Kommutative Ringtheorie/Verschiedene Charakterisierungen für faktoriell/Fakt/Beweis

Beweis

$(1)\Rightarrow (2)$. Es sei  $f\ne 0$  eine Nichteinheit. Die Faktorisierung in Primelemente ist insbesondere eine Zerlegung in irreduzible Elemente, sodass lediglich die Eindeutigkeit zu zeigen ist. Dies geschieht durch Induktion über die minimale Anzahl der Primelemente in einer Faktorzerlegung. Wenn es eine Darstellung  $f=p$  mit einem Primelement gibt, und  $f=q_1\cdots q_r$  eine weitere Zerlegung in irreduzible Faktoren ist, so teilt $p$ einen der Faktoren $q_i$ und nach Kürzen durch $p$ erhält man, dass das Produkt der übrigen Faktoren rechts eine Einheit sein muss. Das bedeutet aber, dass es keine weiteren Faktoren geben kann. Es sei nun  $f=p_1\cdots p_s$  und diese Aussage sei für Elemente mit kleineren Faktorisierungen in Primelemente bereits bewiesen. Es sei

$f=p_1\cdots p_s=q_1\cdots q_r$

eine weitere Zerlegung mit irreduziblen Elementen. Dann teilt wieder $p_1$ einen der Faktoren rechts, sagen wir  $p_{1}u=q_1$.  Dann muss $u$ eine Einheit sein und wir können durch $p_1$ kürzen, wobei wir $u^{-1}$ mit $q_2$ verarbeiten können, was ein zu $q_2$ assoziiertes Element ergibt. Das gekürzte Element $p_2\cdots p_s$ hat eine Faktorzerlegung mit $s-1$ Primelementen, sodass wir die Induktionsvoraussetzung anwenden können.
$(2)\Rightarrow (3)$. Wir müssen zeigen, dass ein irreduzibles Element auch prim ist. Es sei also $q$ irreduzibel und es teile das Produkt $fg$, sagen wir

$qh=fg.$

Für $h,f$ und $g$ gibt es Faktorzerlegungen in irreduzible Elemente, sodass sich insgesamt die Gleichung

$q{h}_1\cdots h_r=f_1\cdots f_s{g}_1\cdots g_t$

ergibt. Es liegen also zwei Zerlegungen in irreduzible Element vor, die nach Voraussetzung im Wesentlichen übereinstimmen müssen. D.h. insbesondere, dass es auf der rechten Seite einen Faktor gibt, sagen wir $f_1$, der assoziiert zu $q$ ist. Dann teilt $q$ auch den ursprünglichen Faktor $f$.
$(3)\Rightarrow (1)$. Das ist trivial.

Zur bewiesenen Aussage