiven Raumes
definiert, auch das \emph{irrelevante Ideal}\index{irrelevante Ideal}.
\end{notation}
\begin{fakt}
@@ -280,7 +281,7 @@ Sie dürfen an dieser Stelle verwirrt sein. Wenn ich die Standardkarte
φ_i : 𝔸^n_k → U_i ⊂ ^n_k
\]
betrachte, dann sehe ich auf der Standardmenge $U_i$ zwei Topologien, die beide
den Namen ``Zariski-Topologie'' verdienen.
den Namen Zariski-Topologie verdienen.
\begin{itemize}
\item Zum einen definiert die Zariski-Topologie des projektiven Raumes $^n_k$
auf der offenen Menge $U_i ⊂ ^n_k$ die Teilraumtopologie.
@@ -291,9 +292,9 @@ den Namen ``Zariski-Topologie'' verdienen.
Topologie auf $U_i$.
\end{itemize}
Die Frage ist, welcher Unterschied zwischen diesen Konstruktionen besteht. Die
Antwort lautet zum Glück: ``Gar keiner!''.
Antwort lautet zum Glück: Gar keiner!.
\begin{prop}[Vergleich der Zariski-Topologien]\label{prop:16-3-3}
\begin{prop}[Vergleich der Zariski-Topologien]\label{prop:16-3-3}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Die Standardkarte
\[
φ_i : 𝔸^n_k → U_i ⊂ ^n_k
@@ -307,7 +308,7 @@ Der (einfache) Beweis kommt gleich. Zuerst möchte ich die Gelegenheit nutzen,
um vorab noch zwei Konstruktionen einzuführen, die wir später viel benutzen
werden.
\begin{konstruktion}[Homogenisierung]\label{kons:hom}
\begin{konstruktion}[Homogenisierung]\label{kons:hom}%
Es sei $k$ ein Körper und es sei $f ∈ k[x_0, …, x_{n-1}]$ irgendein Polynom.
Das Polynom $f$ ist vielleicht überhaupt nicht homogen, aber es kann (wie
jedes Polynom) als Summe von homogenen Polynomen geschrieben werden,
@@ -328,10 +329,10 @@ werden.
die oft als \emph{Homogenisierung}\index{Homogenisierung} bezeichnet wird.
\end{konstruktion}
\begin{konstruktion}[Dehomogenisierung]\label{kons:dehom}
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei
$f ∈ k[x_0, …, x_n]$ irgendein homogenes Polynom. Dann kann ich wie folgt ein
Polynom in weniger Variablen konstruieren,
\begin{konstruktion}[Dehomogenisierung]\label{kons:dehom}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es sei $f ∈ k[x_0, …,
x_n]$ irgendein homogenes Polynom. Dann kann ich wie folgt ein Polynom in
weniger Variablen konstruieren,
\[
f_*(x_0, …, x_{n-1}) := f(x_0, …, x_{n-1}, 1).
\]
@@ -344,7 +345,7 @@ werden.
\end{konstruktion}
\begin{aufgabe}
In wieweit sind Homogenisierung und Dehomogenisierung zueinander inverse
Inwieweit sind Homogenisierung und Dehomogenisierung zueinander inverse
Abbildungen?
\end{aufgabe}
@@ -361,21 +362,21 @@ werden.
\item Bilder abgeschlossener Mengen sind abgeschlossen. Es sei $X ⊂ 𝔸^n_k$
eine algebraische Menge, gegeben als gemeinsame Nullstellenmenge von
Polynomen $f_1, …, f_m ∈ k[x_0, …, x_{n_1}]$. Betrachte die gemeinsame
Nullstellenmenge $Y ⊂ ^n_k$ der homogenisierten Polynome
$(f_1)_*, …, (f_m)_* ∈ k[x_0, …, x_n]$. Rechnen Sie nach, dass
$φ_n(X) = Y ∩ U_n$ ist. Also ist $φ_n(X)$ bezüglich der Teilraumtopologie
abgeschlossen in $U_n ⊂ ^n_k$. \qedhere
Nullstellenmenge $Y ⊂ ^n_k$ der homogenisierten Polynome $(f_1)_*, …,
(f_m)_* ∈ k[x_0, …, x_n]$. Rechnen Sie nach, dass $φ_n(X) = Y ∩ U_n$ ist.
Also ist $φ_n(X)$ bezüglich der Teilraumtopologie abgeschlossen in $U_n ⊂
^n_k$. \qedhere
\end{itemize}
\end{proof}
\begin{bsp}[Koniken, wieder einmal]\label{bsp:konik}
\begin{bsp}[Koniken, wieder einmal]\label{bsp:konik}%
Betrachte die Menge
\[
X := \bigl\{ [x : y : z] ∈ ℙ²_k \::\: x·y-= 0 \bigr\}.
\]
Um einen Eindruck von der Menge $X$ zu bekommen, identifizieren wir die affine
Ebene $𝔸²_k$ wie üblich mit der Menge $U_2$ und betrachte die Schnittmenge von
$X$ mit dieser affinen Ebene,
Ebene $𝔸²_k$ wie üblich mit der Menge $U_2$ und betrachte die Schnittmenge
von $X$ mit dieser affinen Ebene,
\[
φ_2^{-1}(X) = \bigl\{ (x,y) ∈ 𝔸²_k \::\: x·y-1 = 0 \bigr\}.
\]

213
17.tex
View File

@@ -6,31 +6,31 @@
\sideremark{Vorlesung 21}Wie im Abschnitt~\ref{sec:14-1} angekündigt, möchte ich
jetzt zeigen, dass sich in der projektiven Ebene $ℙ²$ zwei Kurven vom Grad $d_1$
und $d_2$ immer in genau $d_1·d_2$ vielen Punkten schneiden, wenn die Kurven
nicht zufällig gleich sind oder zumindest eine gemeinsame Komponente haben.
Dazu muss ich aber vielleicht erst noch sagen, was eine projektive Kurve genau
ist. Die folgende Definition haben Sie ganz analog schon einmal auf
nicht zufällig gleich sind oder zumindest eine gemeinsame Komponente haben. Dazu
muss ich aber vielleicht erst noch sagen, was eine projektive Kurve genau ist.
Die folgende Definition haben Sie ganz analog schon einmal auf
Seite~\ref{def:eak} gesehen.
\begin{defn}[Ebene projektive Kurve]\label{def:epk}
\begin{defn}[Ebene projektive Kurve]\label{def:epk}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Eine \emph{ebene
projektive Kurve über $k$}\index{ebene projektive Kurve} ist eine
projektive Kurve über $k$}\index{ebene projektive Kurve} ist eine
Äquivalenzklasse von homogenen Polynomen in $k[x,y,z] \{ 0 \}$, wobei zwei
Polynome $F$ und $G$ äquivalent sind, wenn ein $λ ∈ k^*$ existiert, sodass
$F = λ·G$ ist.
Polynome $F$ und $G$ äquivalent sind, wenn ein $λ ∈ k^*$ existiert, sodass $F
= λ·G$ ist.
\end{defn}
\begin{bsp}
Die Konik aus Beispiel~\vref{bsp:konik} ist eine ebene projektive Kurven.
Wenn Ihnen Beispiel~\vref{bsp:ellipti} gefallen hat, dann möchten Sie
vielleicht auch die elliptische Kurve $y²z -+ 6·xz² - 6·z³$ betrachten.
Die Konik aus Beispiel~\vref{bsp:konik} ist eine ebene projektive Kurven. Wenn
Ihnen Beispiel~\vref{bsp:ellipti} gefallen hat, dann möchten Sie vielleicht
auch die elliptische Kurve $y²z -+ 6·xz² - 6·z³$ betrachten.
\end{bsp}
\begin{bsp}\label{bsp:17-0-3}
\begin{bsp}\label{bsp:17-0-3}%
Gegeben eine ebene projektive Kurve, repräsentiert durch ein Polynom $F$, und
eine Projektivität $φ$, gegeben durch eine bijektive lineare Abbildung
$A : k^{n+1} → k^{n+1}$. Dann ist $F◦ A$ wieder ein homogenes Polynom
und liefert deshalb wieder eine ebene projektive Kurve. Die Kurve hängt nicht
von der Wahl des Polynom $F$ und der Wahl der Matrix $A$ ab und es gilt
eine Projektivität $φ$, gegeben durch eine bijektive lineare Abbildung $A :
k^{n+1} → k^{n+1}$. Dann ist $F◦ A$ wieder ein homogenes Polynom und liefert
deshalb wieder eine ebene projektive Kurve. Die Kurve hängt nicht von der
Wahl des Polynom $F$ und der Wahl der Matrix $A$ ab und es gilt
\[
V_(F) = φ^{-1}\left( V_(F◦ A) \right).
\]
@@ -38,11 +38,11 @@ Seite~\ref{def:eak} gesehen.
\end{bsp}
Der nächste Schritt ist nun, für projektive Kurven einen sinnvollen Begriff von
``Schnittzahl'' einzuführen, der sich am besten nicht völlig von den
Schnittzahlen unterscheidet, die wir für affine Kurven schon definiert haben.
Wenn Sie sich an den Beweis von Satz~\ref{satz:EES} erinnern, dann wissen Sie,
dass lokale Ringe eine zentrale Rolle spielen. Also müssen wir zunächst auch
für projektive Kurven einen Begriff von ``lokalen Ring'' einführen. Auf geht's.
Schnittzahl einzuführen, der sich am besten nicht völlig von den Schnittzahlen
unterscheidet, die wir für affine Kurven schon definiert haben. Wenn Sie sich an
den Beweis von Satz~\ref{satz:EES} erinnern, dann wissen Sie, dass lokale Ringe
eine zentrale Rolle spielen. Also müssen wir zunächst auch für projektive
Kurven einen Begriff von lokalen Ring einführen. Auf geht's.
\section{Rationale Funktionen und lokale Ringe}
@@ -50,17 +50,16 @@ für projektive Kurven einen Begriff von ``lokalen Ring'' einführen. Auf geht'
Es gibt einen großen Unterschied zwischen dem affinen und dem projektiven Raum:
während jedes Polynom $f ∈ k[x_1, …, x_n]$ als Funktion $f: 𝔸^n_k → k$
aufgefasst werden kann, liefern Polynome $g ∈ k[x_0, …, x_n]$ praktisch
niemals\footnote{praktisch niemals = niemals, es sei denn, das Polynom $g$ ist
konstant} wohldefinierte Funktionen auf dem $^n_k$. Dies gilt auch dann,
wenn das Polynom $g$ zufällig homogen sein sollte. Immerhin können wir
rationale Funktionen konstruieren.
niemals\footnote{Praktisch niemals = niemals, es sei denn, das Polynom $g$ ist
konstant} wohldefinierte Funktionen auf dem $^n_k$. Dies gilt auch dann, wenn
das Polynom $g$ zufällig homogen sein sollte. Immerhin können wir rationale
Funktionen konstruieren.
\begin{beobachtung}\label{beob:17-1-1}
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $f$ und
$g ∈ k[x_0, …, x_n]$ zwei homogene Polynome vom selben Grad,
$d = \deg f = \deg g$. Falls $\vec{x} ∈ k^{n+1} \{ \vec{0} \}$
ein Punkt ist mit $g(\vec{x})0$, dann gilt für jedes Element $λ ∈ k^*$
die Gleichung
\begin{beobachtung}\label{beob:17-1-1}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $f$ und $g ∈
k[x_0, …, x_n]$ zwei homogene Polynome vom selben Grad, $d = \deg f = \deg g$.
Falls $\vec{x} ∈ k^{n+1} \{ \vec{0} \}$ ein Punkt ist mit $g(\vec{x})0$,
dann gilt für jedes Element $λ ∈ k^*$ die Gleichung
\[
\frac{f(λ·\vec{x})}{g(λ·\vec{x})} = \frac{λ^d·f(\vec{x})}{λ^d·g(\vec{x})} =
\frac{f(\vec{x})}{g(\vec{x})}.
@@ -70,18 +69,17 @@ rationale Funktionen konstruieren.
\end{beobachtung}
Die Funktion $f/g$ aus Beobachtung~\ref{beob:17-1-1} könnte auch an einigen
Punkten von $V_(g)$ sinnvoll definierbar sein, betrachte etwa den Fall
$f = x·y$ und $g = x·z$. Die korrekte Definition von ``rationaler Funktion''
und ``Definitionsbereich'' ist daher ein wenig aufwändiger als es zunächst
scheint.
Punkten von $V_(g)$ sinnvoll definierbar sein, betrachte etwa den Fall $f =
x·y$ und $g = x·z$. Die korrekte Definition von rationaler Funktion“ und
Definitionsbereich ist daher ein wenig aufwändiger als es zunächst scheint.
\begin{defn}[Rationale Funktionen auf dem projektiven Raum]
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien
$f_1, f_2 k[x_0, …, x_n]$ und $g_1, g_2 ∈ k[x_0, …, x_n] \{0\}$ homogene
Polynome mit $\deg f_1 = \deg g_1$ und $\deg f_2 = \deg g_2$. Ich nenne die
Brüche $\frac{f_1}{g_1}$ und $\frac{f_2}{g_2}$ äquivalent, falls für alle
Punkte $p$ der Zariski-offenen Menge $^n_k \bigl(V_(g_1) V_(g_2)\bigr)$
die Gleichheit
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $f_1, f_2
k[x_0, …, x_n]$ und $g_1, g_2 ∈ k[x_0, …, x_n] \{0\}$ homogene Polynome mit
$\deg f_1 = \deg g_1$ und $\deg f_2 = \deg g_2$. Ich nenne die Brüche
$\frac{f_1}{g_1}$ und $\frac{f_2}{g_2}$ äquivalent, falls für alle Punkte $p$
der Zariski-offenen Menge $^n_k \bigl(V_(g_1) V_(g_2)\bigr)$ die
Gleichheit
\[
\frac{f_1}{g_1}(p) = \frac{f_2}{g_2}(p)
\]
@@ -89,9 +87,9 @@ scheint.
Brüchen.
\end{defn}
\begin{defn}[Definitionsbereich von rationalen Funktionen]\label{def:17-1-3}
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $p ∈ ^n_k$ ein
Punkt und es sei $η$ eine rationale Funktion auf dem $^n_k$. Falls es einen
\begin{defn}[Definitionsbereich von rationalen Funktionen]\label{def:17-1-3} Es
sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $p ∈ ^n_k$ ein Punkt
und es sei $η$ eine rationale Funktion auf dem $^n_k$. Falls es einen
Vertreter $η = [\frac{f}{g}]$ gibt, sodass $p \not ∈ V_(g)$ liegt, so sagt
man, die rationale Funktion $η$ ist bei $p$ definiert. Der Menge der
rationalen Funktionen, die bei $p$ definiert sind, wird mit $𝒪_p(^n_k)$
@@ -105,12 +103,11 @@ scheint.
$k$-Algebra.
\end{bemerkung}
\begin{konstruktion}[Vergleich von lokalen Ringen]\label{kons:17-1-5}
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, und es sei
$φ_n : 𝔸^n_k → ^n_k$ die $n$.te Standardkarte. Gegeben sei ein Punkt
$a ∈ 𝔸^n_k$ mit zugehörigem Bildpunkt $p := φ_n(a)$. Rechnen Sie als
Übungsaufgabe in ``Homogenisierung und Dehomogenisierung'' nach, dass die
Abbildungen
\begin{konstruktion}[Vergleich von lokalen Ringen]\label{kons:17-1-5}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, und es sei $φ_n : 𝔸^n_k →
^n_k$ die $n$.te Standardkarte. Gegeben sei ein Punkt $a ∈ 𝔸^n_k$ mit
zugehörigem Bildpunkt $p := φ_n(a)$. Rechnen Sie als Übungsaufgabe in
Homogenisierung und Dehomogenisierung nach, dass die Abbildungen
\[
\begin{matrix}
A: 𝒪_p(^n_k) && 𝒪_q(𝔸^n_k), & \quad & \left[ \frac{f}{g} \right] && \frac{f_*}{g_*} \\
@@ -118,9 +115,9 @@ scheint.
\end{matrix}
\]
wohldefinierte, zueinander inverse Morphismen von $k$-Algebren sind. Die
Ringe $𝒪_p(^n_k)$ und $𝒪_q(𝔸^n_k)$ sind also in natürlicherweise zueinander
isomorphe $k$-Algebren. Insbesondere handelt es sich bei $𝒪_p(^n_k)$ um
einen lokalen Ring.
Ringe $𝒪_p(^n_k)$ und $𝒪_q(𝔸^n_k)$ sind also in natürlicherweise
zueinander isomorphe $k$-Algebren. Insbesondere handelt es sich bei
$𝒪_p(^n_k)$ um einen lokalen Ring.
\end{konstruktion}
\begin{bemerkung}
@@ -136,13 +133,13 @@ die Formel, die sich beim Beweis von Satz~\ref{satz:EES} ergeben hat. Dazu muss
ich aber erst noch klarstellen, welche Ideale im lokalen Ring ich genau
betrachten möchte.
\begin{beobachtung}[Ideale im lokalen Ring]\label{beob:17-2-1}
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $F$ und
$G ∈ k[x, y, z]$ zwei ebene projektive Kurven. Weiter sei
$p=[p_1:p_2:p_3] ∈ ℙ²$ ein Punkt. Dann gibt es mindestens einen Index $i$, so
dass $p_i ≠ 0$ ist. Gegeben einen solchen Index $i$, betrachten wir die
rationalen Funktionen $\frac{F}{x_i^{\deg F}}$ und
$\frac{G}{x_i^{\deg G}}𝒪_p(ℙ²)$, sowie das davon erzeugte Ideal
\begin{beobachtung}[Ideale im lokalen Ring]\label{beob:17-2-1}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $F$ und $G ∈
k[x, y, z]$ zwei ebene projektive Kurven. Weiter sei $p=[p_1:p_2:p_3] ∈ ℙ²$
ein Punkt. Dann gibt es mindestens einen Index $i$, sodass $p_i ≠ 0$ ist.
Gegeben einen solchen Index $i$, betrachten wir die rationalen Funktionen
$\frac{F}{x_i^{\deg F}}$ und $\frac{G}{x_i^{\deg G}}𝒪_p(ℙ²)$, sowie das
davon erzeugte Ideal
\[
I_{F,G,p} := \left( \frac{F}{x_i^{\deg F}}, \frac{G}{x_i^{\deg G}} \right)
𝒪_p(ℙ²).
@@ -164,21 +161,21 @@ betrachten möchte.
Beobachtung~\ref{beob:17-2-1} ermöglicht jetzt die Definition von Schnittzahlen.
\begin{defn}[Schnittzahl von ebenen projektiven Kurven]\label{def:schnittzahlp}
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $F$ und
$G ∈ k[x, y, z]$ zwei ebene projektive Kurven. Weiter sei $p ∈ ℙ²$ ein Punkt.
Dann definiere die \emph{Schnittzahl}\index{Schnittzahl!von ebenen projektiven
Kurven} der Kurven $F$ und $G$ im Punkt $p$ als
\begin{defn}[Schnittzahl von ebenen projektiven Kurven]\label{def:schnittzahlp}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $F$ und $G ∈
k[x, y, z]$ zwei ebene projektive Kurven. Weiter sei $p ∈ ℙ²$ ein Punkt. Dann
definiere die \emph{Schnittzahl}\index{Schnittzahl!von ebenen projektiven
Kurven} der Kurven $F$ und $G$ im Punkt $p$ als
\[
\Int_p(F, G) := \dim_k \factor{𝒪_p(ℙ²)}{I_{F,G,p}},
\]
wobei $I_{F,G,p}𝒪_p(ℙ²)$ das in Beobachtung~\ref{beob:17-2-1}
diskutierte Ideal ist.
wobei $I_{F,G,p}𝒪_p(ℙ²)$ das in Beobachtung~\ref{beob:17-2-1} diskutierte
Ideal ist.
\end{defn}
\begin{beobachtung}[Berechnung von Schnittzahlen]\label{beob:17-2-3}
\begin{beobachtung}[Berechnung von Schnittzahlen]\label{beob:17-2-3}%
Konstruktion~\ref{kons:17-1-5} zeigt uns, wie man Schnittzahlen ganz konkret
ausrechnet. Falls in der Situation von Definition~\ref{def:schnittzahlp} die
ausrechnet. Wenn in der Situation von Definition~\ref{def:schnittzahlp} die
dritte Koordinate des Punktes $p$ ungleich Null ist, dann liegt $p$ im Bild
der Standardkarte $φ_3$ und es ist
\[
@@ -186,9 +183,9 @@ Beobachtung~\ref{beob:17-2-1} ermöglicht jetzt die Definition von Schnittzahlen
\]
wobei auf der rechten Seite der Gleichung die bekannte Schnittzahl von Kurven
im affinen Raum $𝔸²_k$ steht. Falls $=[p_0:p_1:p_2]$ ist, dann hat der Punkt
$φ^{-1}_n(p)$ die Koordinaten
$\left( \frac{p_0}{p_2}, \frac{p_1}{p_2} \right)$ und die Schnittzahl kann
mithilfe des Algorithmus aus Bemerkung~\ref{bem:14-2-8} bestimmt werden.
$φ^{-1}_n(p)$ die Koordinaten $\left( \frac{p_0}{p_2}, \frac{p_1}{p_2}
\right)$ und die Schnittzahl kann mithilfe des Algorithmus aus
Bemerkung~\ref{bem:14-2-8} bestimmt werden.
Falls nicht die dritte, sondern eine andere Koordinate des Punktes $p$
ungleich Null ist, dann verfahre man analog, statt mit der Karte $φ_2$ dann
@@ -202,7 +199,7 @@ Beobachtung~\ref{beob:17-2-3} stellt den Zusammenhang her. Ich möchte dies
jetzt aber nicht vertiefen und weise nur auf die folgende Eigenschaft hin. Den
(langweiligen) Beweis lasse ich weg.
\begin{fakt}[Invarianz von Schnittzahlen unter Projektivitäten]\label{fakt:17-2-4}
\begin{fakt}[Invarianz von Schnittzahlen unter Projektivitäten]\label{fakt:17-2-4}%
In der Situation von Definition~\ref{def:schnittzahlp} sei eine Projektivität
$φ$ gegeben. Falls ich mich nicht mit den Vorzeichen geirrt habe, gilt dann
die Gleichung
@@ -219,14 +216,14 @@ jetzt aber nicht vertiefen und weise nur auf die folgende Eigenschaft hin. Den
\sideremark{Vorlesung 22}Nach allen Vorbereitungen kommen wir jetzt zum
versprochenen Satz von
Bézout\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/\%C3\%89tienne_B\%C3\%A9zout}{Étienne
Bézout} (* 31. März 1730 in Nemours, Département Seine-et-Marne; † 27.
September 1783 in Avon) war ein französischer Mathematiker.} über die
Schnittzahlen von projektiven Kurven.
Bézout} (* 31.~März 1730 in Nemours, Département Seine-et-Marne; † 27.~September
1783 in Avon) war ein französischer Mathematiker.} über die Schnittzahlen von
projektiven Kurven.
\begin{satz}[Satz von Bézout]
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $F$ und
$G ∈ k[x, y, z]$ zwei ebene projektive Kurven ohne gemeinsame Komponente.
Dann gilt die Gleichung
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $F$ und $G ∈
k[x, y, z]$ zwei ebene projektive Kurven ohne gemeinsame Komponente. Dann gilt
die Gleichung
\[
\sum_{p ∈ ℙ²} \Int_p(F,G) = (\deg F)·(\deg G).
\]
@@ -234,17 +231,17 @@ Schnittzahlen von projektiven Kurven.
\begin{proof}
Der Beweis ist aus \cite[Sect.~5.3]{MR1042981} abgekupfert, vielleicht wollen
Sie auch einmal direkt in diese Quelle schauen. Um allzu viele Indizes zu
vermeiden, bezeichnen wir die Koordinaten projektive Ebene mit $[x:y:z]$.
Weil die Kurven $F$ und $G$ keine gemeinsame Komponente haben, ist die
Schnittmenge von $F$ und $G$ ist endlich. Nach Komposition mit einer
geeigneten Projektivität erlaubt Fakt~\ref{fakt:17-2-4} deshalb, ohne
Beschränkung der Allgemeinheit anzunehmen, dass keiner der Schnittpunkte auf
der unendlich fernen Geraden $\{z=0\}$ liegt. Es gelten dann die Gleichungen
vermeiden, bezeichnen wir die Koordinaten projektive Ebene mit $[x:y:z]$. Weil
die Kurven $F$ und $G$ keine gemeinsame Komponente haben, ist die Schnittmenge
von $F$ und $G$ ist endlich. Nach Komposition mit einer geeigneten
Projektivität erlaubt Fakt~\ref{fakt:17-2-4} deshalb, ohne Beschränkung der
Allgemeinheit anzunehmen, dass keiner der Schnittpunkte auf der unendlich
fernen Geraden $\{z=0\}$ liegt. Es gelten dann die Gleichungen
\begin{align*}
\sum_{p ∈ ℙ²} \Int_p(F,G) & = \sum_{a ∈ 𝔸²} \Int_p(F_*, G_*) && \text{Beobachtung~\ref{beob:17-2-3}} \\
& = \dim_k \factor{k[x,y]}{(F_*, G_*)} && \text{Erw.~Erinnerung~\ref{erin:14-2-6}}
& = \dim_k \factor{k[x,y]}{(F_*, G_*)} && \text{Erinnerung~\ref{erin:14-2-6}.}
\end{align*}
Um die Zahl der Buchstaben zu reduzieren schreiben wir noch
Um die Zahl der Buchstaben zu reduzieren, schreiben wir noch
\begin{align*}
n & := \deg G & m & := \deg G \\
R & := k[x,y,z] & Γ &:= \factor{k[x,y,z]}{(F, G)}
@@ -255,7 +252,7 @@ Schnittzahlen von projektiven Kurven.
folgenden Gleichungen zu beweisen,
\begin{align}
\label{eq:17-3-1-1} \dim_k Γ_* & = \dim_k Γ_d \\
\label{eq:17-3-1-2} \dim_k Γ_d & = n·m
\label{eq:17-3-1-2} \dim_k Γ_d & = n·m.
\end{align}
Zur besseren Lesbarkeit ist der Beweis in drei relativ unabhängige Schritte
aufgeteilt.
@@ -278,8 +275,8 @@ Schnittzahlen von projektiven Kurven.
\bigskip\noindent\textbf{Schritt 3} Beweis der Gleichung~\eqref{eq:17-3-1-1}.
Sei $d ≥ n+m$. Wähle homogene Polynome $A_1, …, A_ ∈ R_d$, sodass die
Restklassen $[A_] ∈ Γ_d$ eine Vektorraumbasis von $Γ_d$ bilden. Ich zeige im
\video{22-3}, dass die Restklassen der dehomogenisierten Elemente
$[A_{•,*}] Γ_*$ ebenfalls eine Vektorraumbasis bilden.
\video{22-3}, dass die Restklassen der dehomogenisierten Elemente $[A_{•,*}]
Γ_*$ ebenfalls eine Vektorraumbasis bilden.
\end{proof}
\begin{kor}[Projektive Kurven schneiden sich]
@@ -287,10 +284,10 @@ Schnittzahlen von projektiven Kurven.
Kurven im $ℙ²_k$ schneiden sich stets in mindestens einem Punkt. \qed
\end{kor}
\begin{kor}[Affine Kurven schneiden sich nicht zu sehr]\label{kor:aksnzs}
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $F$ und
$G ∈ k[x, y]$ zwei ebene, affine Kurven ohne gemeinsame Komponente. Dann
schneiden sich diese Kurven in höchstens $(\deg F)·(\deg G)$ vielen Punkten.
\begin{kor}[Affine Kurven schneiden sich nicht zu sehr]\label{kor:aksnzs}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und es seien $F$ und $G ∈
k[x, y]$ zwei ebene, affine Kurven ohne gemeinsame Komponente. Dann schneiden
sich diese Kurven in höchstens $(\deg F)·(\deg G)$ vielen Punkten.
\qed
\end{kor}
@@ -305,7 +302,7 @@ können wir die Anzahl von singulären Punkten einer ebenen affinen Kurve durch
den Grad der Kurve beschränken. Affine Kurven können also nicht allzu viele
singuläre Punkte haben.
\begin{kor}[Affine Kurven sind nicht zu singulär]\label{kor:17-3-4}
\begin{kor}[Affine Kurven sind nicht zu singulär]\label{kor:17-3-4}%
Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper der Charakteristik Null und
es sei $F ∈ k[x, y]$ eine irreduzible ebene affine Kurve. Diese Kurve hat
höchstens $(\deg F)·(\deg F -1)$ viele singuläre Punkte.
@@ -313,10 +310,10 @@ singuläre Punkte haben.
\begin{proof}
Wegen der Annahme über die Charakteristik von $k$ verschwinden nicht alle
Ableitungen von $F$; wir nehmen an ohne Beschränkung der Allgemeinheit an,
dass $G := \frac{∂ F}{∂ x}$ nicht das Nullpolynom ist. Es gilt
$\deg G ≤ \deg F -1$.
dass $G := \frac{∂ F}{∂ x}$ nicht das Nullpolynom ist. Es gilt $\deg G ≤ \deg
F -1$.
Aus Definition~\vref{defn:ep} (``Glatte und singuläre Punkte'') ist klar, dass
Aus Definition~\vref{defn:ep} (Glatte und singuläre Punkte) ist klar, dass
die singulären Punkte von $F$ Schnittpunkte der Kurven $F$ und $G$ sind. Die
Annahme, dass $F$ irreduzibel ist, stellt sicher, dass $F$ und $G$ keine
gemeinsame Komponente haben und die Aussage folgt aus
@@ -351,13 +348,13 @@ Fällen klar. Abbildung~\ref{fig:barth} zeigt eine Fläche vom Grad 6 mit 65
singulären Punkten. Diese Fläche wurde 1996 in der Arbeit \cite{MR1358040} von
Wolf
Barth\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Wolf_Barth_(Mathematiker)}{Wolf
Paul Barth} (* 20. Oktober 1942 in Wernigerode; † 30. Dezember 2016) war
ein deutscher Mathematiker, der sich mit algebraischer Geometrie
beschäftigte.} konstruiert, nachdem Mathematiker lange Zeit vermutet hatten,
dass maximal 64 singuläre Punkte möglich seien (es gab sogar einige fehlerhafte,
veröffentlichte Beweise). Kurz nach Barths Konstruktion bewiesen Jaffe und
Ruberman in \cite{MR1486992}, dass die Fläche tatsächlich optimal ist: ``A
sextic cannot have 66 nodes''.
Paul Barth} (* 20.~Oktober 1942 in Wernigerode; † 30.~Dezember 2016) war ein
deutscher Mathematiker, der sich mit algebraischer Geometrie beschäftigte.}
konstruiert, nachdem Mathematiker lange Zeit vermutet hatten, dass maximal 64
singuläre Punkte möglich seien (es gab sogar einige fehlerhafte, veröffentlichte
Beweise). Kurz nach Barths Konstruktion bewiesen Jaffe und Ruberman in
\cite{MR1486992}, dass die Fläche tatsächlich optimal ist:
\foreignlanguage{english}{A sextic cannot have 66 nodes}.
\begin{bemerkung}
Sehen Sie im Bild, dass die Fläche die Symmetrie des Ikosaeders hat? Das ist
@@ -365,12 +362,12 @@ sextic cannot have 66 nodes''.
\end{bemerkung}
\href{https://oliverlabs.net}{Oliver Labs}, der 2005 an der Universität Mainz
zum Thema ``Flächen mit vielen singulären Punkten'' promovierte, hat einen
zum Thema Flächen mit vielen singulären Punkten promovierte, hat einen
\href{https://www.oliverlabs.net/data/AlgSurfManySings_German.pdf}{lesenswerten,
reich bebilderten Artikel für ein breites mathematisches Publikum}
geschrieben, den ich Ihnen empfehlen kann. Mit dem Programm
reich bebilderten Artikel für ein breites mathematisches Publikum} geschrieben,
den ich Ihnen empfehlen kann. Mit dem Programm
\href{https://imaginary.org/program/surfer}{Surfer} können Sie viele der
``Weltrekordflächen'' aus Labs' Artikel interaktiv in 3D zeichnen, animieren und
Weltrekordflächen aus Labs' Artikel interaktiv in 3D zeichnen, animieren und
mit den Gleichungen spielen. Abbildung~\ref{fig:barth} ist ein Screenshot
dieses Programms.

View File

@@ -171,7 +171,7 @@ Dieser Text ist unter der Lizenz
\bibstyle{alpha}
\bibliographystyle{alpha}
\bibliography{bibliography/general}
\bibliography{bibliography/math}
\end{document}

11
TODO.md Normal file
View File

@@ -0,0 +1,11 @@
Am 15.09.23 um 13:51 schrieb daniel rath:
> Ich melde mich mit einer Frage zum Skript der Kommutativen Algebra. In 13.1 geht es um die Geometrische Interpretation der Noether Normalisierung. Im dritten Absatz wird gefolgert, dass die Ganzheit der Ringerweiterung k[y_1,\dots,k_d] \subset A zusammen mit der Isomorphie Y \cong A_k^d zur Folge hat, dass dim A = dim Y = dim A_k^d gilt.
>
> Hierfür wird 12.2.2 (Dimension unter ganzen Ringerweiterungen von Integritätsringen) benutzt. Meiner Meinung nach ist jedoch der reduzierte Ring A nur dann ein Integritätsbereich wenn die Varietät X irreduzibel ist. Zunächst habe ich gedacht, dass dies nur vergessen wurde. Allerdings wird in Satz 13.3.2 (Noether-Normalisierung und Dimension) explizit erst nach der Folgerung dim A = d gefordert, dass A ein Integritätsbereich ist.
>
> Übersehe ich hier etwas oder ist hier etwas falsch? Meiner Meinung nach ist die Forderung dass der Ring B in Satz 12.2.2 ein Integritätsbereich ist zwingend notwendig für die Aussage über die Dimensionen.
Kebekus: Das habe ich mir selbst eine Falle gebaut. In der Literatur wird der Begriff "Varietät" nicht immer einheitlich verwendet. Viele Autoren (darunter Hartshorne) verlangen, dass eine Varietät immer schon irreduzibel sein muss. Ich folge Hartshorne normalerweise und habe beim Schreiben mit Sicherheit nur an den Fall "X irreduzibel" gedacht. Ich sehe aber, dass das Wort "Varietät" im Skript eigentlich an keine Stelle so ganz präzise definiert wurde…
Als Stop-Gap-Measure füge ich jetzt in §13.1 das Wort "irreduzibel" ein. Vermutlich sollte ich aber noch einmal durch den gesamten Text gehen und Varietäten richtig definieren…

1
bibliography Submodule

Submodule bibliography added at a43a026480

File diff suppressed because it is too large Load Diff

File diff suppressed because it is too large Load Diff

5
deploy.sh Executable file
View File

@@ -0,0 +1,5 @@
#!/bin/bash
set -e
latexmk --pdf KommutativeAlgebra.tex
cp KommutativeAlgebra.pdf public/KommutativeAlgebra.pdf