Kurs:Körper- und Galoistheorie (Osnabrück 2018-2019)/Arbeitsblatt 23/latex

\setcounter{section}{23}






\zwischenueberschrift{Aufwärmaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $M$ eine \definitionsverweis {endliche Menge}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ \subseteq }{ M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Teilmenge, und es seien \mathkor {} {\operatorname{Perm} \,( T)} {und} {\operatorname{Perm} \,( M)} {} die zugehörigen \definitionsverweis {Permutationsgruppen}{}{} Zeige, dass durch \maabbeledisp {\Psi} { \operatorname{Perm} \,( T) } { \operatorname{Perm} \,( M) } {\varphi} { \tilde{\varphi } } {,} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\tilde{\varphi} (x) }
{ =} { \begin{cases} \varphi(x),\, \text{falls } x \in T, \\ x \text{ sonst}, \end{cases} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {injektiver}{}{} \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} gegeben ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass zwei \definitionsverweis {Permutationen}{}{} mit disjunktem \definitionsverweis {Wirkungsbereich}{}{} \definitionsverweis {vertauschbar}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $M$ eine endliche Menge und sei $\sigma$ eine \definitionsverweis {Permutation}{}{} auf $M$ und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass
\mathl{{ \left\{ n \in \Z \mid \sigma^n(x)=x \right\} }}{} eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{} von $\Z$ ist. Den eindeutig bestimmten nichtnegativen Erzeuger dieser Untergruppe bezeichnen wir mit
\mathl{\operatorname{ord}_{x} {\sigma}}{.} Zeige die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (\sigma) }
{ =} { \operatorname{kgV} { \left\{ \operatorname{ord}_{x} {\sigma} \mid x \in M \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {zyklische Gruppe}{}{} der Ordnung $6$. Für welche
\mathl{n \in \N}{} lässt sich $G$ als Untergruppe der \definitionsverweis {Permutationsgruppe}{}{} $S_n$ realisieren?

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Wir betrachten die endliche Permutationsgruppe $S_n$ zu einer Menge mit $n$ Elementen.

a) Zeige, dass es in $S_n$ Elemente der \definitionsverweis {Ordnung}{}{} $n$ gibt.


b) Man gebe ein Beispiel für eine Permutationsgruppe $S_n$ und einem Element darin, dessen Ordnung größer als $n$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass in Lemma 23.1 die Voraussetzung, dass die beiden Teilmengen
\mathl{T_1,T_2}{} nicht disjunkt sind, wesentlich ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die \definitionsverweis {alternierende Gruppe}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{A_n }
{ \subseteq }{S_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für
\mathl{n \geq 3}{} eine \definitionsverweis {transitive Untergruppe}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme für jede Untergruppe
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ \subseteq }{S_4 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {Permutationsgruppe}{}{} $S_4$, ob es sich um eine \definitionsverweis {transitive Untergruppe}{}{} handelt oder nicht.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ \subseteq }{S_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Untergruppe der \definitionsverweis {Permutationsgruppe}{}{} $S_n$. Zeige, dass $G$ genau dann eine \definitionsverweis {transitive Untergruppe}{}{} ist, wenn es ein Element
\mathl{z \in { \{ 1 , \ldots , n \} }}{} derart gibt, dass es zu jedem Element
\mathl{w \in { \{ 1 , \ldots , n \} }}{} eine Permutation $\pi \in G$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\pi (z) }
{ = }{w }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ \subseteq }{S_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Untergruppe der \definitionsverweis {Permutationsgruppe}{}{} $S_n$. Zeige, dass $G$ genau dann keine \definitionsverweis {transitive Untergruppe}{}{} ist, wenn es eine echte Zerlegung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \{ 1 , \ldots , n \} } }
{ =} { S \uplus T }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} derart gibt, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{G }
{ \subseteq} { \operatorname{Perm} \,( S) \times \operatorname{Perm} \,( T) }
{ \subseteq} {S_n }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ \subseteq }{S_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Untergruppe der \definitionsverweis {Permutationsgruppe}{}{} $S_n$. Zeige, dass auf
\mathl{{ \{ 1 , \ldots , n \} }}{} durch
\mathl{x \sim_G y}{,} falls es ein
\mathl{\pi \in G}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\pi(x) }
{ = }{y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt, eine \definitionsverweis {Äquivalenzrelation}{}{} gegeben ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

\aufzaehlungzwei {Zeige, dass eine \definitionsverweis {transitive Untergruppe}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ \subseteq }{S_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zumindest $n$ Elemente besitzt. } {Zeige, dass es eine \definitionsverweis {transitive Untergruppe}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ \subseteq }{S_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit genau $n$ Elementen gibt. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei
\mathl{F \in K[X]}{} ein \definitionsverweis {separables}{}{} \definitionsverweis {irreduzibles Polynom}{}{.} Es sei $L$ der \definitionsverweis {Zerfällungskörper}{}{} von $F$, $G= \operatorname{Gal}\, ( L {{|}} K )$ seine \definitionsverweis {Galoisgruppe}{}{} und
\mathl{\lambda_1 , \ldots , \lambda_n}{} die Nullstellen von $F$ in $L$. Nach Lemma 14.2 ist $G$ eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{} der \definitionsverweis {Permutationsgruppe}{}{} der Nullstellen. Zeige, dass es sich um eine \definitionsverweis {transitive Untergruppe}{}{} handelt.

}
{} {}

Die folgende Aufgabe zeigt, dass man in Lemma 23.4 auf die Voraussetzung, dass der Grad des Polynoms eine Primzahl ist, nicht verzichten kann.


\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Man gebe ein irreduzibles Polynom
\mathl{F \in \Q[X]}{} vom Grad $4$ an, das in ${\mathbb C}$ genau zwei reelle Nullstellen hat und dessen Galoisgruppe nicht die $S_4$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $a$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ = }{X^5 +a^2X^4 -a }
{ \in }{ \Q[X] }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L }
{ = }{Z(F) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {Zerfällungskörper}{}{} von $F$. Bestimme den Grad der Körpererweiterung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subseteq }{ \R \cap L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Handelt es sich um eine Galoiserweiterung?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $a$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ = }{X^5 +a^2X^4 -a }
{ \in }{ \Q[X] }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{L }
{ = }{Z(F) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {Zerfällungskörper}{}{} von $F$. Es seien
\mathl{\alpha_1 , \ldots , \alpha_5}{} die Nullstellen von $F$ in ${\mathbb C}$. \aufzaehlungdrei{Zeige, dass
\mathdisp {\sum_{ i = 1}^5 \alpha_i \text{ und } \prod_{ i = 1}^5 \alpha_i} { }
rationale Zahlen sind. }{Zeige, dass
\mathdisp {\prod_{ 1 \leq i < j \leq 5} { \left( \alpha_i - \alpha_j \right) }} { }
zu $L^{A_n}$ gehört, aber nicht zu $\Q$. }{Zeige, dass
\mathdisp {\prod_{ 1 \leq i < j \leq 5} { \left( \alpha_i - \alpha_j \right) }^2} { }
eine rationale Zahl ist. }

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei
\mathl{n \geq 2}{} keine \definitionsverweis {Primzahl}{}{.} Zeige, dass es eine echte \definitionsverweis {Untergruppe}{}{}
\mathl{H \subset S_n}{} gibt, die \definitionsverweis {transitiv}{}{} ist und die mindestens eine \definitionsverweis {Transposition}{}{} enthält.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Eliminiere in
\mathl{X^5+a^2X^4-a}{} \zusatzklammer {mit \mathlk{a \in \Q}{}} {} {} durch eine geeignete Substitution \zusatzklammer {einen Variablenwechsel} {} {} den Term zum Grad $4$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei
\mathl{F \in \Q[X]}{} ein \definitionsverweis {irreduzibles Polynom}{}{} vom Grad $3$ und seien
\mathl{\alpha, \beta, \gamma \in {\mathbb C}}{} die Nullstellen von $F$. Zeige, dass die Differenzen \mathkor {} {\alpha - \beta} {und} {\beta- \gamma} {} nicht beide aus $\Q$ sein können.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei
\mathl{F \in \Q[X]}{} ein \definitionsverweis {irreduzibles Polynom}{}{} vom Grad $3$. Zeige, dass die Nullstellen von $F$ in ${\mathbb C}$ nicht die Form
\mathl{\alpha, \alpha^2, \alpha^3}{} \zusatzklammer {mit einem
\mathl{\alpha \in {\mathbb C}}{}} {} {} haben können.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Zeige, dass es ein \definitionsverweis {irreduzibles Polynom}{}{}
\mathl{F \in \Q[X]}{} vom Grad $4$ gibt, dessen Nullstellen in ${\mathbb C}$ die Form
\mathl{\alpha, \alpha^2, \alpha^3, \alpha^4}{} besitzen.

}
{} {}