Kurs:Algebraische Zahlentheorie (Osnabrück 2020-2021)/Arbeitsblatt 7/latex

\setcounter{section}{7}






\zwischenueberschrift{Aufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{} und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Unterring mit den folgenden Eigenschaften: \aufzaehlungdrei{ $R$ ist \definitionsverweis {ganz}{}{} über $\Z$. }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q(R) }
{ = }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{$R$ ist \definitionsverweis {normal}{}{.} } Dann ist $R$ der \definitionsverweis {Ring der ganzen Zahlen}{}{} von $L$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{.} Man gebe Beispiele für Unterringe
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} die je zwei der folgenden Eigenschaften erfüllen, aber nicht die dritte. \aufzaehlungdrei{$R$ ist \definitionsverweis {ganz}{}{} über $\Z$. }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q(R) }
{ = }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{$R$ ist \definitionsverweis {normal}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{






\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Courbe quatrième degré 07.png} }
\end{center}
\bildtext {} }

\bildlizenz { Courbe quatrième degré 07.png } {} {Lydienoria} {Commons} {CC-by-sa 3.0} {}

Der abgebildete Graph gehört zu einem normierten ganzzahligen Polynom $F$. Kann
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ = }{\Z[X]/(F) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{} sein?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{} und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche}{}{} Erweiterung von kommutativen Ringen. Es sei $S$ ein \definitionsverweis {normaler Integritätsbereich}{}{.} Zeige, dass $S$ ebenfalls ein Zahlbereich ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{} und $R$ der zugehörige \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{.} Zeige, dass es eine natürliche Bijektion zwischen Zahlbereichen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Z }
{ \subseteq }{S }
{ \subseteq }{R }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und \definitionsverweis {Zwischenkörpern}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {R} {und} {S} {} \definitionsverweis {Zahlbereiche}{}{.} Zeige, dass die folgenden Aussagen äquivalent sind. \aufzaehlungvier{\mathkor {} {R} {und} {S} {} sind \definitionsverweis {isomorph}{}{.} }{Es gibt ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{g }
{ \in }{S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} beide nicht $0$, derart, dass die \definitionsverweis {Nenneraufnahmen}{}{} \mathkor {} {R_f} {und} {S_g} {} zueinander isomorph sind. }{Es gibt ein \definitionsverweis {Primideal}{}{}
\mathl{{\mathfrak p}}{} von $R$ und ein Primideal ${\mathfrak q}$ von $S$ derart, dass die \definitionsverweis {Lokalisierungen}{}{} \mathkor {} {R_{\mathfrak p}} {und} {S_{\mathfrak q}} {} zueinander isomorph sind. }{Die \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{} \mathkor {} {Q(R)} {und} {Q(S)} {} sind isomorph. }

}
{} {}

In den drei folgenden Aufgaben wird der Begriff des primitiven Polynoms verwendet:


Ein Polynom
\mathl{F \in \Z[X]}{} heißt \definitionswort {primitiv}{,} wenn die Koeffizienten von $F$ teilerfremd sind.





\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ \in }{\Z[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Polynom. Zeige, dass man $F$ als
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ = }{n \tilde{F} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und primitivem $\tilde{F}$ schreiben kann.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ \in }{\Z[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {irreduzibles Polynom}{}{.} Dann ist $F$, aufgefasst als Polynom in $\Q[X]$, ebenfalls irreduzibel.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien
\mathl{F,G \in \Z[X]}{} \definitionsverweis {primitive Polynome}{}{.} Zeige, dass dann auch das Produkt $FG$ primitiv ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ \in }{\Q[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {irreduzibles Polynom}{}{} mit dem zugehörigen \definitionsverweis {Primideal}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} }
{ =} { (F) }
{ \in} { \operatorname{Spek} { \left( \Q[X] \right) } }
{ \subseteq} { \operatorname{Spek} { \left( \Z[X] \right) } }
{ } { }
} {}{}{,} wobei die letzte Inklusion zur Nenneraufnahme \maabb {} { \Z[X] } { \Q[X] } {} im Sinne von Proposition 5.4  (3) gehört. Zeige, dass der \definitionsverweis {Abschluss}{}{} von ${\mathfrak p}$ in
\mathl{\operatorname{Spek} { \left( \Z[X] \right) }}{} gleich $V( {\mathfrak a} )$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a} }
{ =} { { \left\{ qF \mid q \in \Q , \, qF \in \Z[X] \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist. Zeige ferner, dass zu isomorphen Restekörpern \mathkor {} {\kappa ( {\mathfrak p}_1)} {und} {\kappa ( {\mathfrak p}_2 )} {} die Restklassenringe \mathkor {} {R/ {\mathfrak a}_1} {und} {R/ {\mathfrak a}_2} {} nicht isomorph sein müssen.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Erstelle die Multiplikationsmatrix zum Element
\mathl{7x^2-4x+5}{} in der kubischen Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq} {\Q[X]/ { \left( X^3-6X^2+5X-8 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Erstelle die Multiplikationsmatrix zum Element
\mathl{7x^2+3x-8}{} in der kubischen Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ =} {\Q[X]/ { \left( X^3+9X^2-2X+5 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien
\mathl{p,q}{} verschiedene \definitionsverweis {Primzahlen}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq} { \Q[\sqrt{p}, \sqrt{q}] }
{ \defeqr} {L }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die zugehörige \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{.} Erstelle die Multiplikationsmatrix zu einem Element
\mathl{a + b \sqrt{p} +c \sqrt{q} +d \sqrt{pq} \in L}{} bezüglich der Basis
\mathl{1, \sqrt{p} , \sqrt{q}, \sqrt{pq}}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten die \definitionsverweis {quadratische Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{ \Q[ \sqrt{3} ] }
{ = }{L }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Erstelle die Matrix der Multiplikationsabbildung zu
\mathl{-4+9 \sqrt{3}}{} bezüglich der $\Q$-\definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathl{1, \sqrt{3}}{} von $L$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{.} Zeige, dass die Abbildung \maabbeledisp {} {L} {\operatorname{End}_{ K } \, (L) } {f} { \mu_f } {,} ein \definitionsverweis {injektiver}{}{} \definitionsverweis {Ringhomomorphismus}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{M }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{.} Es sei
\mathl{f \in M}{} und $B$ die beschreibende Matrix der Multiplikationsabbildung \maabb {\mu_f} {M} {M } {} bezüglich einer $K$-\definitionsverweis {Basis}{}{} von $M$. Zeige, dass bezüglich einer geeigneten $K$-Basis von $L$ die Multiplikationsabbildung \maabb {\mu_f} {L} {L } {} durch eine Blockmatrix der Form
\mathdisp {\begin{pmatrix} B & 0 & \ldots & 0 \\ 0 & B & \ldots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \ldots & B \end{pmatrix}} { }
beschrieben wird.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die Definition Anhang 6.2 der Spur eines \definitionsverweis {Modulhomomorphismus}{}{} unabhängig von der gewählten \definitionsverweis {Basis}{}{} des \definitionsverweis {freien Moduls}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es sei $A$ eine $m \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} und $B$ eine
\mathl{n \times m}{-}Matrix über $K$. Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Spur} { \left( A \circ B \right) } }
{ =} { \operatorname{Spur} { \left( B \circ A \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei $M$ eine $n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} über $K$. Wie findet man die $\operatorname{Spur} { \left( M \right) }$ im \definitionsverweis {charakteristischen Polynom}{}{} $\chi_{ M }$ wieder?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei $M$ eine $n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} über $K$. Wie findet man die \definitionsverweis {Determinante}{}{} von $M$ im \definitionsverweis {charakteristischen Polynom}{}{} $\chi_{ M }$ wieder?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei $M$ eine $n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} über $K$ mit der Eigenschaft, dass das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{} in Linearfaktoren zerfällt, also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \chi_{ M } }
{ =} { (X- \lambda_1)^{\mu_1} \cdot (X- \lambda_2)^{\mu_2} { \cdots } (X-\lambda_k)^{\mu_k } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Spur} { \left( M \right) } }
{ =} { \sum_{ i = 1 }^{ k } \mu_i \lambda_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M }
{ \in} { \operatorname{Mat}_{ n } (K) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Matrix}{}{} mit $n$ \zusatzklammer {paarweise} {} {} verschiedenen \definitionsverweis {Eigenwerten}{}{.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Spur}{}{} von $M$ die Summe der Eigenwerte ist.

}
{} {}





\inputaufgabe
{}
{

Es sei $p$ eine Primzahl. Betrachte die \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq} {L }
{ =} {\Q [X]/(X^3-p) }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} vom Grad $3$. Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ = }{aX^2+bX+c }
{ \in }{L }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Element davon mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a,b,c }
{ \in }{ \Q }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Berechne das Minimalpolynom von $f$ und man gebe die Koeffizienten davon explizit an. Bestimme insbesondere die Norm und die Spur von $f$.

Welche Bedingungen an
\mathl{a,b,c}{} ergeben sich aus der Voraussetzung, dass $f$ ganz über $\Z$ ist?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bringe für die \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\R }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Konzepte \definitionsverweis {Norm}{}{} und \definitionsverweis {Spur}{}{} mit dem \definitionsverweis {Betrag}{}{} und dem \definitionsverweis {Realteil}{}{} einer komplexen Zahl in Verbindung.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Berechne für das Element
\mathl{2+4x+5x^2}{} in der \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq} { \Q[ X ]/ { \left( X^3-3X+1 \right) } }
{ \defeqr} {L }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die \definitionsverweis {Norm}{}{} und die \definitionsverweis {Spur}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{M }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Kette von \definitionsverweis {quadratischen Körpererweiterungen}{}{.} Zeige, dass für die \definitionsverweis {Normen}{}{} die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ N^L_K }
{ =} { N^M_K\circ N^L_M }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme für sämtliche Elemente der Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Z/(2) }
{ \subseteq} { \Z/(2) [X]/ { \left( X^2+X+1 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Multiplikationsmatrizen bezüglich der Basis $1,x$ sowie ihre Norm und ihre Spur.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme für sämtliche Elemente der Körpererweiterung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Z/(3) }
{ \subseteq} { \Z/(3) [X]/ { \left( X^2-2 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Multiplikationsmatrizen bezüglich der Basis $1,x$ sowie ihre Norm und ihre Spur.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{} und
\mathl{f \in L}{.} Zeige, dass es für die Eigenwerttheorie der $K$-\definitionsverweis {linearen}{}{} \definitionsverweis {Multiplikationsabbildung}{}{} \maabbdisp {\mu_f} {L} {L } {} grundsätzlich nur zwei Möglichkeiten gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ = }{ X^n-c }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {irreduzibles Polynom}{}{.} Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f }
{ =} { a_{n-1} X^{n-1} + a_{n-2}X^{n-2} + \cdots + a_1X+ a_0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein Element in der \definitionsverweis {einfachen}{}{} \definitionsverweis {endlichen Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ L }
{ = }{ K[X]/(P) }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vom Grad $n$. Zeige, dass die \definitionsverweis {Spur}{}{} von $f$ gleich $na_0$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $p$ eine Primzahl und sei
\mathdisp {L=\Q[X]/ { \left( X^3-p \right) }} { }
der durch das irreduzible Polynom
\mathl{X^3-p}{} definierte Erweiterungskörper von $\Q$. Es sei
\mathdisp {f=2+3x-4x^2} { . }
\aufzaehlungfuenf{Finde die Matrix bezüglich der $\Q$-Basis
\mathl{1,x,x^2}{} von $L$ der durch die Multiplikation mit $f$ definierten $\Q$-linearen Abbildung. }{Berechne die \definitionsverweis {Norm}{}{} und die Spur von $f$. }{Bestimme das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} von $f$. }{Finde das Inverse von $f$. }{Berechne die \definitionsverweis {Diskriminante}{}{} der Basis
\mathl{1,f,f^2}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{,}
\mathl{f \in L}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M }
{ = }{K[f] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass das charakteristische Polynom der Multiplikationsabbildung \maabbdisp {\mu_f} {L} {L } {} eine Potenz des \definitionsverweis {Minimalpolynoms}{}{} von $f$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{} und sei \maabbdisp {\rho} {L} { {\mathbb C} } {} ein \definitionsverweis {Ringhomomorphismus}{}{.} Zeige, dass für jeden \definitionsverweis {Körperautomorphismus}{}{} \maabbdisp {\varphi} {L} {L } {} auch
\mathl{\rho \circ \varphi}{} ein Ringhomomorphismus nach ${\mathbb C}$ ist, und dass daher die \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{} von $L$ auf der Menge der komplexen Einbettungen von $L$ \definitionsverweis {operiert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {endliche Körpererweiterung}{}{.} Zeige, dass genau dann eine \definitionsverweis {Galoiserweiterung}{}{} vorliegt, wenn die Bildkörper unter allen \definitionsverweis {komplexen Einbettungen}{}{} von $L$ übereinstimmen.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei
\mathl{K[X]}{} der \definitionsverweis {Polynomring}{}{} über $K$. Es sei
\mathl{F \in K[X]}{} und
\mathl{a \in K}{.} Zeige, dass $a$ genau dann eine \definitionsverweis {mehrfache Nullstelle}{}{} von $F$ ist, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F'(a) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, wobei $F'$ die \definitionsverweis {formale Ableitung}{}{} von $F$ bezeichnet.

}
{} {}