Kurs:Studienprojekt:Modultheorie über Hauptidealbereichen (Osnabrück 2011-2012)/Grundlagen zu Hauptidealbereichen/Textabschnitt

Definition

Ein kommutativer, nullteilerfreier, von ${}0$ verschiedener Ring heißt Integritätsbereich.

Lemma

In einem Integritätsbereich ist ein Primelement stets irreduzibel.

Angenommen, wir haben eine Zerlegung ${}p=ab$ . Wegen der Primeigenschaft teilt ${}p$ einen Faktor, sagen wir ${}a=ps$ . Dann ist ${}p=psb$ bzw. ${}p(1-sb)=0$ . Da ${}p$ kein Nullteiler ist, folgt ${}1=sb$ , sodass also ${}b$ eine Einheit ist.

\Box

Definition

Zwei Elemente ${}a$ und ${}b$ eines kommutativen Ringes ${}R$ heißen assoziiert, wenn es eine Einheit ${}u\in R$ derart gibt, dass ${}a=ub$ ist.

Hauptidealbereiche

Definition

Ein Integritätsbereich, in dem jedes Ideal ein Hauptideal ist, heißt Hauptidealbereich.

Lemma

Es sei ${}R$ ein Hauptidealbereich, ${}a_{i}\in R,i\in I$ , eine Familie von Elementen und ${}{\mathfrak {a}}=\bigcap _{i\in I}(a_{i})$ der Schnitt der davon erzeugten Hauptideale. Ein Element ${}a\in R$ ist genau dann ein kleinstes gemeinsames Vielfaches von ${}a_{i},i\in I$ , wenn ${}(a)={\mathfrak {a}}$ , wenn ${}a$ also ${}{\mathfrak {a}}$ als Hauptideal erzeugt.

Beweis

Ein Element ${}x\in {\mathfrak {a}}$ ist ein Vielfaches aller ${}a_{i},i\in I$ , also nach Definition ein gemeinsames Vielfaches und jedes gemeinsame Vielfache liegt in ${}{\mathfrak {a}}$ . Ein erzeugendes Element des Ideals ${}{\mathfrak {a}}$ ist Teiler aller anderen gemeinsamen Vielfachen und daher nach Definition ein kleinstes gemeinsames Vielfaches und jedes kleinste gemeinsame Vielfache erzeugt ${}{\mathfrak {a}}$ .

\Box

Satz (Lemma von Bezout)

Es sei ${}R$ ein Hauptidealring. Dann gilt:

Elemente ${}a_{1},\ldots ,a_{n}$ besitzen stets einen größten gemeinsamen Teiler ${}d$ , und dieser lässt sich als Linearkombination der ${}a_{1},\ldots ,a_{n}$ darstellen, d.h. es gibt Elemente ${}r_{1},\ldots ,r_{n}\in R$ mit ${}r_{1}a_{1}+r_{2}a_{2}+\cdots +r_{n}a_{n}=d$ .

Insbesondere besitzen teilerfremde Elemente ${}a_{1},\ldots ,a_{n}$ eine Darstellung der ${}1$ .

Beweis

Sei ${}I=(a_{1},\ldots ,a_{n})$ das von den Elementen erzeugte Ideal. Da wir in einem Hauptidealring sind, handelt es sich um ein Hauptideal; es gibt also ein Element ${}d$ mit ${}I=(d)$ . Wir behaupten, dass ${}d$ ein größter gemeinsamer Teiler der ${}a_{1},\ldots ,a_{n}$ ist. Die Inklusionen ${}(a_{i})\subseteq I=(d)$ zeigen, dass es sich um einen gemeinsamen Teiler handelt. Es sei ${}e$ ein weiterer gemeinsamer Teiler der ${}a_{1},\ldots ,a_{n}$ . Dann ist wieder ${}(d)=I\subseteq (e)$ , was wiederum ${}e{|}d$ bedeutet. Die Darstellungsaussage folgt unmittelbar aus ${}d\in I=(a_{1},\ldots ,a_{n})$ .

Im teilerfremden Fall ist ${}I=(a_{1},\ldots ,a_{n})=R$ .

\Box

Satz (Lemma von Euklid)

Es sei ${}R$ ein Hauptidealbereich und ${}a,b,c\in R$ . Es seien ${}a$ und ${}b$ teilerfremd und ${}a$ teile das Produkt ${}bc$ . Dann teilt ${}a$ den Faktor ${}c$ .

Beweis

Da ${}a$ und ${}b$ teilerfremd sind, gibt es nach dem Lemma von Bezout Elemente ${}r,s\in R$ mit ${}ra+sb=1$ . Die Voraussetzung, dass ${}a$ das Produkt ${}bc$ teilt, schreiben wir als ${}bc=da$ . Damit gilt

{}c=c1=c(ra+sb)=cra+csb=acr+ads=a(cr+ds)\,,

was zeigt, dass ${}c$ ein Vielfaches von ${}a$ ist.

\Box

Lemma

Es sei ${}R$ ein Hauptidealbereich. Dann ist ein Element genau dann prim,

wenn es irreduzibel ist.

Beweis

Ein Primelement in einem Integritätsbereich ist nach Lemma 3.2 stets irreduzibel. Es sei also umgekehrt ${}p$ irreduzibel, und nehmen wir an, dass ${}p$ das Produkt ${}ab$ teilt, sagen wir ${}pc=ab$ . Nehmen wir an, dass ${}a$ kein Vielfaches von ${}p$ ist. Dann sind aber ${}a$ und ${}p$ teilerfremd, da eine echte Inklusionskette ${}(p)\subset (p,a)=(d)\subset R$ der Irreduzibilität von ${}p$ widerspricht. Damit teilt ${}p$ nach dem Lemma von Euklid den anderen Faktor ${}b$ .

\Box

Lemma

In einem Hauptidealbereich lässt sich jede Nichteinheit ${}a\neq 0$ als ein Produkt von irreduziblen Elementen darstellen.

Beweis

Angenommen, jede Zerlegung ${}a=p_{1}\cdots p_{k}$ enthalte nicht irreduzible Elemente. Dann gibt es in jedem solchen Produkt einen Faktor, der ebenfalls keine Zerlegung in irreduzible Faktoren besitzt. Wir erhalten also eine unendliche Kette ${}a_{1}=a,a_{2},a_{3},\ldots$ , wobei ${}a_{n+1}$ ein nicht-trivialer Teiler von ${}a_{n}$ ist. Somit haben wir eine echt aufsteigende Idealkette

{}(a_{1})\subset (a_{2})\subset (a_{3})\subset \cdots \,.

Die Vereinigung dieser Ideale ist aber nach Aufgabe 3.14 (Zahlentheorie (Osnabrück 2016-2017)) ebenfalls ein Ideal und nach Voraussetzung ein Hauptideal. Dies ist ein Widerspruch.

\Box

Satz

In einem Hauptidealbereich lässt sich jede Nichteinheit ${}a\neq 0$ darstellen als Produkt von Primelementen. Diese Darstellung ist eindeutig bis auf Reihenfolge und Assoziiertheit. Wählt man aus jeder Assoziiertheitsklasse von Primelementen einen festen Repräsentanten ${}p$ , so gibt es eine bis auf die Reihenfolge eindeutige Darstellung ${}a=u\cdot p_{1}^{r_{1}}\cdot p_{2}^{r_{2}}\cdots p_{k}^{r_{k}}$ , wobei ${}u$ eine Einheit ist und die ${}p_{i}$ Repräsentanten sind.

Beweis

Die erste Aussage folgt direkt aus Lemma 3.9 und Lemma 3.8.

Die behauptete Eindeutigkeit bis auf Umordnung bedeutet, dass wenn

{}a=u\cdot p_{1}\cdots p_{k}=v\cdot q_{1}\cdots q_{m}\,

zwei Primfaktorzerlegungen sind, dass dann ${}k=m$ ist und es eine Permutation ${}\tau$ auf ${}\{1,\ldots ,k\}$ gibt derart, dass ${}p_{i}$ und ${}q_{\tau (i)}$ assoziiert sind für alle ${}i\in \{1,\ldots ,k\}$ . Wir beweisen diese Aussage durch Induktion über ${}k$ . Es sei zuerst ${}k=0$ (das sei zugelassen). Dann steht links eine Einheit, also muss auch rechts eine Einheit stehen, was ${}m=0$ bedeutet.

Es sei also ${}k>0$ und die Aussage sei für alle kleineren ${}k$ bewiesen. Die Gleichung ${}(*)$ bedeutet insbesondere, dass ${}p_{k}$ das Produkt rechts teilt. Da ${}p_{k}$ prim ist, muss ${}p_{k}$ nach dem Lemma von Euklid einen der Faktoren rechts teilen. Nach Umordnung kann man annehmen, dass ${}q_{m}$ von ${}p_{k}$ geteilt wird. Da ${}q_{m}$ ebenfalls prim ist, sind ${}q_{m}$ und ${}p_{k}$ assoziiert. Also ist

{}q_{m}=wp_{k}\,

mit einer Einheit ${}w$ und man kann die Gleichung ${}(*)$ nach ${}p_{k}$ kürzen und erhält

{}u\cdot p_{1}\cdots p_{k-1}=(vw)\cdot q_{1}\cdots q_{m-1}\,.

Die Induktionsvoraussetzung liefert dann ${}k-1=m-1$ und dass jedes ${}p_{i}$ zu einem ${}q_{j}$ assoziiert ist.

\Box

Diesen Satz kann man auch so ausdrücken, dass Hauptidealbereiche faktoriell sind im Sinne der folgenden Definition. Für solche Bereiche gilt ganz allgemein, dass die Primfaktorzerlegung eindeutig ist.

Definition (Faktorieller Bereich)

Ein Integritätsbereich heißt faktorieller Bereich, wenn die beiden folgenden Eigenschaften erfüllt sind.

Jedes irreduzible Element in ${}R$ ist prim.
Jedes Element ${}a\in R$ , ${}a\neq 0$ , ist ein Produkt aus irreduziblen Elementen.

Korollar

Jede positive natürliche Zahl lässt sich eindeutig als Produkt von Primzahlen darstellen.

Beweis

Dies folgt sofort aus Satz 3.10.

\Box

Korollar

Es sei ${}R$ ein Hauptidealbereich und seien ${}a$ und ${}b$ zwei Elemente ${}\neq 0$ mit Primfaktorzerlegungen

a=u\cdot p_{1}^{r_{1}}\cdot p_{2}^{r_{2}}\cdots p_{k}^{r_{k}}{\mbox{ und }}b=v\cdot p_{1}^{s_{1}}\cdot p_{2}^{s_{2}}\cdots p_{k}^{s_{k}}

(wobei die Exponenten auch ${}0$ sein können und ${}u,v$ Einheiten sind). Dann gilt ${}a{|}b$ genau dann, wenn ${}r_{i}\leq s_{i}$ ist für alle Exponenten ${}i=1,\ldots ,k$ .

Beweis

Wenn die Exponentenbedingung erfüllt ist, so ist ${}s_{i}-r_{i}\geq 0$ und man kann

{}b=a{\left(vu^{-1}p_{1}^{s_{1}-r_{1}}\cdots p_{k}^{s_{k}-r_{k}}\right)}\,

schreiben, was die Teilbarkeit bedeutet. Die Umkehrung folgt aus der Eindeutigkeit der Primfaktorzerlegung in Hauptidealbereichen (siehe Satz 3.10).

\Box

Satz

Es sei ${}R$ ein Hauptidealbereich und ${}p\neq 0$ ein Element. Dann sind folgende Bedingungen äquivalent.

${}p$ ist ein Primelement.
${}R/(p)$ ist ein Integritätsbereich.
${}R/(p)$ ist ein Körper.

Beweis

Die Äquivalenz (1) ${}\Leftrightarrow$ (2) gilt in jedem kommutativen Ring (auch für ${}p=0$ ), siehe Aufgabe 3.23 (Zahlentheorie (Osnabrück 2016-2017)), und (3) impliziert natürlich (2). Es sei also (1) erfüllt und sei ${}a\in R/(p)$ von ${}0$ verschieden. Wir bezeichnen einen Repräsentanten davon in ${}R$ ebenfalls mit ${}a$ . Es ist dann ${}a\notin (p)$ und es ergibt sich eine echte Idealinklusion ${}(p)\subset (a,p)$ . Ferner können wir ${}(a,p)=(b)$ schreiben, da wir in einem Hauptidealring sind. Es folgt ${}p=cb$ . Da ${}c$ keine Einheit ist und ${}p$ prim (also nach Lemma 3.2 auch irreduzibel) ist, muss ${}b$ eine Einheit sein. Es ist also ${}(a,p)=(1)$ , und das bedeutet modulo ${}p$ , also in ${}R/(p)$ , dass ${}a$ eine Einheit ist. Also ist ${}R/(p)$ ein Körper.

\Box

${}K[X]$ euklidischer Hauptidealbereich

Definition

Ein euklidischer Bereich (oder euklidischer Ring) ist ein Integritätsbereich ${}R$ , für den eine Abbildung ${}\delta \colon R\setminus \{0\}\rightarrow \mathbb {N}$ existiert, die die folgende Eigenschaft erfüllt:

Für Elemente ${}a,b$ mit ${}b\neq 0$ gibt es ${}q,r\in R$ mit

a=qb+r{\text{ und }}r=0{\text{ oder }}\delta (r)<\delta (b).

Bemerkung

Für einen Körper ${}K$ ist der Polynomring ${}K[X]$ in einer Variablen ein euklidischer Bereich, wobei die euklidische Funktion ${}\delta$ durch die Gradfunktion gegeben ist. Viele Parallelen zwischen dem Polynomring ${}K[X]$ und ${}\mathbb {Z}$ beruhen auf dieser Eigenschaft. Die Gradfunktion hat die Eigenschaft

{}\delta (fg)=\delta (f)+\delta (g)\,.

Lemma

Ein euklidischer Bereich ist ein Hauptidealbereich.

Beweis

Es sei ${}I$ ein von ${}0$ verschiedenes Ideal. Betrachte die nichtleere Menge

{\left\{\delta (a)\mid a\in I,\,a\neq 0\right\}}.

Diese Menge hat ein Minimum ${}m$ , das von einem Element ${}b\in I,\,b\neq 0$ , herrührt, sagen wir ${}m=\delta (b)$ . Wir behaupten, dass ${}I=(b)$ ist. Dabei ist die Inklusion „ ${}\supseteq$ “ klar. Zum Beweis der Inklusion „ ${}\subseteq$ “ sei ${}a\in I$ gegeben. Aufgrund der Definition eines euklidischen Bereiches gilt ${}a=qb+r$ mit ${}r=0$ oder ${}\delta (r)<\delta (b)$ . Wegen ${}r\in I$ und der Minimalität von ${}\delta (b)$ kann der zweite Fall nicht eintreten. Also ist ${}r=0$ und ${}a$ ist ein Vielfaches von ${}b$ .

\Box

Satz

Ein Polynomring über einem Körper

ist ein Hauptidealbereich.

Beweis

Dies ist eine direkte Folge von Bemerkung 3.16 und Lemma 3.17.

\Box