Kurs:Algebraische Zahlentheorie (Osnabrück 2020-2021)/Arbeitsblatt 19/latex

\setcounter{section}{19}






\zwischenueberschrift{Aufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme
\mathl{\Omega_{ {\mathbb C} {{|}} \R }}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {separable}{}{} \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{.} Zeige
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Omega_{ L {{|}} K } }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme
\mathl{\Omega_{ \Z[ { \mathrm i} ] {{|}} \Z }}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{A }
{ =} {R[X_1 , \ldots , X_n ]/ { \left( X_n- f { \left( X_1 , \ldots , X_{n-1} \right) } \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit einem Polynom
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{R[X_1 , \ldots , X_{n-1} ] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \zusatzklammer {die Nullstellenmenge ist also der Graph zu $f$} {} {.} Zeige auf zwei verschiedene Arten, dass
\mathl{\Omega_{ A {{|}} R }}{} ein freier $A$-\definitionsverweis {Modul}{}{} vom \definitionsverweis {Rang}{}{} $n-1$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ = }{K[X,Y]/(XY) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{}
\mathl{\Omega_{ R {{|}} K }}{} im Nullpunkt nicht \definitionsverweis {frei}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $A$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{S }
{ \subseteq }{A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {multiplikatives System}{}{.} Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Omega_{ A_S {{|}} A } }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $A$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{S }
{ \subseteq }{A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {multiplikatives System}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{A }
{ \subseteq }{B }
{ \subseteq }{A_S }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Zwischenring. Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Omega_{ B {{|}} A } }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche}{}{} \definitionsverweis {separable Körpererweiterung}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K[X] }
{ \subseteq }{L[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die zugehörige endliche Erweiterung der \definitionsverweis {Polynomringe}{}{} in einer Variablen. Zeige
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Omega_{ L[X] {{|}} K[X] } }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Interpretiere Lemma 19.3 für einen Grundkörper $K$ und einen $K$-\definitionsverweis {Algebrahomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {} {K[Y]} {K[X] } {Y} {F(X) } {,}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und $A$ eine \definitionsverweis {kommutative}{}{} $R$-\definitionsverweis {Algebra}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Kern}{}{} der \definitionsverweis {universellen Derivation}{}{} \maabbeledisp {} {A} { \Omega_{ R {{|}} A } } {f} { df } {,} eine $R$-\definitionsverweis {Unteralgebra}{}{} von $A$ ist.

}
{} {}


Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und $M$ ein $R$-\definitionsverweis {Modul}{}{.} Zu einem Element
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \in }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} heißt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Ann} _{ R } { \left( x \right) } }
{ =} { { \left\{ r \in R \mid rx = 0 \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} der \definitionswort {Annullator}{} von $x$.


Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und $M$ ein $R$-\definitionsverweis {Modul}{}{.} Der \definitionswort {Annullator}{} von $M$ ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Ann} _{ R } { \left( M \right) } }
{ =} { { \left\{ r \in R \mid rx = 0 \text{ für alle } x \in M \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}





\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a} }
{ \subseteq }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Ideal}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Annullator}{}{} des $R$-\definitionsverweis {Moduls}{}{}
\mathl{R/ {\mathfrak a}}{} gleich ${\mathfrak a}$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{,} $M$ ein $R$-\definitionsverweis {Modul}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{I }
{ \subseteq }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Ideal}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{IM }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass $M$ in natürlicher Weise ein
\mathl{R/I}{-}Modul ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{A }
{ = }{R[X]/ {\mathfrak a} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {monogene}{}{} $R$-\definitionsverweis {Algebra}{}{} und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak b} }
{ = }{ \operatorname{Ann} _{ } { \left( dX \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {Annullator}{}{} von $dX$ im \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{}
\mathl{\Omega_{ A {{|}} R }}{.} Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Omega_{ A {{|}} R } }
{ \cong} { A/ {\mathfrak b} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{.} Zeige, dass es eine natürliche Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \in }{\N_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt, die den \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{}
\mathl{\Omega_{ R {{|}} \Z }}{} \definitionsverweis {annulliert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {quadratischer Zahlbereich}{}{} mit dem \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{}
\mathl{\Omega_{ R {{|}} \Z }}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Annullator}{}{} von $\Omega_{ R {{|}} \Z }$ von einem Element erzeugt wird, und dass die \definitionsverweis {Norm}{}{} eines solchen Erzeugers im Betrag mit der \definitionsverweis {Diskriminante}{}{} des Zahlbereiches übereinstimmt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $A_D$ der \definitionsverweis {quadratische Zahlbereich}{}{} zur quadratfreien Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ = }{2,3 \mod 4 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die Elemente des \definitionsverweis {Moduls der Kähler-Differentiale}{}{}
\mathl{\Omega_{ A_D {{|}} \Z }}{} gleich
\mathdisp {( a+b \sqrt{D}) d \sqrt{D},\, a =0,1,2 , \ldots , 2D-1, \, b=0,1,} { }
sind.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $A_D$ der \definitionsverweis {quadratische Zahlbereich}{}{} zur quadratfreien Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ = }{1 \mod 4 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die Elemente des \definitionsverweis {Moduls der Kähler-Differentiale}{}{}
\mathl{\Omega_{ A_D {{|}} \Z }}{} \zusatzklammer {mit
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{A_D }
{ = }{ \Z[y] / { \left( y^2-y - { \frac{ D-1 }{ 4 } } \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gemäß Satz 9.8} {} {} gleich
\mathdisp {a dy,\, a =0,1,2 , \ldots , \betrag { D } -1,} { }
sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Z }
{ \subseteq }{S }
{ \subseteq }{K }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Ringerweiterung mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q(S) }
{ = }{K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei $R$ der \definitionsverweis {ganze Abschluss}{}{} von $S$ in $K$. Zeige, dass die natürliche Abbildung \maabbeledisp {} { \Omega_{ S {{|}} \Z } \otimes_{ \Z } R } { \Omega_{ R {{|}} \Z } } {ds \otimes r} { rds } {,} \definitionsverweis {surjektiv}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ = }{1 \mod 4 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine quadratfreie Zahl $\neq 1$ und sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{S }
{ =} { \Z[\sqrt{D}] }
{ \subseteq} { R }
{ =} {\Z[ { \frac{ 1+\sqrt{D} }{ 2 } } ] }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass in
\mathl{\Omega_{ R {{|}} \Z }}{} die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1+\sqrt{D} }{ 2 } } d \sqrt{D} }
{ =} { d { \frac{ 1+\sqrt{D} }{ 2 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige anhand der Ringerweiterungen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Z }
{ \subseteq }{ \Z[ \sqrt{-3} ] }
{ = }{S }
{ \subseteq }{ \Z[ { \frac{ 1+ \sqrt{-3} }{ 2 } } ] }
{ = }{R }
} {}{}{,} dass in Lemma 19.3 die Abbildung \maabbeledisp {} {\Omega_{ S {{|}} \Z } \otimes_{ S } R } { \Omega_{ R {{|}} \Z } } {ds \otimes r} { rds } {,} nicht injektiv sein muss.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten den \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{} $\Omega_{ \Z[ { \mathrm i}] {{|}} \Z }$ zum Ring der \definitionsverweis {Gaußschen Zahlen}{}{.} Zeige, dass es zu dem Kähler-Differential
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\omega }
{ =} { { \mathrm i} d { \mathrm i} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} kein Element
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{ \Z[ { \mathrm i} ] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{df }
{ = }{ \omega }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $A_D$ der \definitionsverweis {quadratische Zahlbereich}{}{} zur quadratfreien Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ = }{1 \mod 4 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass es zu jedem \definitionsverweis {Kähler-Differential}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ \in }{ \Omega_{ A_D {{|}} \Z } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{A_D }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{df }
{ =} { \omega }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme zum \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Z }
{ \subseteq }{ R }
{ = }{ \Z[X]/ { \left( X^3-3X+1 \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} den \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{} und den \definitionsverweis {Verzweigungsort}{}{.} Bestimme ferner die Anzahl der Elemente im Modul der Kähler-Differentiale.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $p$ eine ungerade \definitionsverweis {Primzahl}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R_p }
{ =} {\Z[X]/ { \left( X^{p-1} + \cdots + X^2+X+1 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} der $p$-te \definitionsverweis {Kreisteilungsring}{}{.} Zeige, dass im \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{} die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{X^{p-2} dX }
{ =} { { \left( \sum_{k = 0}^{p-3} (k+1)X^k \right) } dX }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $p$ eine ungerade \definitionsverweis {Primzahl}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R_p }
{ =} {\Z[X]/ { \left( X^{p-1} + \cdots + X^2+X+1 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} $R_p$ der $p$-te \definitionsverweis {Kreisteilungsring}{}{} mit dem \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{} \zusatzklammer {vergleiche Beispiel 19.8} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Omega_{ R_p {{|}} \Z } }
{ \cong} {\Z/(p) [X] / (X-1)^{p-2} dX }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass es zu jedem Kähler-Differential
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \omega }
{ =} { { \left( a_{p-3} X^{p-3} + \cdots + a_2X^2+ a_1 X+ a_0 \right) } dX }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{0 }
{ \leq }{ a_j }
{ < }{p }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{R_p }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{df }
{ = }{ \omega }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Z }
{ \subseteq }{R }
{ = }{ \Z[X] { \left( X^n-a \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine reine Wurzelerweiterung von $\Z$. Zeige, dass der \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{} $\Omega_{ R {{|}} \Z }$ durch $an$ \definitionsverweis {annulliert}{}{} wird.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R_8 }
{ = }{\Z[X]/ { \left( X^{4} +1 \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der achte \definitionsverweis {Kreisteilungsring}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{}
\mathl{\Omega_{ R_8 {{|}} \Z }}{} von $4$ annulliert wird, aber nicht von $2$. Beschreibe die Modulstruktur von
\mathl{\Omega_{ R_8 {{|}} \Z }}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Beschreibe den \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{}
\mathl{\Omega_{ R_9 {{|}} \Z }}{} und bestimme insbesondere seine Anzahl, wobei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R_9 }
{ = }{ \Z[Y]/ { \left( Y^6+Y^3+1 \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} den neunten \definitionsverweis {Kreisteilungsring}{}{} bezeichnet.

}
{} {Dabei ist Aufgabe 2.31 hilfreich.}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Beschreibe den \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{}
\mathl{\Omega_{ R_9 {{|}} R_3 }}{} und bestimme insbesondere seine Anzahl, wobei $R_n$ den $n$-ten \definitionsverweis {Kreisteilungsring}{}{} bezeichnet.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Studiere Lemma 19.3 am Beispiel der \definitionsverweis {Kreisteilungsringe}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Z }
{ \subseteq }{ R_3 }
{ \subseteq }{ R_9 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $p$ eine Primzahl und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{r }
{ \geq }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Beschreibe den \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{}
\mathl{\Omega_{ R_{p^r} {{|}} R_p }}{} und bestimme insbesondere seine Anzahl, wobei $R_n$ den $n$-ten \definitionsverweis {Kreisteilungsring}{}{} bezeichnet.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $p$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{} und $R_p$ der $p$-te \definitionsverweis {Kreisteilungsring}{}{.} Bestimme den \definitionsverweis {Kern}{}{} der \definitionsverweis {universellen Derivation}{}{} \maabbeledisp {d} {R_p} { \Omega_{ R_p {{|}} \Z } } {f} {df } {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{S }
{ \subseteq }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {Kern}{}{} der \definitionsverweis {universellen Derivation}{}{} \maabbeledisp {d} {R} { \Omega_{ R {{|}} \Z } } {f} {df } {.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{} von $S$ gleich $Q(R)$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R }
{ =} { A_{-15} }
{ =} { \Z[ { \frac{ 1+ \sqrt{-15} }{ 2 } } ] }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} der \definitionsverweis {quadratische Zahlbereich}{}{} zu $-15$ und $S$ der Zahlbereich zu
\mathl{\Q[ \sqrt{3}, \sqrt{-5} ]}{,} der $R$ enthält. Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Omega_{ S {{|}} R } }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}