Kurs:Körper- und Galoistheorie (Osnabrück 2018-2019)/Arbeitsblatt 5/latex

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\zwischenueberschrift{Aufwärmaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathl{\operatorname{GL}_{ n } \! { \left( K \right) }}{} die Menge der \definitionsverweis {invertierbaren}{}{}
\mathl{n\times n}{-}Matrizen über einem Körper $K$. Zeige, dass für zueinander \definitionsverweis {konjugierte}{}{} Matrizen \mathkor {} {M} {und} {N} {} aus
\mathl{\operatorname{GL}_{ n } \! { \left( K \right) }}{} die folgenden Eigenschaften bzw. Invarianten übereinstimmen: Die \definitionsverweis {Determinante}{}{,} die \definitionsverweis {Eigenwerte}{}{,} die Dimension der \definitionsverweis {Eigenräume}{}{} zu einem Eigenwert, die \definitionsverweis {Diagonalisierbarkeit}{}{,} die \definitionsverweis {Trigonalisierbarkeit}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{.} Betrachte die \definitionsverweis {Relation}{}{} $R$ auf $G$, wobei $xRy$ bedeutet, dass es einen \definitionsverweis {inneren Automorphismus}{}{} $\kappa_g$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ = }{\kappa_g(y) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt. Zeige, dass diese Relation eine \definitionsverweis {Äquivalenzrelation}{}{} ist.

}
{} {}

Die Äquivalenzklassen zu dieser Äquivalenzrelation bekommen einen eigenen Namen:

Zu einer \definitionsverweis {Gruppe}{}{} $G$ nennt man die \definitionsverweis {Äquivalenzklassen}{}{} zur \definitionsverweis {Äquivalenzrelation}{}{,} bei der zwei Elemente als äquivalent \zusatzklammer {oder \definitionswort {konjugiert}{}} {} {} gelten, wenn sie durch einen \definitionsverweis {inneren Automorphismus}{}{} ineinander überführt werden können, die \definitionswort {Konjugationsklassen}{.}





\inputaufgabe
{}
{

\aufzaehlungvier{Bestimme die \definitionsverweis {Konjugationsklassen}{}{} auf der Drehgruppe
\mathl{\operatorname{SO}_{ 2 } \! { \left( \R \right) }}{.} }{Bestimme die Konjugationsklassen der Elemente
\mathl{\varphi \in \operatorname{SO}_{ 2 } \! { \left( \R \right) }}{} innerhalb von
\mathl{\operatorname{O}_{ 2 } \! { \left( \R \right) }}{.} }{Bestimme die Konjugationsklassen der Elemente
\mathl{\varphi \in \operatorname{SO}_{ 2 } \! { \left( \R \right) }}{} innerhalb von
\mathl{\operatorname{SL}_{ 2 } \! { \left( \R \right) }}{.} }{Bestimme die Konjugationsklassen der Elemente
\mathl{\varphi \in \operatorname{SO}_{ 2 } \! { \left( \R \right) }}{} innerhalb von
\mathl{\operatorname{GL}_{ 2 } \! { \left( \R \right) }}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathl{n \in \N_+}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{{\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Unterkörper}{}{.} Wir betrachten den \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {} {S_n} { \operatorname{GL}_{ n } \! { \left( K \right) } } {\pi} { M_\pi } {,} der jeder \definitionsverweis {Permutation}{}{} $\pi$ die zugehörige \definitionsverweis {Permutationsmatrix}{}{} zuordnet. Zeige, dass zwei Permutationen $\pi,\rho$ genau dann \definitionsverweis {konjugiert}{}{} in $S_n$ sind, wenn ihre zugehörigen Permutationsmatrizen
\mathl{M_\pi,M_\rho}{} \definitionsverweis {ähnlich}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien \mathkor {} {G} {und} {H} {} \definitionsverweis {Gruppen}{}{} und sei \maabbdisp {\varphi} {G} {H } {} ein \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{.} Zeige, dass das Urbild
\mathl{\varphi^{-1}(N)}{} eines \definitionsverweis {Normalteilers}{}{}
\mathl{N \subseteq H}{} ein Normalteiler in $G$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der Durchschnitt von \definitionsverweis {Normalteilern}{}{}
\mathbed {N_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} in einer \definitionsverweis {Gruppe}{}{} $G$ ein Normalteiler ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {G} {und} {H} {} \definitionsverweis {Gruppen}{}{} und sei \maabbdisp {\varphi} {G} {H } {} ein \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{.} Ist das Bild von $\varphi$ ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} in $H$?

}
{} {}


Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} heißt die \definitionsverweis {Untergruppe}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{A_n }
{ \defeq} {{ \left\{ \sigma \in S_n \mid \operatorname{sgn}(\sigma) = 1 \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} der \definitionsverweis {geraden Permutationen}{}{} die \definitionswort {alternierende Gruppe}{.}





\inputaufgabe
{}
{

Bestimme, ob die \definitionsverweis {alternierende Gruppe}{}{} $A_n$ ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} in der \definitionsverweis {Permutationsgruppe}{}{} $S_n$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,}
\mathl{n\in \N_+}{,}
\mathl{\operatorname{GL}_{ n } \! { \left( K \right) }}{} die \definitionsverweis {allgemeine lineare Gruppe}{}{} der \definitionsverweis {invertierbaren Matrizen}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{SL}_{ n } \! { \left( K \right) } }
{ \subseteq} {\operatorname{GL}_{ n } \! { \left( K \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Untergruppe der Matrizen mit Determinante $1$. Zeige, dass die Linksnebenklasse \zusatzklammer {und auch die Rechtsnebenklasse} {} {} zu
\mathl{M \in \operatorname{GL}_{ n } \! { \left( K \right) }}{} gleich der Menge aller Matrizen ist, deren Determinante mit
\mathl{\det M}{} übereinstimmt.

Zeige auf möglichst viele Weisen, dass
\mathl{\operatorname{SL}_{ n } \! { \left( K \right) }}{} ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} in
\mathl{\operatorname{GL}_{ n } \! { \left( K \right) }}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel von drei \definitionsverweis {Untergruppen}{}{} $F \subseteq G \subseteq H$ an derart, dass $F$ ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} in $G$ und $G$ ein Normalteiler in $H$, aber $F$ kein Normalteiler in $H$ ist.

}
{} {}

In der folgenden Aufgabe wird das \stichwort {Zentrum} {} einer Gruppe verwendet.

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{.} Das \definitionswort {Zentrum}{} $Z=Z(G)$ von $G$ ist die Teilmenge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Z }
{ =} { { \left\{ g \in G \mid gx=xg \text{ für alle } x \in G \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}





\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und sei
\mathl{H \subseteq Z}{} eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{} des \definitionsverweis {Zentrums}{}{} von $G$. Zeige, dass $H$ ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} in $G$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{.} Zeige, dass das \definitionsverweis {Zentrum}{}{}
\mathl{Z \subseteq G}{} ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} in $G$ ist. Man bringe das Zentrum in Zusammenhang mit dem \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {\kappa} {G} {\operatorname{Aut} \, (G) } {g} {\kappa_g } {.} Was ist das \definitionsverweis {Bild}{}{} von diesem Homomorphismus, und was besagen die Homomorphiesätze in dieser Situation?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und sei $M$ eine Menge mit einer \definitionsverweis {Verknüpfung}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {G} {M } {} eine surjektive Abbildung mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \varphi(gh) }
{ = }{\varphi(g) \varphi(h) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mathl{g,h \in G}{.} Zeige, dass $M$ eine Gruppe und $\varphi$ ein \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien $G$ und $H$ \definitionsverweis {Gruppen}{}{} mit der \definitionsverweis {Produktgruppe}{}{} $G \times H$. Zeige, dass die Gruppe $G \times \{ e_H \}$ ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} in $G \times H$ ist, und dass die Restklassengruppe $(G \times H)/G \times \{ e_H \}$ kanonisch \definitionsverweis {isomorph}{}{} zu $H$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {G_1} {und} {G_2} {} \definitionsverweis {Gruppen}{}{} und seien
\mathl{N_1 \subseteq G_1}{} und
\mathl{N_2 \subseteq G_2}{} \definitionsverweis {Normalteiler}{}{.} Zeige, dass
\mathl{N_1 \times N_2}{} ein Normalteiler in
\mathl{G_1 \times G_2}{} ist und dass eine \definitionsverweis {Isomorphie}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{(G_1 \times G_2)/(N_1 \times N_2) }
{ \cong} { (G_1/N_1) \times (G_2/N_2) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} vorliegt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass für jede reelle Zahl
\mathl{a \neq 0}{} die \definitionsverweis {Restklassengruppen}{}{}
\mathl{\R/\Z a}{} untereinander \definitionsverweis {isomorph}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Restklassengruppe}{}{} zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \{ 1, -1\} }
{ \subset }{ \R^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige, dass es in der \definitionsverweis {Restklassengruppe}{}{}
\mathl{\Q/\Z}{} zu jedem
\mathl{n \in \N_+}{} Elemente gibt, deren \definitionsverweis {Ordnung}{}{} gleich $n$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass es keine Untergruppe
\mathl{F \subseteq (\Q,0,+)}{} derart gibt, dass \maabbdisp {} {F} { \Q/\Z } {} ein \definitionsverweis {Isomorphismus}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und $g \in G$ ein Element mit dem \zusatzklammer {nach Lemma 4.4} {} {} zugehörigen \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {\varphi} {\Z} {G } {n} {g^n } {.} Beschreibe die kanonische Faktorisierung von $\varphi$ gemäß Satz 5.12.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige mit Hilfe der Homomorphiesätze, dass \definitionsverweis {zyklische Gruppen}{}{} mit der gleichen \definitionsverweis {Ordnung}{}{} isomorph sind.

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{2}
{

Es sei $S_3$ die Gruppe der bijektiven Abbildungen der Menge
\mathl{\{1,2,3\}}{} in sich selbst. Bestimme die \definitionsverweis {Konjugationsklassen}{}{} dieser Gruppe.

}
{} {}




\inputaufgabe
{5}
{

Es sei $p$ eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{} und $\Z/(p)$ die \definitionsverweis {zyklische Gruppe}{}{} mit $p$ Elementen. Finde eine Gruppe $G$ derart, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Z/(p) }
{ \subseteq }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{} ist und dass in $G$ je zwei von $0$ verschiedene Elemente aus $\Z/(p)$ zueinander \definitionsverweis {konjugiert}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Konjugationsklassen}{}{} der \zusatzklammer {eigentlichen} {} {} \definitionsverweis {Würfelgruppe}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{2}
{

Es seien \mathkor {} {G} {und} {H} {} \definitionsverweis {Gruppen}{}{} und sei \maabbdisp {\varphi} {G} {H } {} ein surjektiver \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{.} Zeige, dass das \definitionsverweis {Bild}{}{} $\varphi(N)$ eines \definitionsverweis {Normalteilers}{}{}
\mathl{N \subseteq G}{} ein Normalteiler in $H$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{2}
{

Zeige, dass jede \definitionsverweis {Untergruppe}{}{} vom \definitionsverweis {Index}{}{} zwei in einer \definitionsverweis {Gruppe}{}{} $G$ ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} in $G$ ist.

}
{} {}