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Kurs:Algebraische Zahlentheorie (Osnabrück 2020-2021)/Arbeitsblatt 9/latex

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\setcounter{section}{9}






\zwischenueberschrift{Aufgaben}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Betrachte die Quadratrestgruppe
\mathdisp {\mathbb Q^\times/\mathbb Q^{\times 2}} { , }
wobei
\mathl{\mathbb Q^{\times 2}}{} die Untergruppe der Quadrate bezeichne. Zeige, dass es zu jeder Restklasse
\mathl{x \in \mathbb Q^\times/\mathbb Q^{\times 2}}{} einen Repräsentanten aus $\Z$ gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Für einen Körper $K$ bezeichnet
\mathl{K^{\times 2} \subseteq K^\times}{} die Untergruppe aller Quadrate. Bestimme für die folgenden Körper die Restklassengruppe
\mathdisp {K^\times/K^{\times 2}} { . }
\aufzaehlungvier{$K$ ist ein endlicher Körper. }{
\mathl{K=\mathbb R}{.} }{
\mathl{K=\mathbb C}{.} }{
\mathl{K=\mathbb Q}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die \definitionsverweis {Konjugation}{}{} auf $\Q[\sqrt{D}]$ ein \definitionsverweis {Körperautomorphismus}{}{} und auf $A_D$ ein \definitionsverweis {Ringautomorphismus}{}{} ist. Zeige, dass der \definitionsverweis {Invariantenring}{}{} gleich $\Q$ bzw. gleich $\Z$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {quadratischer Zahlbereich}{}{.} Zeige, dass die $1$ Teil einer Ganzheitsbasis von $R$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Konjugation}{}{} für $\sqrt{D}$ bzw. für $\omega$ in den verschiedenen expliziten Beschreibungen für die \definitionsverweis {quadratischen Zahlbereiche}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Spur}{}{} für $\sqrt{D}$ bzw. für $\omega$ in den verschiedenen expliziten Beschreibungen für die \definitionsverweis {quadratischen Zahlbereiche}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Norm}{}{} für $\sqrt{D}$ bzw. für $\omega$ in den verschiedenen expliziten Beschreibungen für die \definitionsverweis {quadratischen Zahlbereiche}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Berechne explizit die Diskriminante des quadratischen Zahlbereichs $A_{-7}$. Stelle die Multiplikationsmatrix bezüglich einer geeigneten Basis für das Element
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f }
{ =} { \frac{3}{2} + \frac{5}{2} \sqrt{-7} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} auf und berechne damit die Spur und die Norm von $f$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme den \zusatzklammer {Isomorphietyp des} {} {} \definitionsverweis {Ganzheitsringes der quadratischen Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Q }
{ \subset} { \Q[X]/ { \left( X^2+ \frac{3}{2}X - \frac{5}{7} \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien $D$ und $E$ zwei verschiedene quadratfreie Zahlen und seien $A_D$ und $A_E$ die zugehörigen \definitionsverweis {quadratischen Zahlbereiche}{}{.} Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ A_D \cap A_E }
{ =} { \Z }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme ein Element aus
\mathl{\Z [\sqrt{-11}]}{,} das unter allen Nichteinheiten minimale Norm besitzt. Begründe, dass dieses Element irreduzibel ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ \neq }{ 0,1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {quadratfrei}{}{.} Bestimme die \definitionsverweis {Restklassengruppe}{}{}
\mathl{A_D/ \Z[\sqrt{D}]}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $D$ eine \definitionsverweis {quadratfreie Zahl}{}{} mit
\mathl{D=1 \mod 4}{,} und sei $A_D$ der zugehörige quadratische Zahlbereich. Man gebe eine Ganzheitsgleichung für
\mathl{\frac{1 + \sqrt{D} }{2}}{} über $\Z$ an. Man zeige, dass es keine echten Zwischenringe
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Z[\sqrt{D}] }
{ \subset }{R }
{ \subset }{A_D }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ \neq }{ 0,1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {quadratfreie Zahl}{}{,} sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ = }{\Z[\sqrt{D}] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei $A_D$ der zugehörige Ganzheitsring. Zeige, dass nach \definitionsverweis {Nenneraufnahme}{}{} an $2$ ein \definitionsverweis {Ringisomorphismus}{}{} \maabbdisp {} { R_2 } { (A_D)_2 } {} vorliegt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme für die \definitionsverweis {quadratischen Zahlbereiche}{}{} $A_D$ mit negativem $D$ sämtliche \definitionsverweis {Einheiten}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Für welche \definitionsverweis {quadratfreien Zahlen}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{D }
{ =} {1 \mod 4 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist
\mathl{{ \frac{ 1+ \sqrt{D} }{ 2 } }}{} eine \definitionsverweis {Einheit}{}{?}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Finde ein quadratfreies $D$ derart, dass die natürliche Inklusion
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Z[\sqrt{D}] }
{ \subseteq} { A_D }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Eigenschaft besitzt, dass es zwei verschiedene Primideale $\mathfrak q$ und $\mathfrak q'$ in $A_D$ gibt, die beide über dem gleichen Primideal
\mathl{{\mathfrak p} \subset \Z[\sqrt{D}]}{} liegen. Was ist
\mathl{{\mathfrak p} \cap \Z}{?}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ \neq }{ 0,1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {quadratfreie Zahl}{}{} und $A_D$ der zugehörige \definitionsverweis {quadratische Zahlbereich}{}{.} Zeige, dass es für eine \definitionsverweis {Primzahl}{}{} $p$ die folgenden drei Möglichkeiten: \aufzaehlungdrei{$p$ ist prim in $A_D$. }{Es gibt ein \definitionsverweis {Primideal}{}{} ${\mathfrak p}$ in $A_D$ derart, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{(p) }
{ = }{ {\mathfrak p}^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. }{Es gibt ein Primideal ${\mathfrak p}$ in $A_D$ derart, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{(p) }
{ = }{ {\mathfrak p} \overline{ {\mathfrak p} } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} }
{ \neq }{ \overline{ {\mathfrak p} } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ \neq }{ 0,1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {quadratfreie Zahl}{}{} und $A_D$ der zugehörige \definitionsverweis {quadratische Zahlbereich}{}{.} Zeige, dass für eine ungerade \definitionsverweis {Primzahl}{}{} $p$, die kein Teiler von $D$ ist, folgende Aussagen äquivalent sind. \aufzaehlungzwei {$D$ ist ein Quadrat in $\Z/(p)$. } {Es gibt zwei \definitionsverweis {Primideale}{}{} in $A_D$ oberhalb von $(p)$. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {quadratischer Zahlbereich}{}{.} Zeige, dass es nur endlich viele Primzahlen mit der Eigenschaft gibt, dass der \definitionsverweis {Faserring}{}{} über $\Z/(p)$ nicht \definitionsverweis {reduziert}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {quadratischer Zahlbereich}{}{.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Konjugation}{}{} zu jeder Primzahl $p$ einen $\Z/(p)$-\definitionsverweis {Algebraisomorphismus}{}{} des Faserringes über $p$ in sich selbst induziert. Beschreibe diesen in den drei möglichen Fällen im Sinne von [[Quadratische Ringerweiterung von Körper/Klassifikation/Fakt|Kurs:Algebraische Zahlentheorie (Osnabrück 2020-2021)/Quadratische Ringerweiterung von Körper/Klassifikation/Fakt/Beweis/Aufgabe/Faktreferenznummer ]] bzw. [[Zahlentheorie/Quadratischer Zahlbereich/Primzahlverhalten/Fakt|Kurs:Algebraische Zahlentheorie (Osnabrück 2020-2021)/Quadratischer Zahlbereich/Primzahlverhalten/Fakt/Beweis/Aufgabe/Faktreferenznummer ]].

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $D \neq 0,1$ eine \definitionsverweis {quadratfreie Zahl}{}{} und betrachte die quadratische Erweiterung
\mathl{\Z \subset \Z[\sqrt{D}]}{.} Es sei $p$ ein Primfaktor von $D$ und es sei vorausgesetzt, dass weder $p$ noch $-p$ ein Quadratrest modulo $D/p$ ist. Dann ist $p$ irreduzibel in
\mathl{\Z[\sqrt{D}]}{,} aber nicht prim.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ = }{\Z[\sqrt{7}] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Bestimme die \definitionsverweis {Primideale}{}{} in $R$, die über
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{29 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} liegen und zeige, dass es sich um \definitionsverweis {Hauptideale}{}{} handelt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ = }{\Z[\sqrt{15}] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Bestimme die \definitionsverweis {Primideale}{}{} in $R$, die über
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{17 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} liegen \zusatzklammer {man gebe Idealerzeuger an} {} {.} Handelt es sich um Hauptideale?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass $2$ im Ring
\mathl{{\mathbb Z}[\sqrt{5}]}{} \definitionsverweis {irreduzibel}{}{,} aber nicht \definitionsverweis {prim}{}{} ist. Wie sieht es in $A_5$ aus?

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $p$ ein ungerade \definitionsverweis {Primzahl}{}{.} Zeige, dass die folgenden Aussagen äquivalent sind. \aufzaehlungfuenf{$p$ ist die Summe von zwei Quadraten,
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{x^2+y^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x,y }
{ \in }{\Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{$p$ ist die \definitionsverweis {Norm}{}{} eines Elementes aus
\mathl{\Z [ { \mathrm i} ]}{.} }{$p$ ist zerlegbar \zusatzklammer {nicht prim} {} {} in
\mathl{\Z [ { \mathrm i} ]}{.} }{$-1$ ist ein Quadrat in
\mathl{\Z/(p)}{.} }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{1 \mod 4 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $n$ eine positive natürliche Zahl. Wir schreiben
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{r^2 m }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei jeder Primfaktor von $m$ nur einfach vorkomme. Zeige, dass dann $n$ genau dann die Summe von zwei Quadraten ist, wenn in der Primfaktorzerlegung von $m$ nur $2$ und Primzahlen vorkommen, die modulo $4$ den Rest $1$ haben.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige, dass $-3$ genau dann ein Quadratrest modulo einer \definitionsverweis {Primzahl}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ \neq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{0,1 \mod 3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $\Z[\omega]$ der Ring der \definitionsverweis {Eisenstein-Zahlen}{}{} und $p$ eine ungerade \definitionsverweis {Primzahl}{}{.} Zeige, dass die folgenden Aussagen äquivalent sind. \aufzaehlungfuenf{Es gibt eine Darstellung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{x^2+xy+y^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x,y }
{ \in }{\Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{$p$ ist die \definitionsverweis {Norm}{}{} eines Elementes aus
\mathl{\Z [ \omega ]}{.} }{$p$ ist zerlegbar \zusatzklammer {nicht prim} {} {} in
\mathl{\Z [ \omega ]}{.} }{$-3$ ist ein Quadrat in
\mathl{\Z/(p)}{.} }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{p }
{ = }{0,1 \mod 3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $D$ eine \definitionsverweis {quadratfreie}{}{} positive Zahl mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ = }{3 \mod 4 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass der \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{} zur \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Q }
{ \subseteq }{ \Q[ { \mathrm i} , \sqrt{D} ] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} echt größer als
\mathl{\Z[ { \mathrm i} , \sqrt{D} ]}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {noetherscher}{}{,} \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{.} Zeige, dass dann auch jeder \definitionsverweis {Restklassenring}{}{}
\mathl{R/{\mathfrak a}}{} noethersch ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige: Ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} $R$ ist genau dann \definitionsverweis {noethersch}{}{,} wenn es in $R$ keine unendliche echt aufsteigende Idealkette
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a}_1 }
{ \subset} { {\mathfrak a}_2 }
{ \subset} { {\mathfrak a}_3 }
{ \subset} { \ldots }
{ } { }
} {}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass das \definitionsverweis {Produkt}{}{} $R \times S$ zu \definitionsverweis {noetherschen Ringen}{}{} \mathkor {} {R} {und} {S} {} wieder noethersch ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{.} Zeige, dass es in
\mathl{K[X,Y]}{} keine obere Schranke für die Anzahl der Erzeuger von \definitionsverweis {Idealen}{}{} \zusatzklammer {in einem minimalen \definitionsverweis {Erzeugendensystem}{}{}} {} {} gibt.

}
{} {Tipp: Betrachte die Potenzen
\mathl{(X,Y)^m}{.}}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {noetherscher}{}{} \definitionsverweis {Integritätsbereich}{}{.} Zeige, dass sich jedes Element aus $R$ als ein Produkt von \definitionsverweis {irreduziblen Elementen}{}{} schreiben lässt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f_1 , \ldots , f_n }
{ \in }{ R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} Elemente, die das \definitionsverweis {Einheitsideal}{}{} erzeugen. Es sei vorausgesetzt, dass die Nenneraufnahmen $R_{f_i}$ für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{i }
{ = }{1 , \ldots , n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {noethersch}{}{} sind. Zeige, dass dann auch $R$ noethersch ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein Körper und sei
\mathdisp {K[X_n, \, n \in \N]} { }
der Polynomring über $K$ in unendlich vielen Variablen. Man beschreibe darin ein nicht endlich erzeugtes Ideal und eine unendliche, echt aufsteigende Idealkette.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel eines nicht-noetherschen Ringes, dessen \definitionsverweis {Reduktion}{}{} ein Körper ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige, dass ein \definitionsverweis {Unterring}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ \subseteq }{S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eines \definitionsverweis {noetherschen Ringes}{}{} nicht noethersch sein muss.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {faktorieller}{}{} \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Z }
{ \subseteq }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die zugehörige Erweiterung. Zu einer \definitionsverweis {Primzahl}{}{} $p$ sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{p }
{ =} {q_1^{r_1} \cdots q_k^{r_k} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Primfaktorzerlegung von $p$ in $R$ \zusatzklammer {die $q_i$ seien also paarweise nicht \definitionsverweis {assoziiert}{}{}} {} {.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Primideale}{}{} ${\mathfrak p}$ von $R$ mit der Eigenschaft
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} \cap \Z }
{ = }{ (p) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} genau die Primideale der Form
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} }
{ = }{ (q_i) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Dedekindbereich}{}{} und seien $\mathfrak p$ und $\mathfrak q$ verschiedene \definitionsverweis {Primideale}{}{} $\neq 0$. Dann gibt es einen \definitionsverweis {Ringisomorphismus}{}{} \maabbdisp {} {R/\mathfrak p \cap \mathfrak q } { R/{\mathfrak p} \times R/{\mathfrak q} } {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Dedekindbereich}{}{} und seien $\mathfrak p$ und $\mathfrak q$ zwei verschiedene \definitionsverweis {Primideale}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \mathfrak p \cap \mathfrak q }
{ =} { {\mathfrak p} \cdot {\mathfrak q} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel für einen \definitionsverweis {Dedekindbereich}{}{,} wo jeder Restklassenring $\neq 0$ unendlich ist, und für einen Dedekindbereich, der einen \definitionsverweis {Körper}{}{} enthält und wo alle echten Restklassenringe endlich sind.

}
{} {}