Kurs:Funktionalanalysis/Ideal (Algebra)

Einführung

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Ideale sind in einer Algebra Untervektorräume, die gegenüber der Multiplikation mit beliebigen Elementen aus der Algebra abgeschlossen sind. Ein Untervektorraum   in einer Algebra   mit der multiplikativen Verknüpfung   ist ein Linksideal, wenn gilt

 

Unterschied Algebra und Ring

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In der Theorie zu topologischen Invertierbarkeitskriterien benötigt man den Begriff des Ideals in topologischen Algebren. Der Begriff des Ideals basiert auf der Ringtheorie. Daher werden zunächst die Unterschiede von Idealen in einem Ring und Algebra behandelt. Im Wesentlichen besitzt die Algebra neben dem beiden inneren Verknüpfung der Multiplikation und Addition zusätzlich eine Vektorraumstruktur mit einer äußeren Verknüpfung als Multiplikation mit Skalaren.

Verknüpfungen

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Ein Ring   hat zwei innere Verknüpfungen eine Algebra   hat mit der Addition   und Multiplikation   ebenfalls zwei innere Verknüpfungen in der Algebra und mit   als Multiplikation mit Skalaren zusätzlich eine äußere Verknüpfung.

Addition

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  •   ist eine abelsche Gruppe unter der Addition  , deren neutrales Element als Nullelement des Rings   mit   bezeichnet wird,
  •   ist ebenfalls eine abelsche Gruppe unter der Addition  , deren neutrales Element als Nullvektor des zugrunde liegenden Vektorraumes   mit   bezeichnet wird.

Multiplikation

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  •   ist eine Halbgruppe unter der Multiplikation  . In der gängigen Schreibung bindet   stärker als  , und wird sehr häufig sogar weggelassen.
  •   ist ebenfalls eine Halbgruppe unter der Multiplikation  . Auch hier bindet   stärker als  . Zur Unterscheidung von der Multiplikation mit Skalaren   werden manchmal ein unterschiedliches Symbol   für die innere Verknüpfung   verwendet. Zusätzlich gelten in der Algebra die Vektorraumaxiome bzgl. der äußeren Verknüpfung.

Kommutativität der Multiplikation

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Sowohl in Ringen als auch in Algebren muss die   bzw.   nicht kommutativ sein (z.B. Ring der quadratischen Matrizen).

Distributivgesetze

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Da die Kommuntativtät sowohl im Ring als auch in einer Algebra nicht vorausgesetzt werden können, müssen linke und rechte Distributivität als Eigenschaft formuliert werden. Es gelten die Distributivgesetze für alle   bzw.  : Linke Distributivität

 
 

Rechte Distributivität

 
 

Distributivität äußere Verknüpfung

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In einer Algebra   über dem Körper   gilt zusätzlich die Distributivität für die äußeren Verknüpfung bzgl. Vektoren (DV) und Skalaren (DS)

  • (DV)   (Vektoren distributiv)
  • (DS)   (Skalare distributiv)

Ideal in einem Ring

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In der abstrakten Algebra ist ein Ideal eine Teilmenge eines Rings, die das Nullelement enthält und abgeschlossen gegenüber Addition und Subtraktion von Elementen des Ideals sowie abgeschlossen gegenüber Multiplikation mit beliebigen Ringelementen ist. Beispielsweise sind Summe und Differenz zweier gerader Zahlen wieder gerade und zudem ist das Produkt einer geraden Zahl mit einer beliebigen ganzen Zahl ebenfalls gerade. Zudem ist die 0 als additiv Neutrales gerade. Das heißt, die Menge der geraden Zahlen ist ein Ideal im Ring der ganzen Zahlen.

Die Bezeichnung „Ideal“ ist abgeleitet aus dem Begriff „ideale Zahl“: Ideale können als Verallgemeinerung von Zahlen angesehen werden.

Geschichte - Ideal

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Das Konzept der Ideale hat seinen Ursprung in der algebraischen Zahlentheorie des 19. Jahrhunderts bei Ernst Eduard Kummer und wurde weiterentwickelt von Richard Dedekind und Leopold Kronecker. Bei David Hilbert war ein Ideal ein System von unendlich vielen ganzen algebraischen Zahlen eines Rationalitätsbereiches (algebraischer Zahlkörper), mit der Eigenschaft, dass auch sämtliche Linearkombinationen dieser (mit ganzen algebraischen Zahlen als Koeffizienten) darin enthalten sind. Diese Definition entspricht dem heutigen Begriff des gebrochenen Ideals.

„Ideale Zahlen“

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Der Ursprung der Ideale liegt in der Feststellung, dass in Ringen wie   die Eindeutigkeit der Zerlegung in irreduzible Elemente nicht gilt: So ist

 

und die beiden Faktoren jeder Zerlegung sind irreduzibel.[1]

Linksideal - Rechtsideal

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In der Literatur findet man häufig die Begriffe Linksideal, Rechtsideal und zweiseitiges Ideal. Die Unterscheidung ist notwendig, da sowohl Ringe als auch Algebren nicht notwendig kommuntativ bzgl. der Multiplikation sind.

Definition Ideal - Ring

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Es sei   eine Teilmenge eines Ringes  .   heißt dann Linksideal, wenn gilt:

R1:   ist eine Untergruppe von  
R2L: Für jedes   und   ist  .

Entsprechend ist   ein Rechtsideal, wenn Bedingung R1 und

R2R: Für jedes   und   ist  

erfüllt ist.

  nennt man schließlich zweiseitiges Ideal oder nur kurz Ideal, falls   Links- und Rechtsideal ist, also R1, R2L und R2R erfüllt.

Definition Ideal - Algebra

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Es sei   eine Teilmenge eine Algebra  .   heißt dann Linksideal, wenn gilt:

A1:   ist ein Untervektorraum von  
A2L: Für jedes   und   ist  .

Entsprechend ist   ein Rechtsideal, wenn Bedingung A1 und

A2R: Für jedes   und   ist  

erfüllt ist.

  nennt man ebenso zweiseitiges Ideal oder nur kurz Ideal, falls   Links- und Rechtsideal ist, also A1, A2L und A2R erfüllt.

Bemerkungen

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  • Ist die Multiplation kommutativ, dann fallen alle drei Begriffe zusammen, in einem nichtkommutativen Ring bzw. in einer nichtkommuntativen Algebra können sie sich aber unterscheiden.
  • Bedingung A1 ist äquivalent zu der Forderung, dass   nichtleer ist und das Untervektorraumkriterium erfüllt ist, d.h. mit  ,   gilt auch   ist (siehe Untervektorraumkriterium).

Aufgabe für Studierende

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  • Zeigen Sie, dass die Menge  , die nur aus dem neutralen Elemente der Addition   besteht, ein Ideal einer Algebra   ist.
  • Mit   sei   die Algebra der  -Matrizen mit Koeffizienten in   mit Matrixmultiplation  . Sei   nicht invertierbar. Zeigen Sie, dass   ein Rechtsideal in   ist, bei dem zusätzlich   gilt.
  • Wählen Sie für   eine Matrix, die nur an einer Komponente der Matrix von 0 verschieden ist. Geben Sie die Matrizen   allgemein bzgl. der Komponenten an.

Beispiele - Ideale im Ring

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Die folgenden Beispiele sind Ideale in einem Ring, bei denen im Vergleich zur Algebra keine zusätzlich keine Vektorraumstruktur über einem Körper   existiert.

  • Die Menge   der geraden ganzen Zahlen ist ein Ideal im Ring   aller ganzen Zahlen.   ist prinzipiell ein Unterring von  , in der Kategorie der Ringe mit Eins wird   jedoch (da ohne Einselement) nicht als Unterring bezeichnet.
  • Die Menge   der ungeraden ganzen Zahlen ist kein Ideal in  ; sie erfüllt keine der drei Bedingungen.

Beispiele - Ideale einer Algebra

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Die folgenden Algebren sind grundlegende Beispiele für Polynomalgebren mit Cauchy-Multiplikation und Algebren von stetigen Funktionen, die im Kurs über topologische Invertierbarkeitskriterien im Kontext Polynomalgebren   mit Koeffizienten aus eine zugrunde liegenden Algebra   erweitert werden. Die Ideale werden dabei für die Quotientenräume in Polynomalgebren   angewendet.

Beispiel - Polynomalgebra

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In der Algebra   aller Polynome mit reellen Koeffizienten und Cauchy-Produkt als Multiplikation wird folgendes Ideal   definiert, das aus allen Polynomen   besteht, die durch das Polynom   teilbar sind:

 

bildet ein Ideal in der Polynomalgebra  . Der Quotientenraum   ist ein Körper und isomorph zu den komplexen Zahlen und   ist sogar Maximalideal.

Beispiel - Algebra der stetigen Funktionen

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Die Algebra   aller stetigen Funktionen von   nach   enthält die Ideal   der Funktionen  , die an der Stelle   eine Nullstelle mit  . Ein anderes Ideal   in   sind die stetigen Funktionen mit kompaktem Träger, d. h. alle Funktionen  , für die die   kompakte Menge ist (d.h. abgeschlossen und beschränkt).

Beispiel - Nullideal

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Die Mengen   und   sind stets Ideale einer Algebra  . Hierbei wird   Nullideal genannt.[2]

Erzeugung von Idealen

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Alle Links-, alle Rechtsideale und alle zweiseitigen Ideale bilden jeweils ein Hüllensystem. Die zugehörigen Idealoperatoren werden mit   oder auch mit   bezeichnet.

Erzeugung durch Schnitt über Ideale

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Ist   eine Teilmenge der Algebra  , dann nennt man

 

das von   erzeugte Ideal in  .   ist das kleinste (Links-, Rechts- bzw. zweiseitige) Ideal in  , das   enthält.

Erzeugung von Rechts- bzw. Linksidealen

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Ist   eine Teilmenge der Algebra  , dann nennt man

 

das von   erzeugte Rechtsideal in  .   ist das kleinste (Links-, Rechts- bzw. zweiseitige) Ideal in  , das   enthält. Analog definiert.

 

Erzeugung in unitalen Algebren

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Besitzt   ein Einselement   (unital), so ist

 

und wenn   zusätzlich noch kommutativ ist, gilt sogar  

Hauptideal

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Das von einem Element   erzeugte Hauptideal ist

 

Aufgaben zu Idealen

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Die folgenden Aufgaben beziehen sich auf Algebren. Die Aussagen gelten ebenfalls in Ringen.

Radikale

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Sei   eine unitale Algebra mit kommutativer Multiplikation   und einem Einselement   und   ein Ideal. Zeigen Sie, dass dann auch das Radikal   von  , das als   definiert ist, ein Ideal ist.

Durchschnitt von Idealen

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Sei   eine unitale Algebra, so gilt für zwei Ideale  . Zeigen Sie, das der (mengentheoretische) Durchschnitt   von zwei Idealen   und   wieder ein Ideal ist.

 

Vereinigung von Idealen

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Geben Sie ein Gegenbeispiel an, dass die mengentheoretische Vereinigung   ist im Allgemeinen kein Ideal ist. Verwenden Sie dazu z.B. die zwei Ideal   in der Algebra der stetigen Funktion von   nach   mit

Summen von Idealen

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Seien   zwei Ideale in einer Algebra  . Zeigen Sie, dass die Summe wieder ein Ideal ist.

 

Wichtig: Summen und Vereinigungen von Idealen sind im Allgemeinen unterschiedliche Konstrukte. Zeigen dazu aber die folgende Inklusion:

 

Hauptideal einer Matrix

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Gegeben sind die beiden Matrizen

 

mit dem Einselement   in der Algebra  .

  • Bestimmen Sie das von   erzeugte Ideal   mit  .
  • Bestimmen Sie das von   erzeugte Rechtsideal   mit  . Wie unterscheidet es sich das erzeugte Rechtsideal   von dem erzeugten Linkideal  ? Hinweis: Nutzen Sie z.B. Maxima CAS für die Berechnung der allgemeinen Struktur der Polynome in dem Ideal.

Komplexprodukt von Idealen

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Das sogenannte Komplexprodukt   in einer Algebra  , das aus der Menge der Produkte von Elementen aus   mit Elementen aus   besteht, ist im Allgemeinen kein Ideal. Als Produkt von   und   wird daher das Ideal definiert, das von   erzeugt wird:

 

Seien   mit   und  . Zeigen Sie, dass gilt

 

Bemerkung Produktsymbol

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Besteht keine Verwechselungsgefahr mit dem inneren Produkt   und Multipliation mit Skalaren   in der Algebra, dann schreibt man auch das Idealprodukt   oder kurz   oder sogar nur  .

  • Der Quotient von   und   ist ein Ideal, das alle   enthält, für die das Komplexprodukt   eine Teilmenge von   ist:
 

Bemerkungen

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  • Das Produkt zweier Ideale ist stets in ihrem Schnitt enthalten:   Sind   und   teilerfremd, also  , so gilt sogar Gleichheit.
  • Der Idealquotient wird in der Literatur auch häufig in Klammern geschrieben:  
  • Mit den Verknüpfungen Summe und Durchschnitt bildet die Menge aller Ideale eines Ringes einen modularen, algebraischen Verband.
  • Einige wichtige Eigenschaften dieser Verknüpfungen werden in den Noetherschen Isomorphiesätzen zusammengefasst.

Echte Ideale

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Ein Ideal   heißt echt in einer Algebra  , wenn es nicht ganz   ist. Dies ist bei unitalen Algebren mit   genau dann der Fall, wenn   nicht in dem Ideal   liegt.

Maximale Ideale

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Ein echtes Ideal   heißt maximal, wenn es kein größeres echtes Ideal in der Algebra   gibt, d. h., wenn für jedes Ideal   gilt:

 

Bemerkung: Lemma von Zorn

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Mit Hilfe des Zornschen Lemmas kann gezeigt werden, dass jedes echte Ideal eines Rings mit   in einem maximalen Ideal enthalten ist. Insbesondere besitzt jede Algebra mit Einselement   (außer dem Nullring) ein maximales Ideal.

Aufgabe für Lernende

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  • Zeigen Sie in der Menge der stetigen Funktionen von , dass   mit   kein maximales Ideal ist.
  • Beweisen oder widerlegen Sie, dass   mit   eine maximales Ideal ist.

Primideale

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Ein echtes Ideal   heißt prim, wenn für alle Ideale   gilt:

  oder  

In einer Algebra mit Einselement   ist jedes maximale Ideal auch prim.

Faktoralgebren und Kerne

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Ideale sind wichtig, weil sie als Kerne von Algebrahomomorphismen auftreten und die Definition von Faktorringen ermöglichen. Diese Prinzipien werden auch bei der Konstruktion von Algebraerweiterungen bei der Untersuchung von topologischen Invertierbarkeitskriterien verwendet.

Algebrahomomorphismus

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Ein Algebrahomomorphismus   von einer Algebra   in eine Algebra   ist eine Abbildung   mit

 

für alle   und  . Der Kern von   ist definiert als

 

Zeigen Sie, dass der Kern ein zweiseitiges Ideal in der Algebra   ist.

Quotientraum als Algebra

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Startet man umgekehrt mit einem zweiseitigen Ideal   von  , dann kann man den Quotientenraum   (sprich: „  modulo  “) ebenfalls als eine Algebra von Nebenklassen auffassen, dessen Elemente die Form

 

für ein   aus   haben. Die Abbildung

 

ist ein surjektiver Algebrahomomorphismus (Algebraepimorphismus), dessen Kern genau das Ideal   ist. Damit sind die Ideale einer Algebra   genau die Kerne von Algebrahomomorphismen von  .

Algebraerweiterungen

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Im Kontext von Algebraerweiterungen werden mit Hauptidealen   und   ein Hauptideal definiert. Mit   wird eine Algebraerweitung   von   definiert, in der ein  -reguläres Element ein multiplikativ inverses Element besitzt. Dabei wird Topologie und auf   und   berücksichtigt, damit ein injektiver Algebrahomomorphismus   in   einbettet.

Einzelnachweise

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  1. Felix Klein: Vorlesungen über die Entwicklung der Mathematik im 19. Jahrhundert. Teil 1. Springer, Berlin 1926 (Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaften in Einzeldarstellungen. 24, ISSN 0072-7830), Kapitel VII, Abschnitt Theorie der algebraischen ganzen Zahlen … S. 321 f.
  2. Vorlesung Algebra I. (PDF; 493 kB) Abgerufen am 24. August 2013.

Literatur

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  • Felix Klein: Vorlesungen über die Entwicklung der Mathematik im 19. Jahrhundert. Teil 1. Springer, Berlin 1926 (Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaften in Einzeldarstellungen. 24, ISSN 0072-7830).
  • Ernst Eduard Kummer: Über die Zerlegung der aus Wurzeln der Einheit gebildeten complexen Zahlen in ihre Primfactoren. In: Journal für die reine und angewandte Mathematik. 35, 1847, S. 327–367.
  • David Hilbert: Zahlbericht "Die Theorie der algebraischen Zahlkörper, Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung", Bd. 4 S. 175–546 1897 [1]

Siehe auch

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