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Kurs:Algebraische Zahlentheorie (Osnabrück 2020-2021)/Arbeitsblatt 10/latex

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\setcounter{section}{10}






\zwischenueberschrift{Aufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{} und sei angenommen, dass jede ganze Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} eine Primfaktorzerlegung in $R$ besitzt. Zeige, dass dann $R$ bereits \definitionsverweis {faktoriell}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{D }
{ \neq }{ 0,1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {quadratfrei}{}{} und $A_D$ der zugehörige \definitionsverweis {quadratische Zahlbereich}{}{.} Es Es sei $p$ eine Primzahl, die in $A_D$ nicht \definitionsverweis {träge}{}{} sei. Beweise die Äquivalenz folgender Aussagen. \aufzaehlungvier{$p$ besitzt eine Primfaktorzerlegung in $A_D$. }{$p$ ist nicht \definitionsverweis {irreduzibel}{}{} \zusatzklammer {also zerlegbar} {} {} in $A_D$. }{$p$ oder $-p$ ist die \definitionsverweis {Norm}{}{} eines Elementes aus $A_D$. }{$p$ oder $-p$ ist die Norm eines \definitionsverweis {Primelementes}{}{} aus $A_D$.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ D }
{ < }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {quadratfrei}{}{} und $A_D$ der zugehörige \definitionsverweis {imaginär-quadratische Zahlbereich}{}{.} Bestimme für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ D }
{ \geq }{ -12 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Nichteinheiten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \in }{ A_D }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit minimaler Norm.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Betrachte in $\Z[\sqrt{-2}]$ die beiden Elemente
\mathdisp {x=4+7 \sqrt{-2} \text{ und } y=5 + 8 \sqrt{-2}} { . }
Bestimme den größten gemeinsamen Teiler der Normen $N(x)$ und $N(y)$ (in $\Z$) und das von $x$ und $y$ erzeugte Ideal in $\Z[\sqrt{-2}]$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel für einen \definitionsverweis {quadratischen Zahlbereich}{}{,} wo die $-1$ als \definitionsverweis {Norm}{}{} eines Elementes auftritt, und ein Beispiel, wo dies nicht der Fall ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Norm}{}{} des Ideals $(X^2+1)$ im \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{}
\mathl{\Z[X]/ { \left( X^4+1 \right) }}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Norm}{}{} des Ideals $(X^2+7)$ im \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{}
\mathl{\Z[X]/ { \left( X^3- 2 \right) }}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

\aufzaehlungdrei{Zeige, dass in $\Z[X]$ die \definitionsverweis {Ideale}{}{} \mathkor {} {{ \left( X^4-7,X^3-5 \right) }} {und} {(X+55,282)} {} übereinstimmen. }{Bestimme die \definitionsverweis {Norm}{}{} des Ideals $(X^3-5)$ im \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{}
\mathl{\Z[X]/ { \left( X^4- 7 \right) }}{.} }{Bestimme die Norm des Ideals $(X^4-7)$ im Zahlbereich
\mathl{\Z[X]/ { \left( X^3- 5 \right) }}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Zahlbereich}{}{} und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Primideal}{}{.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Norm}{}{} von ${\mathfrak p}$ eine echte Primzahlpotenz ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme im \definitionsverweis {quadratischen Zahlbereich}{}{} $\Z[\sqrt{3}]$ endlich viele Elemente $f_1 , \ldots , f_m$, deren \definitionsverweis {Norm}{}{} $13$ ist, und die die Eigenschaft erfüllen, dass jedes Element mit der Norm $13$ zu einem der $f_j$ \definitionsverweis {assoziiert}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Beschreibe das \definitionsverweis {Spektrum}{}{} eines \definitionsverweis {diskreten Bewertungsringes}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} }
{ = }{ ( \pi) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ = }{R/ (\pi) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \definitionsverweis {Restklassenkörper}{}{} von $R$. Zeige, dass es für jedes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} einen $R$-\definitionsverweis {Modulisomorphismus}{}{} \maabbdisp {} { (\pi^ n)/( \pi^ {n+1} )} { K } {} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{,} dessen \definitionsverweis {Restekörper}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ = }{R/ {\mathfrak m} }
{ = }{ {\mathbb F}_{ q } }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} endlich mit $q$ Elementen sei. Zeige, dass
\mathl{R/ {\mathfrak m}^n}{} ein endlicher Ring mit $q^n$ Elementen ist. Man folgere, dass zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \# \left( R/(f) \right) } }
{ =} { q^{ \operatorname{ord} \, (f) } }
{ } { }
{ } { }
{ } {}
} {}{}{} gilt, und dass man die Ordnung von $f$ aus der Größe des Restklassenringes berechnen kann.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} mit \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{} $Q$. Zeige, dass es keinen echten Zwischenring zwischen $R$ und $Q$ gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} mit \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{} $Q$. Charakterisiere die \definitionsverweis {endlich erzeugten}{}{} $R$-\definitionsverweis {Untermoduln}{}{} von $Q$. Auf welche Form kann man ein Erzeugendensystem bringen?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein Körper der \definitionsverweis {Charakteristik}{}{} $0$ und sei
\mathbed {f \in K[X]} {}
{f \neq 0} {}
{} {} {} {,} und
\mathl{a \in K}{.} Zeige, dass die folgenden \anfuehrung{Ordnungen}{} von $f$ an der Stelle $a$ übereinstimmen. \aufzaehlungdrei{Die Verschwindungsordnung von $f$ an der Stelle $a$, also die maximale Ordnung einer \definitionsverweis {formalen Ableitung}{}{} mit
\mathl{f^{(k)}(a) =0}{.} }{Der Exponent des Linearfaktors
\mathl{X-a}{} in der Zerlegung von $f$. }{Die \definitionsverweis {Ordnung}{}{} von $f$ an der \definitionsverweis {Lokalisierung}{}{}
\mathl{K[X]_{(X-a)}}{} von
\mathl{K[X]}{} am \definitionsverweis {maximalen Ideal}{}{}
\mathl{(X-a)}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und $K(T)$ der \definitionsverweis {Körper der rationalen Funktionen}{}{} über $K$. Finde einen \definitionsverweis {diskreten Bewertungsring}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R }
{ \subseteq }{ K(T) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q(R) }
{ = }{ K(T) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R \cap K[T] }
{ = }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} mit \definitionsverweis {maximalem Ideal}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} }
{ = }{ (p) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Ordnung}{}{} \maabbeledisp {} {R \setminus \{0\} } { \N } {f} {\operatorname{ord} \, (f) } {,} folgende Eigenschaften besitzt. \aufzaehlungvier{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (fg) }
{ = }{ \operatorname{ord} \, (f) + \operatorname{ord} \, (g) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (f+g) }
{ \geq }{ \operatorname{min} \left( \operatorname{ord} \, (f) ,\, \operatorname{ord} \, (g) \right) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{ {\mathfrak m} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} genau dann, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (f) }
{ \geq }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{ R^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} genau dann, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (f) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $p$ eine fixierte Primzahl. Zu jeder ganzen Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} bezeichne $\nu_p(n)$ den Exponenten, mit dem die Primzahl $p$ in der Primfaktorzerlegung von $n$ vorkommt.

a) Zeige: die Abbildung \maabb {\nu_p} { \Z \setminus \{0\} } { \N } {} ist surjektiv.

b) Zeige: es gilt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \nu_p(nm) }
{ = }{ \nu_p (n)+ \nu_p(m) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

c) Finde eine Fortsetzung \maabb {\nu_p} { \Q \setminus \{0\} } { \Z } {} der gegebenen Abbildung, die ein Gruppenhomomorphismus ist \zusatzklammer {wobei
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ \Q^{\times} }
{ = }{ \Q \setminus \{0\} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit der Multiplikation und $\Z$ mit der Addition versehen ist} {} {.}

d) Beschreibe den Kern des unter c) beschriebenen Gruppenhomomorphismus.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Wir betrachten im \definitionsverweis {quadratischen Zahlbereich}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{R }
{ = }{A_{-5} }
{ = }{ \Z[\sqrt{-5}] }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} das \definitionsverweis {Primideal}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} }
{ = }{(2,1+\sqrt{-5}) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige direkt, dass das Ideal
\mathl{{\mathfrak p} R_{\mathfrak p}}{} in der \definitionsverweis {Lokalisierung}{}{}
\mathl{R_{\mathfrak p}}{} ein \definitionsverweis {Hauptideal}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ D }
{ \neq }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {quadratfrei}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ D }
{ = }{ 1 \mod 4 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Finde in
\mathl{\Z[\sqrt{D}]}{} ein \definitionsverweis {Primideal}{}{} ${\mathfrak p}$ derart, dass die \definitionsverweis {Lokalisierung}{}{} an ${\mathfrak p}$ kein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei \maabbdisp {\nu} {(K^\times, \cdot,1)} { (\Z,+,0) } {} ein \definitionsverweis {surjektiver}{}{} \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \nu(f+g) }
{ \geq }{\min\{ \nu(f) , \nu(g)\} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f,g }
{ \in }{ K^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R }
{ =} { { \left\{ f \in K^\times \mid \nu(f) \geq 0 \right\} } \cup \{0\} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V }
{ = }{ V(x^2+y^2-1) }
{ \subseteq }{ {\mathbb A}^{2}_{K} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der \stichwort {Einheitskreis} {} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ = }{(a,b) }
{ \in }{V }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Punkt. \aufzaehlungvier{Zeige, dass der \definitionsverweis {lokale Ring}{}{} $R$ von $V$ im Punkt $P$ ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} ist. }{Folgere, dass der \definitionsverweis {Koordinatenring}{}{}
\mathl{K[X,Y]/(X^2+Y^2-1)}{} \definitionsverweis {normal}{}{} ist \zusatzklammer {man kann $K$ algebraisch abgeschlossen annehmen} {} {.} }{Zeige, dass
\mathl{K[X,Y]/(X^2+Y^2-1)}{} nicht \definitionsverweis {faktoriell}{}{} ist. }{Bestimme die \definitionsverweis {Ordnung}{}{} von $X$ und von $Y-1$ im lokalen Ring zum Punkt
\mathl{(0,1)}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{.} Eine
\definitionswortenp{Potenzreihe in einer Variablen}{} über $K$ ist ein formaler Ausdruck der Form
\mathdisp {a_0+a_1T+a_2T^2+a_3T^3+ \ldots \text{ mit } a_i \in K} { . }
Es kann hier also unendlich viele von $0$ verschiedene Koeffizienten $a_i$ geben. Definiere eine Ringstruktur auf der Menge aller Potenzreihen, die die Ringstruktur auf dem Polynomring in einer Variablen fortsetzt. Zeige, dass dieser Ring ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {Integritätsbereich}{}{} mit \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ = }{ Q(R) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R }
{ = }{ \bigcap_{i \in I} R_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei die
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ R_i }
{ \subseteq }{K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ i }
{ \in }{ I }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} alle \definitionsverweis {diskrete Bewertungsringe}{}{} seien. Zeige: $R$ ist \definitionsverweis {normal}{}{.}

}
{} {}


Ein \definitionsverweis {Modul}{}{,} der außer $0$ keine \definitionsverweis {Torsionselemente}{}{} enthält, heißt \definitionswort {torsionsfrei}{.}





\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass ein \definitionsverweis {torsionsfreier}{}{} \definitionsverweis {endlich erzeugter}{}{} \definitionsverweis {Modul}{}{} $M$ über einem \definitionsverweis {diskreten Bewertungsring}{}{} \definitionsverweis {frei}{}{} ist.

}
{} {}