Kurs:Algebraische Kurven (Osnabrück 2017-2018)/Arbeitsblatt 17

Übungsaufgaben

Aufgabe

Es seien  ${}M\subseteq N$  kommutative Monoide. Zeige, dass durch

${}{\tilde {M}}={\left\{n\in N\mid {\text{es gibt }}k\in \mathbb {N} _{+}{\text{ mit }}kn\in M\right\}}\,$

ein Untermonoid von ${}N$ gegeben ist, das ${}M$ umfasst.

Aufgabe

Berechne

${\left(4T^{(-1,3)}-6T^{(-2,5)}+5T^{(0,-2)}+3T^{(-1,1)}\right)}\cdot {\left(-7T^{(1,0)}+8T^{(4,5)}-4T^{(-3,5)}+6T^{(3,-1)}\right)}$

im Monoidring ${}K[\mathbb {Z} ^{2}]$.

Aufgabe

Berechne

${\left(4T^{0}-9T^{1}+9T^{2}+7T^{3}-4T^{4}\right)}\cdot {\left(4T^{0}-T^{1}+5T^{2}+7T^{3}-T^{4}\right)}$

im Monoidring ${}K[\mathbb {Z} /(5)]$.

Aufgabe

Zeige, dass die Multiplikation auf einem Monoidring zu einem kommutativen Monoid das Assoziativgesetz und das Distributivgesetz erfüllt.

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein Körper. Finde ein kommutatives Monoid ${}M$ derart, dass eine Isomorphie

${}K[M]\cong K[X,Y,U,V]/(UX-VY)\,$

vorliegt.

Aufgabe

Es sei ${}M$ ein kommutatives Monoid und es sei  ${}e\in M$  ein Element mit  ${}2e=e$.  Es sei ${}K$ ein Körper und es sei ${}K[M]$ der zugehörige Monoidring. Zeige, dass ${}T^{e}$ ein idempotentes Element in ${}K[M]$ ist.

Aufgabe

Es sei ${}G$ eine endliche Gruppe  ${}G\neq 0$.  Zeige, dass der Monoidring ${}{\mathbb {C} }[G]$ nicht zusammenhängend ist, obwohl es in der Gruppe außer ${}0$ kein Element ${}e$ gibt, das die Gleichung  ${}2e=e$  erfüllt.

Aufgabe

Man gebe ein Beispiel eines Untermonoids  ${}M\subseteq \mathbb {N} ^{2}$,  das nicht endlich erzeugt ist.

Aufgabe

Zeige, dass man den Koordinatenring zum Standardkegel ${}V(Z^{2}-X^{2}-Y^{2})$ über ${}{\mathbb {C} }$ als einen Monoidring realisieren kann.

Die invertierbaren Elemente in einem Monoid nennt man auch Einheiten des Monoids. Sie bilden die Einheitengruppe des Monoids.

Aufgabe *

Es sei ${}M$ ein kommutatives Monoid und ${}K$ ein Körper. Es sei  ${}m\in M$  und  ${}T^{m}\in K[M]$.  Zeige, dass ${}m$ genau dann eine Einheit in ${}M$ ist, wenn ${}T^{m}$ eine Einheit in ${}K[M]$ ist.

Aufgabe

Zeige, dass die Differenzengruppe zu einem kommutativen Monoid in der Tat eine Gruppe ist.

Aufgabe

Es sei ${}M$ ein kommutatives Monoid. Zeige, dass die zugehörige Differenzengruppe  ${}\Gamma =\Gamma (M)$  eine kommutative Gruppe ist, und dass sie folgende universelle Eigenschaft besitzt: Zu jedem Monoidhomomorphismus

$\varphi \colon M\longrightarrow G$

in eine Gruppe ${}G$ gibt es einen eindeutig bestimmten Gruppenhomomorphismus

${\tilde {\varphi }}\colon \Gamma \longrightarrow G,$

der ${}\varphi$ fortsetzt.

Aufgabe

Es sei ${}M$ ein kommutatives Monoid mit zugehöriger Differenzengruppe  ${}\Gamma =\Gamma (M)$.  Zeige, dass folgende Aussagen äquivalent sind.

1. ${}M$ ist ein Monoid mit Kürzungsregel.
2. Die kanonische Abbildung ${}M\rightarrow \Gamma (M)$ ist injektiv.
3. ${}M$ lässt sich als Untermonoid einer Gruppe realisieren.

Aufgabe

Es sei ${}M$ ein kommutatives Monoid und ${}R$ ein kommutativer Ring. Charakterisiere, für welche Teilmengen  ${}I\subseteq M$  die Teilmenge

${}R[I]=\bigoplus _{m\in I}T^{m}\subseteq R[M]\,$

ein Ideal in ${}R[M]$ ist.

Aufgabe

Betrachte den Monoidhomomorphismus

$\mathbb {N} ^{2}\longrightarrow \mathbb {Z} ,\,e_{1}\longmapsto 1,\,e_{2}\longmapsto -1.$

Beschreibe die zugehörige Abbildung zwischen den Monoidringen (für einen Körper ${}K$) und den zugehörigen ${}K$-Spektren.

Aufgabe

Wir betrachten die kommutativen Monoide  ${}M=\mathbb {N} ^{r}$  und  ${}N=\mathbb {N} ^{s}$.  Zeige, dass ein Monoidhomomorphismus von ${}M$ nach ${}N$ eindeutig durch eine Matrix (mit ${}r$ Spalten und ${}s$ Zeilen) mit Einträgen aus ${}\mathbb {N}$ bestimmt ist.

Wie sieht die zugehörige Spektrumsabbildung aus?

Aufgabe

Es sei ${}M$ eine quadratische ${}r\times r$-Matrix mit Einträgen aus ${}\mathbb {N}$ mit der zugehörigen Monoidabbildung und der zugehörigen Spektrumsabbildung

$\varphi \colon K\!\!-\!\operatorname {Spek} \,{\left(K[\mathbb {N} ^{r}]\right)}\longrightarrow K\!\!-\!\operatorname {Spek} \,{\left(K[\mathbb {N} ^{r}]\right)},$

wobei ${}K$ ein unendlicher Körper sei. Zeige, dass genau dann

${}\det M\neq 0\,$

ist, wenn ${}\varphi$ surjektiv auf eine offene Menge aus ${}K\!\!-\!\operatorname {Spek} \,{\left(K[\mathbb {N} ^{r}]\right)}$ abbildet.

Die nächste Aufgabe verwendet die folgende Definition.

Ein Filter ${}F$ in einem kommutativen Monoid ${}M$ ist ein Untermonoid, das zusätzlich teilerstabil ist. D.h. falls ${}f\in F$ ist und ${}g|f$ gilt, so ist auch ${}g\in F$.

Aufgabe

Es sei ${}M$ ein kommutatives Monoid. Zeige, dass es in ${}M$ einen kleinsten Filter gibt und dass dieser eine Gruppe bildet.

Aufgabe

Es sei ${}R$ ein kommutativer Ring. Beweise die ${}R$- Algebraisomorphie

${}R[\mathbb {Z} ^{n}]\cong R[X_{1},\ldots ,X_{n}]_{X_{1}\cdots X_{n}}\,$

mit Hilfe der universellen Eigenschaften von Monoidringen und Nenneraufnahmen.

Aufgabe

Es sei ${}M$ ein kommutatives Monoid und sei  ${}f\in M$.  Wir betrachten die Menge

${}M_{f}={\left\{m-nf\mid m\in M,\,n\in \mathbb {N} \right\}}/\sim \,,$

wobei die Relation

${}m-nf\sim m'-n'f\,$

genau dann gilt, wenn es ein  ${}k\in \mathbb {N}$  derart gibt, dass

${}m+n'f+kf=m'+nf+kf\,$

in ${}M$ gilt.

a) Zeige, dass ${}\sim$ eine Äquivalenzrelation ist.

b) Definiere auf ${}M_{f}$ eine Monoidstruktur.

c) Es sei ${}R$ ein kommutativer Ring und sei  ${}T^{f}\in R[M]$  das Monom zu ${}f$ im Monoidring. Zeige

${}R[M_{f}]\cong R[M]_{T^{f}}\,.$

Aufgabe

Es seien ${}M,N$ endlich erzeugte kommutative Monoide mit den ${}K$-Spektren ${}K\!\!-\!\operatorname {Spek} \,{\left(K[M]\right)}=\operatorname {Mor} _{\operatorname {mon} }\,(M,K)$ und ${}K\!\!-\!\operatorname {Spek} \,{\left(K[N]\right)}=\operatorname {Mor} _{\operatorname {mon} }\,(N,K)$. Zeige, dass man für einen Monoidhomomorphismus ${}\varphi :M\rightarrow N$ die zugehörige Spektrumsabbildung auf zwei verschiedene Weisen definieren kann, die aber inhaltlich übereinstimmen.

Aufgabe

Wir betrachten das kommutative Monoid ${}M$, das durch die drei Erzeuger ${}e,f,g$ und die einzige Relation  ${}e+f=5g$  gegeben ist. Bestimme das ${}K$- Spektrum zu ${}M$ für verschiedene Körper ${}K$.

Aufgabe

Es sei ${}M$ ein endliches kommutatives Monoid. Zeige, dass das ${}K$- Spektrum zu ${}M$ auch endlich ist.

Aufgabe

Berechne in  ${}R=\mathbb {R} [\mathbb {Q} _{\geq 0}]$  das Produkt

${\left(X^{2}+4X^{3/2}-5X+X^{1/2}\right)}{\left(2X^{3/2}+4X-7X^{1/2}\right)}.$

Aufgabe

Zeige, dass man jedes Element  ${}F\in R=K[\mathbb {Q} _{\geq 0}]$  (${}K$ ein Körper) als ein Polynom in ${}X^{1/b}$ mit einem  ${}b\in \mathbb {N} _{+}$  schreiben kann, dass es also ein  ${}P\in K[Y]$  derart gibt, dass  ${}F=P(X^{1/b})$  gilt. Welches Polynom kann man bei

${}F=X^{1/2}+X^{1/3}+X^{1/5}\,$

nehmen?

Aufgabe

Zeige, dass in  ${}R=K[\mathbb {Q} _{\geq 0}]$  das Element ${}X$ keine Zerlegung in irreduzible Elemente besitzt.

Aufgabe

Zeige, dass in  ${}R=\mathbb {R} [\mathbb {Q} _{\geq 0}]$  das Element ${}X^{2}+1$ nicht irreduzibel ist.

Aufgabe

Zeige, dass es in  ${}R={\mathbb {C} }[\mathbb {Q} _{\geq 0}]$  keine irreduziblen Elemente gibt.

Aufgabe *

Bestimme sämtliche Teiler von ${}X$ im Ring  ${}R=K[\mathbb {Q} _{\geq 0}]$,  wobei ${}K$ ein Körper ist.

Aufgabe *

Bestimme die Einheiten im Ring  ${}R=K[\mathbb {Q} ]$,  wobei ${}K$ ein Körper ist.

Aufgaben zum Abgeben

Aufgabe (6 Punkte)

Es seien  ${}M\subseteq N$  endlich erzeugte kommutative Monoide mit Kürzungsregel. Zeige, dass für einen Körper ${}K$ der Ringhomomorphismus  ${}K[M]\subseteq K[N]$  genau dann endlich ist, wenn es zu jedem  ${}n\in \mathbb {N}$  ein  ${}k\in \mathbb {N} _{+}$  mit  ${}kn\in M$  gibt.

Aufgabe (4 Punkte)

Es sei  ${}M=(\mathbb {Q} ,+)$  die additive Gruppe der rationalen Zahlen. Bestimme ${}\mathbb {Q} \!\!-\!\operatorname {Spek} \,{\left(\mathbb {Q} [M]\right)}$. Wie sieht es aus, wenn man ${}\mathbb {Q}$ durch ${}\mathbb {R}$ ersetzt?

Aufgabe (4 Punkte)

Es sei ${}\varphi \colon M\rightarrow N$ ein Homomorphismus von kommutativen Monoiden. Zeige, dass die Menge aller Punkte aus ${}K-\operatorname {Spec} \,K[N]$, die unter der Spektrumsabbildung auf den Einspunkt  ${}1\in K-\operatorname {Spek} \,(K[M])$   (das ist der Punkt, der der konstanten Abbildung ${}M\mapsto 1$ entspricht) abgebildet werden, selbst die Struktur eines ${}K$-Spektrums eines geeigneten Monoids besitzt.

Aufgabe (4 Punkte)

Wir betrachten Monoide der Form

${}M=(\mathbb {Z} /(m),+)\,$

Beschreibe ${}K-\operatorname {Spec} {\left(K[M]\right)}$ allgemein sowie für die Körper  ${}K=\mathbb {R} ,{\mathbb {C} },\mathbb {Z} /(5)$.  Finde die idempotenten Elemente von ${}{\mathbb {C} }[\mathbb {Z} /(3)]$.

Aufgabe (4 Punkte)

Es sei ${}M$ ein kommutatives Monoid. Definiere eine Bijektion zwischen den folgenden Objekten.

1. Filter in ${}M$.
2. ${}\operatorname {Mor} _{\operatorname {mon} }\,(M,(\{0,1\},1,\cdot ))$.
3. ${}{\mathbb {F} }_{2}-\operatorname {Spek} \,(M)$
4. ${}{\left\{\varphi \in K\!\!-\!\operatorname {Spek} \,{\left(K[M]\right)}\mid \varphi (M)\subseteq \{0,1\}\right\}}$. (Dabei ist ${}K$ ein Körper.)

Aufgabe (3 Punkte)

Es seien ${}M$ und ${}N$ kommutative Monoide und sei ${}K$ ein Körper. In welcher Beziehung steht ${}K\!\!-\!\operatorname {Spek} \,{\left(K[M\times N]\right)}$ zu ${}K\!\!-\!\operatorname {Spek} \,{\left(K[M]\right)}$ und ${}K\!\!-\!\operatorname {Spek} \,{\left(K[N]\right)}$?

Aufgabe (4 Punkte)

Es sei ${}K$ ein Körper und ${}G$ eine Gruppe. Dann können wir den Monoidring ${}K[G]$ betrachten. Es sei nun weiter ${}M$ ein ${}K[G]$-Modul. Zeige, dass

a) ${}M$ nichts anderes ist als ein ${}K$-Vektorraum ${}V$ zusammen mit einem Gruppenhomomorphismus ${}\rho \colon G\rightarrow \operatorname {Aut} _{K}(V)$.

b) ein ${}K[G]$-Modulhomomorphismus ${}\varphi \colon M\rightarrow M$ eine ${}K$-lineare Abbildung ist, für die zusätzlich  ${}\varphi \circ \rho (g)=\rho \circ \varphi$  für alle  ${}g\in G$  gilt.

Bemerkung: ${}\rho$ heißt dann eine Darstellung von ${}G$. Solche Darstellungen sind oft einfacher zu handhaben als ${}G$ und man kann mit Hilfe von ${}\rho$ oft hilfreiche Erkenntnisse über ${}G$ selbst gewinnen.