Elementare und algebraische Zahlentheorie/13/Klausur mit Lösungen/latex

%Daten zur Institution

%\input{Dozentdaten}

%\renewcommand{\fachbereich}{Fachbereich}

%\renewcommand{\dozent}{Prof. Dr. . }

%Klausurdaten

\renewcommand{\klausurgebiet}{ }

\renewcommand{\klausurtyp}{ }

\renewcommand{\klausurdatum}{ . 20}

\klausurvorspann {\fachbereich} {\klausurdatum} {\dozent} {\klausurgebiet} {\klausurtyp}

%Daten für folgende Punktetabelle


\renewcommand{\aeins}{ 3 }

\renewcommand{\azwei}{ 3 }

\renewcommand{\adrei}{ 3 }

\renewcommand{\avier}{ 4 }

\renewcommand{\afuenf}{ 1 }

\renewcommand{\asechs}{ 4 }

\renewcommand{\asieben}{ 3 }

\renewcommand{\aacht}{ 2 }

\renewcommand{\aneun}{ 3 }

\renewcommand{\azehn}{ 4 }

\renewcommand{\aelf}{ 4 }

\renewcommand{\azwoelf}{ 0 }

\renewcommand{\adreizehn}{ 3 }

\renewcommand{\avierzehn}{ 2 }

\renewcommand{\afuenfzehn}{ 6 }

\renewcommand{\asechzehn}{ 0 }

\renewcommand{\asiebzehn}{ 45 }

\renewcommand{\aachtzehn}{ }

\renewcommand{\aneunzehn}{ }

\renewcommand{\azwanzig}{ }

\renewcommand{\aeinundzwanzig}{ }

\renewcommand{\azweiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\adreiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\avierundzwanzig}{ }

\renewcommand{\afuenfundzwanzig}{ }

\renewcommand{\asechsundzwanzig}{ }

\punktetabellesechzehn

\klausurnote

\newpage


\setcounter{section}{K}





\inputaufgabepunkteloesung
{3}
{

Definiere die folgenden \zusatzklammer {kursiv gedruckten} {} {} Begriffe. \aufzaehlungsechs{\stichwort {Befreundete Zahlen} {.}

}{Die \stichwort {Faltung} {} von zahlentheoretischen Funktionen
\mathl{f,g}{.}

}{Ein \stichwort {noetherscher} {} Ring.

}{Die \stichwort {Spur} {} zu einem Element
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ L }
{ }{}
{ }{}
{ }{}
} {}{}{} bei einer \definitionsverweis {endlichen Körpererweiterung}{}{}
\mathl{K \subseteq L}{.}

}{Die \stichwort {Ordnung} {} zu einem Element \mathind { f \in R } { f \neq 0 }{,} in einem \definitionsverweis {diskreten Bewertungsring}{}{} $R$.

}{Ein \stichwort {gebrochenes Hauptideal} {} zu einem Zahlbereich $R$. }

}
{

\aufzaehlungsechs{Zwei verschiedene natürliche Zahlen $m$ und $n$ heißen befreundet, wenn $m$ gleich der Summe der echten Teiler von $n$ ist und umgekehrt. }{Die durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{(f *g)(n) }
{ \defeq} { \sum_{d \text{ teilt } n } f(d)g { \left( { \frac{ n }{ d } } \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} definierte Funktion heißt die Faltung von \mathkor {} {f} {und} {g} {.} }{Ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} $R$ heißt noethersch, wenn jedes Ideal darin \definitionsverweis {endlich erzeugt}{}{} ist. }{Zu einem Element
\mathl{f \in L}{} nennt man die \definitionsverweis {Spur}{}{} der $K$-linearen Abbildung \maabbeledisp {\varphi_f} {L} { L } {y} { fy } {,} die Spur von $f$. }{Es sei $p$ das \definitionsverweis {Primelement}{}{} von $R$. Die Zahl
\mathl{n \in \N}{} mit der Eigenschaft
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ = }{up^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei $u$ eine \definitionsverweis {Einheit}{}{} bezeichne, heißt die Ordnung von $f$. }{Man nennt ein \definitionsverweis {gebrochenes Ideal}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak f} }
{ \subseteq }{ Q(R) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} im \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{}
\mathl{Q(R)}{} der Form
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak f} }
{ = }{ Rq }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mathl{q \in Q(R)}{} ein gebrochenes Hauptideal. }


}





\inputaufgabepunkteloesung
{3}
{

}
{

\aufzaehlungdrei{Es sei $p$ eine ungerade Primzahl. Dann gilt für eine zu $p$ teilerfremde Zahl $k$ die Gleichheit
\mathdisp {\left(\frac{k}{p}\right) = k^{ \frac{p-1}{2} } \mod p} { . }
}{Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und $\mathfrak p$ ein \definitionsverweis {Ideal}{}{} in $R$. Dann ist $\mathfrak p$ ein \definitionsverweis {Primideal}{}{} genau dann, wenn der \definitionsverweis {Restklassenring }{}{}
\mathl{R/{\mathfrak p}}{} ein \definitionsverweis {Integritätsbereich}{}{} ist.}{\faktsituation {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a} }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Ideal}{}{} in $R$.}
\faktfolgerung {Dann gibt es eine Produktdarstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a} }
{ =} { {\mathfrak p}_1^{r_1} \cdots {\mathfrak p}_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit \zusatzklammer {bis auf die Reihenfolge} {} {} eindeutig bestimmten \definitionsverweis {Primidealen}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p}_i }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} aus $R$ und eindeutig bestimmten Exponenten
\mathbed {r_i} {}
{i= 1 , \ldots , k} {}
{} {} {} {.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{3}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Primfaktorzerlegung}{}{} von $999999$.

}
{

Es ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{999 999 }
{ =} {9 \cdot 111 111 }
{ =} {3^2 \cdot 3 \cdot 37037 }
{ =} {3^3 \cdot 7 \cdot 5291 }
{ =} {3^3 \cdot 7 \cdot 11 \cdot 481 }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} {3^3 \cdot 7 \cdot 11 \cdot 13 \cdot 37 }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
} {}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4}
{

Bestimme in
\mathl{{\Z}[{ \mathrm i}]}{} mit Hilfe des euklidischen Algorithmus den größten gemeinsamen Teiler von
\mathl{7+4{ \mathrm i}}{} und
\mathl{5+3{ \mathrm i}}{.}

}
{

Wir setzen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ = }{ 7+4 { \mathrm i} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{b }
{ = }{5+3 { \mathrm i} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und führen die Division mit Rest
\mathl{a/b}{} durch. Es ist \zusatzklammer {in ${\mathbb C}$ oder in
\mathl{\Q[ { \mathrm i} ]}{}} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \frac{a}{b} }
{ =} {\frac{7+4 { \mathrm i} }{5+3 { \mathrm i} } }
{ =} {\frac{(7+4 { \mathrm i} )(5-3 { \mathrm i} )}{(5+3{\mathrm i})(5-3 { \mathrm i} )} }
{ =} {\frac{47- { \mathrm i} }{34} }
{ =} {\frac{47}{34} - \frac{1}{34} { \mathrm i} }
} {}{}{.} Die beste Approximation für diese komplexe Zahl mit einer ganzen Gaußschen Zahl ist $1$, sodass die Division mit Rest ergibt:
\mathdisp {a=1 \cdot b+r \text{ mit } r= a-b= 2+ { \mathrm i}} { . }
Die nächste durchzuführende Division ist somit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \frac{b}{r} }
{ =} { \frac{5+3 { \mathrm i} }{2+{ \mathrm i} } }
{ =} { \frac{(5+3 { \mathrm i} )(2-{ \mathrm i})}{(2+ { \mathrm i} )(2- { \mathrm i} )} }
{ =} { \frac{13+{ \mathrm i} }{5} }
{ =} { \frac{13}{5} + \frac{1}{5} { \mathrm i} }
} {}{}{.} Die beste Approximation für diese komplexe Zahl mit einer ganzen Gaußschen Zahl ist $3$, sodass die Division mit Rest ergibt:
\mathdisp {b=3 \cdot r +s \text{ mit } s= b-3r =5+3 { \mathrm i} -3(2+ { \mathrm i} )= -1} { . }
Da dies eine Einheit ist, sind \mathkor {} {a = 7+4{ \mathrm i}} {und} {b = 5+3{ \mathrm i}} {} teilerfremd.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{1}
{

Bestimme die Lösungen der Gleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x^2 }
{ =} {x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} über $\Z/(6)$.

}
{

Neben den Standardlösungen \mathkor {} {0} {und} {1} {} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{3^2 }
{ =} {9 }
{ =} {3 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{4^2 }
{ =} {16 }
{ =} {4 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dagegen ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{2^2 }
{ =} {4 }
{ \neq} {2 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{5^2 }
{ =} {25 }
{ =} {1 }
{ \neq} {5 }
{ } { }
} {}{}{.} Die Lösungen sind also
\mathl{\{0,1,3,4\}}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4}
{

Bestimme in
\mathl{\Z/(11)[X]}{} den \zusatzklammer {normierten} {} {} größten gemeinsamen Teiler der beiden Polynome
\mathdisp {X^4+2X^3 +2X^2 +3 \, \, \, \text{ und } \, \, \, X^2+ 7X + 10} { . }

}
{Euklidischer Algorithmus/Polynomring über Z mod 11/X^4+2X^3 +2X^2 +3 und X^2+ 7X + 10/Aufgabe/Lösung }





\inputaufgabepunkteloesung
{3}
{

Bestimme, für welche
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {Binomialkoeffizient}{}{}
\mathdisp {\binom { n } { 2 }} { }
eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{} ist.

}
{

Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \binom { 2 } { 2 } }
{ =} {1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} keine Primzahl. Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \binom { 3 } { 2 } }
{ =} {3 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine Primzahl. Wir behaupten, dass für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{4 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der Binomialkoeffizient
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \binom { n } { 2 } }
{ =} {{ \frac{ n \cdot (n-1) }{ 2 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} keine Primzahl ist. Wenn nämlich $n$ gerade ist, so ist
\mathl{n-1}{} gerade und es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ n \cdot (n-1) }{ 2 } } }
{ =} { { \frac{ n }{ 2 } } \cdot (n-1) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und beide Faktoren sind
\mathl{\geq 2}{,} also liegt eine echte Faktorzerlegung vor. Wenn $n$ ungerade ist, so ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ n \cdot (n-1) }{ 2 } } }
{ =} { n \cdot { \frac{ n-1 }{ 2 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und wieder sind beide Faktoren
\mathl{\geq 2}{,} also liegt eine echte Faktorzerlegung vor.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{2}
{

Bestimme die Anzahl der hinteren Nullen in der Dezimalentwicklung von
\mathl{100!}{.}

}
{

Die $5$ kommt in den $20$ Zahlen
\mathl{5,10 , \ldots , 100}{} jeweils einmal vor und in $25,50,75,100$ nochmal zusätzlich mit einer weiteren Potenz. In $100!$ kommt also der Primfaktor $5$ mit dem Exponenten $24$ vor. Wegen der $50$ geraden Zahlen kommt der Primfaktor $2$ öfters vor. In $100!$ ist also $10^{24}$ die größte Zehnerpotenz und somit besitzt $100!$ genau $24$ Nullen am Ende.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{3}
{

Berechne
\mathl{24^{1000000}}{} in
\mathl{\Z/(35)}{.}

}
{

Der Zahl $24$ entspricht in
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Z/(35) }
{ \cong }{ \Z/(5) \times \Z/(7) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} das Paar
\mathl{(4,3)}{.} Das Element $4$ hat in
\mathl{\Z/(5)}{} die Ordnung $2$. Das Element $3$ hat in
\mathl{\Z/(7)}{} wegen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{3^2 }
{ = }{2 }
{ \neq }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{3^3 }
{ = }{6 }
{ \neq }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Ordnung $6$. Die multiplikative Ordnung von $24$ ist somit $6$. In
\mathl{\Z/(6)}{} gilt \zusatzklammer {durch abziehen von \mathlk{600000}{} und \mathlk{360000}{} etc.} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{1000000 }
{ =} {400000 }
{ =} {40000 }
{ =} {4000 }
{ =} {400 }
} {
\vergleichskettefortsetzung
{ =} {40 }
{ =} {4 }
{ } {}
{ } {}
}{}{.} Daher ist die gefragte Potenz in Produktschreibweise gleich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (4^4,3^4) }
{ =} { (1, 2^2) }
{ =} { (1,4) }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Diesem Paar entspricht das Element $11$.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4}
{

Zeige, dass $-3$ genau dann ein Quadratrest modulo einer \definitionsverweis {Primzahl}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ \neq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{0,1 \mod 3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.

}
{

Der Fall
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist direkt erledigt, sodass wir nur die Fälle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{1 \mod 3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{2 \mod 3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} betrachten müssen. Bei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{p }
{ =} {1 \mod 4 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist nach Fakt und Fakt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \left( \frac{ -3 }{ p }\right) }
{ =} { \left( \frac{ 3 }{ p }\right) \left( \frac{ -1 }{ p }\right) }
{ =} { \left( \frac{ 3 }{ p }\right) }
{ =} { \left( \frac{ p }{ 3 }\right) }
{ } { }
} {}{}{,} also genau dann gleich $1$, wenn $p$ den Rest $1$ modulo $3$ besitzt.

Bei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{p }
{ =} {3 \mod 4 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist aus den gleichen Gründen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \left( \frac{ -3 }{ p }\right) }
{ =} { \left( \frac{ 3 }{ p }\right) \left( \frac{ -1 }{ p }\right) }
{ =} { - \left( \frac{ 3 }{ p }\right) }
{ =} { \left( \frac{ p }{ 3 }\right) }
{ } { }
} {}{}{} mit der gleichen Konsequenz.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4}
{

Zeige, dass jedes Ideal
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a} }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in einem Zahlbereich $R$ eine ganze Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{m }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} enthält.

}
{

Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{0 }
{ \neq }{ f }
{ \in }{ {\mathfrak a} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dieses Element ist nach der Definition eines \definitionsverweis {Zahlbereiches}{}{} \definitionsverweis {ganz}{}{} über $\Z$ und erfüllt demnach eine \definitionsverweis {Ganzheitsgleichung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f^n+ k_{n-1}f^{n-1} + k_{n-2}f^{n-2} + \cdots + k_1f +k_0 }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit ganzen Zahlen $k_i$. Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{k_0 }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} kann man die Gleichung mit $f$ kürzen, da
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Nichtnullteiler ist. So kann man sukzessive fortfahren und erhält schließlich eine Ganzheitsgleichung, bei der der konstante Term nicht $0$ ist. Es sei also in obiger Gleichung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{k_0 }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f { \left( f^{n-1}+ k_{n-1}f^{n-2} + k_{n-2}f^{n-3} + \cdots + k_1 \right) } }
{ =} {-k_0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und somit ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{k_0 }
{ \in }{ (f) \cap \Z }
{ \subseteq }{{\mathfrak a} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{0}
{

}
{/Aufgabe/Lösung }





\inputaufgabepunkteloesung
{3}
{

Bestimme eine ganze Zahl $n$ derart, dass die Lösungen der quadratischen Gleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x^2 +3 x + { \frac{ 7 }{ 3 } } }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} in
\mathl{\Q[\sqrt{n}]}{} liegen.

}
{

Wir schreiben die Gleichung als
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( x + { \frac{ 3 }{ 2 } } \right) }^2 }
{ =} { - { \frac{ 7 }{ 3 } } + { \frac{ 9 }{ 4 } } }
{ =} { { \frac{ -28+27 }{ 12 } } }
{ =} {{ \frac{ -1 }{ 12 } } }
{ } { }
} {}{}{.} Daher ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x + { \frac{ 3 }{ 2 } } }
{ =} { \pm {\sqrt{ { \frac{ -1 }{ 12 } } } } }
{ =} {\pm { \frac{ 1 }{ 2 } } {\sqrt{ - { \frac{ 1 }{ 3 } } } } }
{ =} {\pm { \frac{ 1 }{ 6 } } {\sqrt{ - 3 } } }
{ } { }
} {}{}{.} Also liegen die Lösungen in
\mathl{\Q[ {\sqrt{ -3 } } ]}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{2}
{

Es sei $A_D$ ein \definitionsverweis {quadratischer Zahlbereich}{}{.} Bestimme die \definitionsverweis {Norm}{}{} von \mathkor {} {\sqrt{D}} {und von} {{ \frac{ 1+ \sqrt{D} }{ 2 } }} {.}

}
{

Wegen $\sqrt{D} \cdot \sqrt{D} =D$ ist die Multiplikationsmatrix von $\sqrt{D}$ gleich
\mathl{\begin{pmatrix} 0 & D \\ 1 & 0 \end{pmatrix}}{} und somit ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{N (\sqrt{D}) }
{ =} { \det \begin{pmatrix} 0 & D \\ 1 & 0 \end{pmatrix} }
{ =} { - D }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 + \sqrt{D} }{ 2 } } \cdot \sqrt{D} }
{ =} { { \frac{ \sqrt{D} + D }{ 2 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist die Multiplikationsmatrix von
\mathl{{ \frac{ 1 + \sqrt{D} }{ 2 } }}{} gleich
\mathl{\begin{pmatrix} { \frac{ 1 }{ 2 } } & { \frac{ D }{ 2 } } \\ { \frac{ 1 }{ 2 } } & { \frac{ 1 }{ 2 } } \end{pmatrix}}{} und somit ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{N { \left( { \frac{ 1 + \sqrt{D} }{ 2 } } \right) } }
{ =} { \det \begin{pmatrix} { \frac{ 1 }{ 2 } } & { \frac{ D }{ 2 } } \\ { \frac{ 1 }{ 2 } } & { \frac{ 1 }{ 2 } } \end{pmatrix} }
{ =} { { \frac{ 1-D }{ 4 } } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{6}
{

Es sei $\Z_n$ die Nenneraufnahme zu $n$ \zusatzklammer {$\Z_n$ besteht also aus allen rationalen Zahlen, die man mit einer Potenz von $n$ als Nenner schreiben kann} {} {.} Zeige, dass es nur endlich viele Unterringe $R$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Z }
{ \subseteq} { R }
{ \subseteq} { \Z_n }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gibt, und charakterisiere diese unter Verwendung der Primfaktorzerlegung von $n$.

}
{

Es sei $R$ ein Unterring, also
\mathl{\Z \subseteq R \subseteq \Z_n}{,} und seien
\mathl{p_1, \ldots, p_k}{} die verschiedenen Primfaktoren von $n$. Es sei
\mathl{I \subseteq \{ 1, \ldots, s\}}{} derart, dass genau für
\mathl{i \in I}{} gilt:
\mathl{\frac{1}{p_i} \in R}{.} Es sei
\mathl{m= \prod_{i \in I} p_i}{.} Wir behaupten die Gleichheit
\mathdisp {R =\Z_m} { . }
Insbesondere gibt es dann nur endliche viele Zwischenringe, da es nur endlich viele Teilmengen aus
\mathl{\{p_1, \ldots, p_k\}}{} gibt.

Die Inklusion
\mathl{\Z_m \subseteq R}{} ist klar. Ein Element links hat die Gestalt
\mathdisp {\frac{a}{m^r}= a \prod_{i \in I} \left(\frac{1}{p_i}\right)^r \in R} { . }
Es sei umgekehrt
\mathl{f \in R}{.} Wegen
\mathl{R \subseteq \Z_n}{} kann man schreiben
\mathdisp {f = \frac{b}{n^r} = \frac{c}{d}} { }
Dabei kann man nach kürzen annehmen, dass Zähler $c$ und Nenner $d$ teilerfremd sind. Angenommen, $p$ sei ein Primteiler von $d$, der nicht zu $p_i$,
\mathl{i \in I}{,} gehöre. Schreibe
\mathl{d=p^st}{} mit $t$ und $p$ teilerfremd. Wir multiplizieren $f$ mit $t$ und erhalten
\mathdisp {ft= \frac{c}{p^s} \in R} { . }
Hierbei ist insbesondere $p$ zu $c$ teilerfremd. Es sei
\mathl{uc+vp^s=1}{.} Dann ist
\mathdisp {\frac{uc}{p^s} = \frac{1-vp^s}{p^s} = \frac{1}{p^s} -v} { . }
Daraus folgt
\mathl{\frac{1}{p^s} \in R}{} und damit
\mathl{p^{s-1}\frac{1}{p^s} =\frac{1}{p} \in R}{,} Widerspruch.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{0}
{

}
{/Aufgabe/Lösung }